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Phänomenologische Betrachtung Das Konzept der Dunklen Materie Was ist nun dunkle Materie Dunkle Energie Konzepte ohne dunkle Materie.

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Präsentation zum Thema: "Phänomenologische Betrachtung Das Konzept der Dunklen Materie Was ist nun dunkle Materie Dunkle Energie Konzepte ohne dunkle Materie."—  Präsentation transkript:

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2 Phänomenologische Betrachtung Das Konzept der Dunklen Materie Was ist nun dunkle Materie Dunkle Energie Konzepte ohne dunkle Materie

3 20. Jh. Erstmals leistungsfähige Teleskope (Hubble,…) 1932 Jan Hendrik Oort : Arbeiten zu Struktur und Dynamik der Galaxis -Dicke der Milchstraße zu klein. Mehr Masse nötig. Dunkle Materie

4 1933, Fritz Zwicky entdeckt merkwürdige Galaxienbewegung im Coma-Galaxienhaufen (100MPc entfernt). Geschwindigkeiten der Galaxien zueinander und Entfernung voneinander stimmt nicht. (Virialsatz) Gleiches Phänomen auch bei Kugelsternhaufen. Newtonsches Gravitationspotential reicht nicht für eine Stabilität aus!

5 Haar der Berenike

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7 1960, Vera Rubin: Umlaufgeschwindigkeit der Sterne um das galaktisches Zentrum nimmt mit zunehmender Entfernung nicht ab. - müssten sie aber, da schwächere Gravitation

8 Bis heute Entdeckung vieler weiterer astronomischer Systeme Kartierung von ca. 100Mio. Sternen beim Sloan Digital Sky Survay am Apache-Point-Observatorium (APO) in New Mexico

9 Versuch die Strukturen aus Dichteschwankungen zu simulieren Millennium Simulation Frühe Strukturbildung trotz der Hitze im jungen Universum nicht ohne zusätzliche Masse erklärt werden. (Strahlungsdruck)

10 Gravitationslinsen von Galaxien wesentlich bestimmt durch DM Abell 2218 Haufen (Hubble)

11 2006, 1E (Bullet Cluster) 3,35 Milliarden LJ Drei entscheidende Größen beobachtet: -Galaxienverteilung durch optische Beobachtungen (blau) -Intergalaktisches, heißes Gas im Röntgenbereich (Chandra, Rot) -Massenverteilung mit Hilfe des Gravitationslinseneffektes. (Hubble)

12 Galaxien von sehr heißem Gas umgeben 90% der Masse steckt im Interstellaren Gas Galaxien fliegen aneinander vorbei, Gas wird abgebremst Separation von interstellarem Gas und Galaxien Gravitation geht aber weiterhin von Galaxien aus. (Linseneffekt)

13 Pioneer-Anomalie

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15 I. Das Standardmodell II. Baryonische DM III. Nicht-Baryonische DM

16 Isotrope, homogene Verteilung auf großen Skalen Expansion (Hubble`s Law) Relativitätstheorie Heiße, dichte Anfangsphase

17 Euklidisch Raum Geschlossen, sphärischer Raum Offener, hyperbolischer Raum K = 0 k = 1 k = -1

18 Wichtige Parameter Kritische Dichte Dichteparameter KrümmungDichteparamterVerhalten des Krümmungsradius k = -1 monoton k = 0 wachsend k = 1 endlich = + = / c = Zusammenhang zwischen Massendichte und Lösungstyp des Weltmodells.

19 Annahmen: b 0,04 bl 0,005 Dunkle Materie ist baryonischen und nicht-baryonischen Ursprungs.

20 Bestätigung der Annahmen durch: Gravitationslinseneffekt Leuchtkraftdichte mit Masse-Leuchtkraft- Verhältnis mittlere Leuchtkraftdichte (B): ML-Verhältnis: 0,3 L B = 10 8 L B Mpc -3 M/L B 200 0,1 – 0,2

21 Kosmische Hintergrundstrahlung Spektrum der Anisotropie: - Lage des HM: Krümmungsart des Raumes - Lage der 1. NM: Information über Baryonendichte - Lage des 2. NM: Information über DM-Dichte

22 Primordiale Nukleosynthesephase Festlegung des Verhältntis baryonischer Materie Kosmologische Simulationen Millenium-Simulation - Entwicklung der Dichteschwankungen im Kosmos - Verhalten der dunklen Materie b 0,043 estätigung der Modelle

23 Gas – und Staubwolken MACHOs - Braune Zwerge - Weiße Zwerge - Neutronensterne - schwarze Löcher Problem: Kaum Beobachtung durch Mikrolinseneffekt (OGLE 1993) Adlernebel

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25 HDM Top-Down- Szenario Neutrino - Entkoppelung 1 Sekunde nach Urknall - Unbekannte Masse ( m < 2 eV) Problem: Großstrukturen Anteil max. 30%

26 WDM Steriles Neutrino - WW: Gravitation - Masse unbekannt (Fermilab 2007) Leichtes Gravitino - Superpartner des Gravitons Problem: keine direkte Detektion

27 CDM Bottom-Up- Szenario WIMPS LSP (SUSY) : - Endprodukt aller Zerfälle von SP - Absolute Stabilität - Ursprung: Primordiale Nukleosynthese Problem: Zu viele unbekannte Parameter

28 Axion - Schwache WW, Ladungsfrei - Entstehung: Primakoff-Effekt - Masse zwischen eV - 1 eV Detektoren: u.a. Axion-Helioskop CAST am CERN: Problem: Zerfall in Photonen wäre detektierbar

29 Primordiale schwarze Löcher (MACHO) Zerfallende DM Dark Fluid-Theorie

30 Modifizierung der Gravitationsgesetze, Newton/ART schwere/träge Masse nicht äquivalent bei kleinen Beschleunigungen Mo dified N ewtonian D ynamics

31 F = m a bekannt, und gut experimentell überprüft Für extrem kleine Beschleunigungen fast nicht experimentierbar. Modifikation 1983 von Mordehai Milgrom : F = m μ (a/a 0 ) a wobei μ von der Art, dass μ (x)=1 für große Beschleunigungen μ (x)=x für kleine Beschleunigungen (z.B. μ = x / 1 + x o.Ä. ) Für a >> a 0 gilt weiterhin F G = m a Für a << a 0 wird dann F G = m a²/a 0 a 0 = 1,2 * m/s² von Milgrom bestimmt

32 Weitere Erklärungsversuche durch Tensor-Vektor-Skalar Gravitationstheorie Darstellung des Raumes nicht nur mit einem Tensor/Metrik (ART)

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34 Grenzen des Standardmodells Beobachtung: Sn Typ 1a Theorie: Der Sachs Wolfe – Effekt Beobachtung: Hintergrundstrahlung Theorie: Dunkle Energie Kandidaten: Die Einsteingleichungen, Λ Spezielles Thema: Gravasterne

35 Astronomische Beobachtungen zeigen beschleunigte Expansion des Universums => Widerspruch

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41 Es muss also eine die Expansion des Universums beschleunigende Groesse geben Dies ist die dunkle Energie

42 Faktor in den verallgemeinerten Einsteinschen Feldgleichungen : Einfuehrung um statisches Universum zu gewaehrleisten Definiert die Vakuumenergiedichte : Vakuumenergie gilt als wahrscheinlichster Kandidat fuer die dunkle Energie

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45 Moegliche Loesung der Einsteinschen Feldgleichungen Durch astronomische Beobachtungen nicht vom SL unterscheidbar Ein abstossendes Vakuum (dunkle Energie) Stabilisiert eine Schale aus kondensierter Materie Wandelt baryonische Materie in dunkle Energie um

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47 Quellen Bilder

48 Der neue Kosmos von Unsöld, Baschek Particle Astrophysics von Perkins Existence and Nature of Dark Matter in the Universe von Virginia Trimble aus Annual Reviews Wikipedia aachen.de/~schael/Seminar%20SS07_files/2007_04_23_nachtrodt.pdf Bilder:

49 Peter Schneider: Extragalactic Astronomy and Cosmology wikipedia.org (Bilder, allgemeine Informationen)


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