AIP Der Kosmos mit dunkler Materie und dunkler Energie Volker Müller Wo stehen wir im Universum ? Kalte dunkle Materie (DM) Vakuum mit Energie (DE) Strukturbildung mit DM + DE Begruessung: Rede über dunklen Teil des Universums Beobachtungen gehen ueber das sichtbare Licht und andere Spektralkanaele, wit Radio oder Roentgenstrahlung: alles soll Kehrseite haben? Reise zu den großen Strukturen: hier Sloan Survey: nach Alfred P. Sloan, 1923-37 Direktor von GM kosmisches Netz http:/www.aip.de/groups/cosmology vmueller@aip.de

AIP Potsdam Elemente: Gravitationstheorie Galaxien und Strukturen Schwarzschild-Technologiegebäude Elemente: Gravitationstheorie Galaxien und Strukturen Multiobjekt-Spektroskopie ca. 1930 Einstein im Turm Einstein-Turmteleskop

Lokale Sternsysteme Region des galaktischen Zentrums (60° x 40°) Offener Sternhaufen M50 ca. 100 Sterne (15‘) Sternbeobachtungen: sind nicht alles Galaxie M31 mit Begleitern (Durchmesser 3°)

Milchstraße als unsere Heimat Planeten: Erde - Sonne: 150 Mill. Km Astron. Einheit AE 8 Lichtminuten Erde - Saturn: 10 AE ≈ 1 Lh Vergrößerung: 1 : 100 Tausend Fixsterne nahe der Sonne: 1 -  Centauri (4.3 Lj entfernt) 2 - proxima Centauri 3 - Sirius Vergrößerung: 1 : 10 Tausend Planetensystem um 1 Milliarde vergroessert: MW, 100 Milliarden Sterne Licht durch Michstrasse: 100 000 Jahre Licht zu M31 ca. 2 Millionen Jahre

Astronomie vom erdnahen Raum Internationale Raumstation ISS: 340 Km Höhe Wilkinson Anisotropie Map (WMAP) Satellite: Lagrange-Punkt 2 1.5 Mill. km von Sonne weg Erddurchmesser 13 Tkm

Welt der Galaxien 3.26 Lj = 1 Parsec (pc) nahe Fixsterne: einige pc Nachbargalaxien: über ein Millionen Parsec (Mpc) Weltradius: 4 500 Mpc Lokale Gruppe M31 ist ca. 2 Mill. Lj weg 2 Riesen und ca. 40 Zwerge: Wempe-Preis

Dunkle Materie „Wo ist die dunkle Materie?“ Konzept ähnlich fundamental wie die Expansion des Universums Ohne dunkle Materie halten Galaxien nicht zusammen. Ohne dunkle Materie sind Galaxienhaufen Zufallsprodukte. Ohne dunkle Materie würden wir keine Gravitationslinsen beobachten! Mit Otto Heckmann, Bengt Strömgren, Dennis Sciama, Einweihung ESO-Headquarter 1981

Dunkle Materie Titel: „Die Kraft des Sternsystems senkrecht zur Milchstraßenebene und damit verwandte Probleme“ Jan Hendrik Oort (1900 - 1992) mit Otto Heckmann, Bengt Strömgren, Dennis Sciama, Einweihung ESO-Headquarter 1981 1932

Dunkle Materie Oort bestimmte die Massendichte in der Milchstraßeneben: 0.15 Sonnenmassen pro pc3 und damit vergleichbar mit der Leuchtdichte Damit kaum dunkle Materie in der Milchstraßenebene (max. Anteil 50%) Oortsche Grenze Massendichte aus Oszillationen von Sternen durch die Milchstrassenebene in Galaxien ist Masse pro Leuchtkraft etwa konstant bemerkenswert: leuchtschwächere Sterne in Sonnenumgebung machen 75 % der Masse aus, leuchtkräftigere dagegen ca. 95 % der Leuchtkraft

Dunkle Materie Oorts Paper von 1932 war erste Bestimmung der Massendichte des Milchstraßensystems Publikationsstatistik des ADS der NASA

Dunkle Materie Messung der Masse von Sternsystemen durch relative Bewegung (viel Masse verursacht schnelle Bewegung): Paper von 1933 “Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln” Messung von Radialgeschwindigkeiten in Galaxienhaufen von 700 km/s DM mit einem Faktor 100 über der Leuchtkraft schweizer Astrophysiker Fritz Zwicky (1898 - 1974)

Dunkle Materie in Galaxiencluster der Shapley-Region Shapley Supercluster bei z=0.05, d.h. ca. 100 Mpc Entfernung

Dunkle Materie cp. Thesis Martins, Trieste, 2009 Prinzip der Messung von Rotationskurven: rotierende Spiralgalaxie von der Seite gesehen: Mass fuer die innenliegende Masse cp. Thesis Martins, Trieste, 2009

Dunkle Materie Rotationskurven von Spiralgalaxien M51: radiale Komponente der Zirkulargeschwindigkeit von Gaswolken Doppler-Effekt: Galaxien von der Kante Rotationskurven von Spiralgalaxien

Dunkle Materie Messung des neutralen Gases Dunkle Materie wichtig für Rotationskurven: steiler Anstieg im Zentrum und flach außen Zwerggalaxien von DM dominiert NGC 240

Dunkle Materie Röntgengas bildet DM-Verteilung ab Einstein-Satellit Coma-Haufen: 60 Mpc Entfernung (Boehringer) Gas in Galaxienhaufen XMM-Newton Gastemperatur ist Maß für die Masse (hydrostatisches Gleichgewicht)

Dunkle Materie Dunkle Materie aus dem Gravitationslinseneffekt Sjurn Refsdal (1935-2009) war Pionier in der Forschung von Gravitationslinsen als Dektektoren in der Astronomie, hier 2005 mit der King’s Medal of Merit in Gold

Dunkle Materie Verzerrung von Hintergrundgalaxien und Doppelbilder durch dunkle Materie in Galaxienhaufen: Gravitationslinseneffekt benutzt zur Massenbestimmung in Galaxiencluster und damit zur Messung von DM Abell-Haufen A1689 Broadhurst et al.

Dunkle Materie Verstärkung des Lichtes von fernen Galaxien natürliches Fernrohr Cl0024 (HST)

Dunkle Materie Rätselhafte Vierfachbilder: Weg zur Massenverteilung in Zentrum von Galaxien Vierfachbild des Quasars Q 2237+030 G. Lewis & M. Irvine Einstein-Kreuz in Zw 2237+030 J.Rhoads et al. Entfernungsmessung

Dunkle Materie Kandidaten kommt aus der Massenbestimmung von Sternsystemen dunkle Halos um Galaxien: Rotationskurven Gas in Galaxienhaufen: hydrostatisches Gleichgewicht Lichtablenkung durch dichte enge Objekte: Gravitationslinsen Begriff seit etwa 1975 im Gebrauch (zuvor vermisste Materie) heute: kalte dunkle Materie = CDM Kandidaten Neutrinos (vom Beta-Zerfall): nein! häufigste Teilchen im Kosmos, aber nicht kalt Photinos (oder Axionen, Gravitinos) WIMPs über 100 mal so schwer wie Proton Braune Zwerge, Planeten, Schwarze Löcher - MACHOS nicht nachgewiesen, es gibt dafür nicht genug Baryonen kalte dunkle Materie

Dunkle Energie kommt aus der Messung der Expansionsrate des Universums Begriff 1999 von Michael Turner Ursprung geht auf Einsteins Erweiterung seiner Feldgleichungen 1917 zurück: kosmologische Konstante Einstein bezeichnete dies bald als “größten Plunder seines Lebens” erste Weltmodelle von Einstein + deSitter mit DE Einstein, Eddington, Ehrenfest, Lorentz, deSitter: Leiden 1920

Dunkle Energie Messung mit der Rotverschiebung: Expansion des Universums ist mit der Rotverschiebung gemessen z=1 heißt Halbierung der Abstände zwischen Galaxien Messung mit der Rotverschiebung: z=0.2 Tiefe von Rotverschiebungskatalogen von Galaxien z=1 halbes Weltalter (7 Milliarden Jahre) z=2 Maximum der Quasaraktivität ca. z=6 Rekord für Galaxien (1 Milliarde Jahre) z=1000 Tiefe des sichtbaren Universums (200 Tausend Jahre) Expansionsmodell

Dunkle Energie Weltalter größer als 10 Mrd. Jahre belegt DE

Dunkle Energie Häufigkeit der Mehrfachbilder: Vakuumenergie notwendig für Lichtweg von über 7 Mrd. Lj bis Rotverschiebung z=1 Anteil der Vakuumenergie über 70%: 1. Nachweis 1992 (Carroll, Press, Turner) Einstein-Kreuz in Zw 2237+030 J.Rhoads et al. Entfernung des Einstein-Kreuzes zeigt: DE > 70% seit 2003: Nachweis von DE durch Grad der Verzerrung von Hintergrundgalaxien

Dunkle Energie Beobachtung einer Supernova in einer nahen wechselwirkenden Galaxie Typisch eine SN alle 50 Jahre in einer Galaxie Kosmische SN-Projekte: Überwachung einer großen Zahl von Galaxien SN1a sind explodierende Weiße Zwerge: physikalische Modellierung relativ gut möglich wechselwirkende Galaxien

Dunkle Energie mit 75% Dunkle Energie Lichtkurve bestimmt absolute Helligkeit: ferne SN sind schwächer als erwartet - Raum größer durch Dunkle Energie Erwartung ohne DE Lichtkurve bestimmt absolute Helligkeit

Dunkle Energie = Vakuumenergie Otto von Guericke erzeugte 1657 Vakuum in Magdeburger Halbkugeln: Kugel von 1m Durchmesser trägt Gewicht von 10 Tonnen kein ‘Horror Vacui’ nach Aristoteles Aristoteles vermeidet Vakuum: alles gefüllt von Materie = DE Stich von Caspar Schotts

Vakuumenergie Hendrik Casimir berechnete 1948 Vakuumenergie zwischen Leiterplatten 1957 gemessen Vakuum ist nicht leerer Raum (mod. QFT) 1998 Leipzig: Symposium zur Vakuumenergie entspricht für d= 0.1 mm das 10-15 fache des Luftdrucks, oder 10-5 N/m2

Vakuumenergie beobachtet: erwartet: wenn 1965 Zeldovich + Sacharov: ‘Steifheit’ des leeren Raumes (aber kein Äther) erste Vakuumenergieberechnung durch Walter Nernst 1926 (Unschärfterelation) beobachtet: erwartet: wenn größter Rechenfehler der modernen Physik

Dunkle Energie dynamische Messung (Bahnen von astronomischen Objekten)? Beschleunigung = Gravitationsanziehung - Hubble-Expansion2 x Abstand Vakuumenergieeffekt auf Erdbahn um Sonne: 10-22 Galaxie im Cluster: 1% wirklich nur im kosmischen Rahmen zu messen kosmische Beschleunigung: direkte Messung schwierig Vakuumenergie 75% Materie 25%

Dunkle Energie Materie dominiert Expansion dominiert DE aus Geometriemessung Materie und Vakuum gleichen Expansionsrate aus

Dunkle Energie im 3K-Hintergrund 3K-Photonen erreichen uns von der Zeit der letzten Streuung Geometrie der 3K-Strahlung

Dunkle Energie Blick ins frühe Universum: Antennenrauschen COBE-Satellit misst Gravitationsfeld vom Urknall WMAP misst Intensitätsverteilung und (indirekt) Geometrie des Universums Experimente: 1965, 1991-5, 2006

Dunkle Energie 1. Messung Boomerang-Ballon (2002) am Südpol DE aus Geometrie + dynamischen Messungen LSS gibt übereinstimmende Parameter (KonKordanz-Modell) LSS Messung der Größe von tyischen Schwankungen der Temperatur

Dunkle Energie Messung der Temperatur auf der ganzen Himmelskugel: Abbild der Zeit der ‘letzten Streuung’ Maximum bei 1 Grad = 100 Mpc in Projektion Harmonie der Obertöne vermißt Kosmos

Strukturbildung mit DM und DE Galaxienbildung, Cluster, LSS

Strukturbildung mit DM und DE nahe LSS Jarrett et al. (2003): ca. 1 Millionen nahe Galaxien, Struktur naher Superhaufen

Strukturbildung mit DM und DE Blick in die Tiefe Dichtemaxima markieren 5000 Gruppen: feine Filamentstruktur Irreguläre Strukturen mit 40 Superhaufen

Strukturbildung mit DM und DE Kleine Dichteschwankungen vom Frühkosmos wachsen unter eigenen Gravitationsfeld an (Gravitationskollapse), es bilden sich anisotrope Strukturen. Die Strukturbildung verläuft von kleinen zu großen Skalen, typisch für kalte DM. Die Filamentstrukturen sind stark ausgeprägt und stabil, die kosmischen Geschwindigkeitsfelder sind gross gegen unregelmäßige Bewegungen: Beschleunigung der Expansion durch DE. density field δ(x,t) gravity field g(x,t) Strukturbildung im Computer displaced mass : structure forming peculiar velocity v(x,t)

Strukturbildung mit DM und DE ● Kollaps längs einer Achse Schicht (pancake) ● Kollapse längs zweier Achsen Filament ● 3-dimensionaler Kollaps Klumpen (Halo) Hierarchie der Stukturen

Strukturbildung mit DM und DE Gruppe Kompakte Gruppe HCG40 (z=0.01, Subaru) simulierte Gruppe in 20 Mpc Box, Zoom auf 1 Mpc

Strukturbildung mit DM und DE Galaxienhaufen Abell-Cluster A1689 (HST) simulierter Cluster, Faltenbacher

Strukturbildung mit DM und DE Voidregion simulierte Void-Region Gottlöber

Strukturbildung mit DM und DE typische Galaxien: heute Rotverschiebung z = 2 z = 3 Entwicklung der Galaxienpopulation, Studium in Voids, Gruppen + Clustern Hubble Deep Field C. Driver

Strukturbildung mit DM und DE = LCDM Leuchtkraft von Superhaufen: braucht Leistung auf grossen Skalen (DM + DE) Modellierung Größe von Leerräumen: braucht Beschleunigung für Bildung hierachische Galaxienverteilung: in Voids, Gruppen + Clustern Baryonen-Oszillationen messen Energie des Vakuum 2DFGRS-Analyse (Benda v. Beckmann, Müller) Mare-Nostrum Simulation (Gottlöber, Wagner)

Experiment HETDEX Hobby-Eberly-Teleskop mit 9.2 m Spiegeldurchmesser (segmentiert) im Primärfokus 20 Virus-Spektrographen mit je 132 Integral Field Units VirusP seit 2007 im Test Spektrographen gebaut am AIP, Software entwickelt in Texas und München Simulationsrechungen am AIP hierachische Galaxienverteilung: in Voids, Gruppen + Clustern PI: P. Gebhardt

Experiment HETDEX hierachische Galaxienverteilung: in Voids, Gruppen + Clustern Prototyp-Beobachtungen: schwach und rech deutlicher Nachweis

Experiment HETDEX hierachische Galaxienverteilung: in Voids, Gruppen + Clustern Vergleich der erwarteten (schwarz) und der ersten Prototypverteilung Messempfindlichkeit unter 1%

Experiment HETDEX Baryonische akustische Oszillationen: Rekonstruktion verbessert Signal um Faktor 2 BAO Oszillationen (5% des Signals) sind Eigenschwingungen des kosmischen Plasmas vor der Rekombination Experiment gefördert durch Mittel im Wettbewerb: Pakt für Exzellenzförderung Simulationen: Wagner, Müller, Steinmetz

Strukturen bei grossen z Z-Cosmos Survey 2009: Kovac, Lilly et al. 1.7 deg2 tiefe Strukturen bis einige Tausend Mpc! BAO

Strukturbildung mit DM und DE Zukunft

Einladung zur „Langen Nacht der Sterne“ ins AIP: Samstag 4 Einladung zur „Langen Nacht der Sterne“ ins AIP: Samstag 4. April 18 - 1 Uhr 15 Stationen: Vortraege stuendlich, Himmelsbeobachtungen, Werkstatt, 3D-Filme unserer neuesten Simulationen, Fuehrung durch die historische Sternwarte, Astroquiz

Strukturbildung mit DM und DE Dunkle Materie dominiert Strukturbildung Dunkle Energie die kosmische Entwicklung - in den ersten Sekundenbruchteilen und in den letzten Milliarden Jahren www.aip.de/groups/cosmology Ich wünsche Ihnen einen guten Heimweg! vier Phasenubergaenge im Kosmos: Wir brauchen Hilfe bei der Theorie der dunklen Energie - und bei der Beobachtung von veränderlichen Quellen!