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Dunkle Energie – Ein kosmisches Raetsel Dunkle Energie- ein kosmisches Rätsel.

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Präsentation zum Thema: "Dunkle Energie – Ein kosmisches Raetsel Dunkle Energie- ein kosmisches Rätsel."—  Präsentation transkript:

1 Dunkle Energie – Ein kosmisches Raetsel Dunkle Energie- ein kosmisches Rätsel

2 Dunkle Energie – ein kosmisches Rätsel C.Wetterich A.Hebecker,M.Doran,M.Lilley,J.Schwindt, C.Müller,G.Schäfer,E.Thommes, R.Caldwell

3 Woraus besteht unser Universum ?

4 Feuer, Luft, Wasser, Erde ! Quintessenz !

5 Kritische Dichte ρ c =3 H² M² ρ c =3 H² M² Kritische Energiedichte des Universums Kritische Energiedichte des Universums ( M : reduzierte Planck-Masse, H : Hubble Parameter ) ( M : reduzierte Planck-Masse, H : Hubble Parameter ) Ω b =ρ b /ρ c Ω b =ρ b /ρ c Anteil der Baryonen an der (kritischen) Energiedichte Anteil der Baryonen an der (kritischen) Energiedichte

6 Zusammensetzung des Universums Ω b = Ω b = Ω dm = Ω dm = Ω h = 0.73 Ω h = 0.73

7 ~60,000 von >300,000 Galaxien Baryonen Staub Staub Ω b =0.045 Ω b =0.045 Nur 5 Prozent unseres Universums Nur 5 Prozent unseres Universums bestehen aus bekannter Materie ! bestehen aus bekannter Materie ! SDSS

8 Abell 2255 Cluster ~300 Mpc

9

10 Ω b =0.045 Von Nukleosynthese, Kosmischer Hintergrundstrahlung

11 Dunkle Materie Ω m = 0.27 Materie insgesamt Ω m = 0.27 Materie insgesamt Die meiste Materie ist dunkel ! Die meiste Materie ist dunkel ! Bisher nur durch Gravitation spürbar Bisher nur durch Gravitation spürbar Alles was klumpt! Gravitationspotential Alles was klumpt! Gravitationspotential Bahnen und Geschwindigkeiten von Bahnen und Geschwindigkeiten von Sternen und Galaxien erlauben Messung Sternen und Galaxien erlauben Messung des Gravitationspotentials und damit der des Gravitationspotentials und damit der lokalen Materie lokalen Materie

12 Gravitationslinsen Gravitationslinse,HST

13 NOT LENSED (randomly aligned) LENSED N Galaxies Averaged shape Shear estimate Waerbeke

14 Kosmologischer schwacher Gravitationslinseneffekt 1deg Waerbeke

15 Cosmic Shear (68%) Bereiche für m, h von WMAPext, SNIa und Cosmic Shear Waerbeke ΩhΩhΩhΩh

16 Räumlich flaches Universum Theorie (Inflationäres Universum ) Theorie (Inflationäres Universum ) Ω tot =1.0000……….x Ω tot =1.0000……….x Beobachtung ( WMAP ) Beobachtung ( WMAP ) Ω tot =1.02 (0.02) Ω tot =1.02 (0.02) Ω tot = 1

17 Foto des Urknalls

18 NASA/GSFC Chuck Bennett (PI) Michael Greason Bob Hill Gary Hinshaw Al Kogut Michele Limon Nils Odegard Janet Weiland Ed Wollack Princeton Chris Barnes Norm Jarosik Eiichiro Komatsu Michael Nolta UBC Mark Halpern Chicago Stephan Meyer Brown Greg Tucker UCLA Ned Wright Science Team: Wilkinson Microwave Anisotropy Probe A partnership between NASA/GSFC and Princeton Lyman Page Hiranya Peiris David Spergel Licia Verde

19

20 W 94 GHz Dipole Removed

21

22 WMAP Angular Power Spectrum Anisotropien des CMB Winkel Amplitude der Fluktuationen

23 Mittelwerte Ω tot =1.02 Ω m =0.27 Ω b =0.045 Ω dm =0.225

24 Ω tot =1

25 Dunkle Energie Ω m + X = 1 Ω m + X = 1 Ω m : 30% Ω m : 30% Ω h : 70% Dunkle Energie Ω h : 70% Dunkle Energie h : homogen, oft auch Ω Λ statt Ω h

26 Dunkle Energie : homogen verteilt

27 Dunkle Energie : Vorhersage: Die Expansion des Universums beschleunigt sich heute !

28 Supernova Ia Hubble-Diagramm Rotverschiebung z Filippenko

29 Supernovae : Ω m <1 Filippenko

30 Strukturbildung Aus winzigen Anisotropien wachsen die Strukturen des Universums Sterne, Galaxien, Galaxienhaufen Ein primordiales Fluktuationsspektrum beschreibt alle Korrelatonsfunktionen !

31 Strukturbildung : Fluktuationsspektrum Waerbeke CMB passt mit Galaxienverteilung Lyman – α und Gravitationslinsen- Effekt !

32 Konsistentes kosmologisches Modell !

33 Zusammensetzung des Universums Ω b = sichtbar klumpt Ω b = sichtbar klumpt Ω dm = unsichtbar klumpt Ω dm = unsichtbar klumpt Ω h = 0.73 unsichtbar homogen Ω h = 0.73 unsichtbar homogen

34 Dunkle Energie – Ein kosmisches Raetsel Dunkle Energie- ein kosmisches Rätsel

35 Was ist die dunkle Energie ? Kosmologische Konstante oder Quintessenz ?

36 Kosmologische Konstante Konstante λ verträglich mit allen Symmetrien Konstante λ verträglich mit allen Symmetrien Zeitlich konstanter Beitrag zur Energiedichte Zeitlich konstanter Beitrag zur Energiedichte Warum so klein ? λ/M 4 = Warum so klein ? λ/M 4 = Warum gerade heute wichtig? Warum gerade heute wichtig?

37 Kosm. Konst. | Quintessenz statisch | dynamisch

38 Quintessenz Dynamische dunkle Energie, vermittelt durch Skalarfeld vermittelt durch Skalarfeld (Kosmon) (Kosmon)

39 Kosmon Skalarfeld ändert seinen Wert auch in der heutigen kosmologischen Entwicklung Skalarfeld ändert seinen Wert auch in der heutigen kosmologischen Entwicklung Potenzielle und kinetische Energie des Kosmons tragen zur Energiedichte des Universums bei Potenzielle und kinetische Energie des Kosmons tragen zur Energiedichte des Universums bei Zeitabhängige dunkle Energie : Zeitabhängige dunkle Energie : ρ h (t) fällt mit der Zeit ! ρ h (t) fällt mit der Zeit !

40 Kosmon Winzige Masse Winzige Masse m c ~ H m c ~ H Neue langreichweitige Wechselwirkung Neue langreichweitige Wechselwirkung

41 Fundamentale Wechselwirkungen Starke,elektromagnetische,schwache Wechselwirkung GravitationKosmodynamik Auf astronomischen Skalen: Graviton + Kosmon

42 Evolution des Kosmonfelds Feldgleichung Feldgleichung Potenzial V(φ) bestimmt Details des Modells Potenzial V(φ) bestimmt Details des Modells z.B. V(φ) =M 4 exp( - φ/M ) z.B. V(φ) =M 4 exp( - φ/M ) Für wachsendes φ fällt Potenzial gegen Null Für wachsendes φ fällt Potenzial gegen Null

43 Kosmologische Gleichungen

44 Kosmische Attraktorlösung Lösung unabhängig von Anfangsbedingungen typisch V~t -2 φ ~ ln ( t ) Ω h ~ const. Details hängen von V(φ) ab Frühe Kosmologie

45 Zustandsgleichung p=T-V Druck kinetische Energie p=T-V Druck kinetische Energie ρ=T+V Energiedichte ρ=T+V Energiedichte Zustandsgleichung Zustandsgleichung Hängt von spezifischer Evolution des Skalarfelds ab

46 Negativer Druck w < 0 Ω h wächst w < 0 Ω h wächst w < -1/3 Expansion des Universums ist w < -1/3 Expansion des Universums ist beschleunigt beschleunigt w = -1 Kosmologische Konstante w = -1 Kosmologische Konstante

47 Quintessenz wird heute wichtig

48 Wie kann man Quintessenz von kosmologischer Konstanten unterscheiden ?

49 Zeitabhängigkeit der dunklen Energie Kosmologische Konstante : Ω h ~ t² ~ (1+z) -3 M.Doran,…

50 Frühe dunkle Energie Ein paar Prozent im frühen Universum Nicht möglich für kosmologische Konstante

51 Frühe Quintessenz verlangsamt das Wachstum der Strukturen

52 Fluktuationsspektrum Caldwell,Doran,Müller,Schäfer,…

53 Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung Caldwell,Doran,Müller,Schäfer,…

54 Wie unterscheidet man Q von Λ ? A) Messung Ω h (z) H(z) i) Ω h (z) zur Zeit der i) Ω h (z) zur Zeit der Strukturbildung, CMB - Emission Strukturbildung, CMB - Emission oder Nukleosynthese oder Nukleosynthese ii) Zustandsgleichung w h ( heute ) > -1 ii) Zustandsgleichung w h ( heute ) > -1 B) Zeitvariation der fundamentalen Konstanten

55 Sind fundamentale Konstanten zeitabhängig ? Feinstrukturkonstante α (elektrische Ladung) Verhältnis Nukleonmasse zu Planckmasse

56 Quintessenz und Zeitabhängigkeit der fundamentalen Konstanten Feinstrukturkonstante hängt vom Wert des Feinstrukturkonstante hängt vom Wert des Kosmon Felds ab: α(φ) Kosmon Felds ab: α(φ) Zeitentwicklung von φ Zeitentwicklung von φ Zeitentwicklung von α Zeitentwicklung von α Beobachtung (molekulare Absorptionslinien Beobachtung (molekulare Absorptionslinien im Licht von Quasaren ) im Licht von Quasaren ) z=2-3 : Δα/α = ! z=2-3 : Δα/α = ! Webb et al Webb et al

57 Variation der Feinstrukturkonstanten als Funktion der Rotverschiebung Webb et al

58 Crossover Quintessenz und Zeitvariation fundamentaler Konstanten Obergrenzen für relativeVariation der Feinstrukturkonstanten Obergrenzen für relativeVariation der Feinstrukturkonstanten Oklo natürlicher Reaktor < z=0.13 Oklo natürlicher Reaktor < z=0.13 Meteoriten ( Re-Zerfall ) < z=0.45 Meteoriten ( Re-Zerfall ) < z=0.45 Crossover Quintessenz verträglich mit QSO Crossover Quintessenz verträglich mit QSO und Obergrenzen ! und Obergrenzen !

59 Zeitvariation der Kopplungskonstanten ist winzig – wäre aber von grosser Bedeutung ! Mögliches Signal für Quintessenz

60 Παντα ρει

61 Kosmodynamik Kosmon vermittelt neue langreichweitige Wechselwirkung Reichweite : Grösse des Universums – Horizont Reichweite : Grösse des Universums – Horizont Stärke : schwächer als Gravitation Stärke : schwächer als Gravitation Photon Elektrodynamik Photon Elektrodynamik Graviton Gravitation Graviton Gravitation Kosmon Kosmodynamik Kosmon Kosmodynamik Kleine Korrekturen zum Gravitationsgesetz

62 Verletzung des Äquivalenzprinzips Verschiedene Kopplung des Kosmons an Proton und Neutron Differentielle Beschleunigung Verletzung des Äquivalenzprinzips Erde p,n Kosmon

63 Differentielle Beschleunigung η Für vereinheitlichte Theorien ( GUT ) : Q : Zeitabhängigkeit anderer Parameter

64 Verknüpfung zwischen Zeitabhängigkeit von α und Verletzung des Äquivalenzprinzips typisch : η =

65 Zusammenfassung o Ω h = 0.7 o Q/Λ : dynamische und statische dunkle Energie unterscheidbar dunkle Energie unterscheidbar o Q : zeitlich veränderliche fundamentale Kopplungen, fundamentale Kopplungen, Verletzung des Äquivalenzprinzips Verletzung des Äquivalenzprinzips

66 ???????????????????????? Warum wird Quintessenz gerade in der heutigen kosmologischen Epoche wichtig ? Haben dunkle Energie und dunkle Materie etwas miteinander zu tun ? Kann Quintessenz in einer fundamentalen vereinheitlichten Theorie erklärt werden ?


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