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

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

Woraus besteht unser Universum ?

Quintessenz ! Feuer , Luft, Wasser, Erde !

Expansion des Universums Alle Längenskalen im Universum sind proportional zu kosmischem Skalenfaktor a(t) Hubble parameter H(t) misst "Expansionsgeschwindigkeit des Universums” Definition:

Kritische Dichte ρc =3 H² M² Kritische Energiedichte des Universums ( M : reduzierte Planck-Masse , M-2=8 π G ; H : Hubble Parameter ) Ωb=ρb/ρc Anteil der Baryonen an der (kritischen) Energiedichte

Zusammensetzung des Universums Ωb = 0.045 Ωdm= 0.225 Ωh = 0.73

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

Abell 2255 Cluster ~300 Mpc

Ωb=0.045 Von Nukleosynthese, Kosmischer Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie Ωm = 0.27 “Materie” insgesamt Die meiste Materie ist dunkel ! Bisher nur durch Gravitation spürbar Alles was klumpt! Gravitationspotential

Gravitationslinse,HST

Dunkle + baryonische Materie : Alles was klumpt !

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

Foto des Urknalls

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

Mittelwerte Ωtot =1.02 Ωm =0.27 Ωb =0.045 Ωdm =0.225

Ωtot=1

Dunkle Energie Ωm + X = 1 Ωm : 30% Ωh : 70% Dunkle Energie h : homogen , oft auch ΩΛ statt Ωh

Dunkle Energie : homogen verteilt

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

Zeit Abstand Perlmutter 2003

Supernova Ia Hubble-Diagramm Rotverschiebung z Riess et al. 2004

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

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

Konsistentes kosmologisches Modell !

Zusammensetzung des Universums Ωb = 0.045 sichtbar klumpt Ωdm= 0.225 unsichtbar klumpt Ωh = 0.73 unsichtbar homogen

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

Was ist die dunkle Energie ? Kosmologische Konstante oder Quintessenz ?

Kosmologische Konstante Konstante λ verträglich mit allen Symmetrien Zeitlich konstanter Beitrag zur Energiedichte Warum so klein ? λ/M4 = 10-120 Warum gerade heute wichtig?

Kosm. Konst. | Quintessenz statisch | dynamisch

Kosmologische Massenskalen Energie - Dichte ρ ~ ( 2.4×10 -3 eV )- 4 Reduzierte Planck Masse M=2.44×1018GeV Newton’s Konstante GN=(8πM²) Nur Verhältnisse von Massenskalen sind beobachtbar ! homogene dunkle Energie: ρh/M4 = 6.5 10ˉ¹²¹ Materie: ρm/M4= 3.5 10ˉ¹²¹

Zeitentwicklung Gleiche Erklärung für dunkle Energie ? ρm/M4 ~ aˉ³ ~ tˉ² Materie dominiertes Universum tˉ3/2 Strahlungsdominiertes Universum ρm/M4 ~ aˉ³ ~ ρr/M4 ~ aˉ4 ~ t -2 Strahlungsdominiertes Universum Grosses Alter kleine Grössen Gleiche Erklärung für dunkle Energie ?

Quintessenz Dynamische dunkle Energie , vermittelt durch Skalarfeld (Kosmon) C.Wetterich,Nucl.Phys.B302(1988)668 24.9.87 B.Ratra,P.J.E.Peebles,ApJ.Lett.325(1988)L17, 20.10.87

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

Kosmon Winzige Masse mc ~ H Neue langreichweitige Wechselwirkung

“Fundamentale” Wechselwirkungen Starke,elektromagnetische,schwache Wechselwirkung Auf astronomischen Skalen: Graviton + Kosmon Gravitation Kosmodynamik

Evolution des Kosmonfelds Feldgleichung Potenzial V(φ) bestimmt Details des Modells z.B. V(φ) =M4 exp( - φ/M ) Für wachsendes φ fällt Potenzial gegen Null

Kosmologische Gleichungen

Quintessenz wird heute wichtig

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

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

Wie kann man Quintessenz von kosmologischer Konstanten unterscheiden ?

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

Wie unterscheidet man Q von Λ ? A) Messung Ωh(z) H(z) Ωh(z) zur Zeit der Strukturbildung , CMB - Emission oder Nukleosynthese B) Zeitvariation der fundamentalen “Konstanten”

Quintessenz und Zeitabhängigkeit fundamentaler Konstanten C.Wetterich , Nucl.Phys.B302,645(1988)

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

Quintessenz und Zeitabhängigkeit der “fundamentalen Konstanten” Feinstrukturkonstante hängt vom Wert des Kosmon Felds ab: α(φ) aehnlich Higgsfeld in schwacher Wechselwirkung Zeitentwicklung von φ Zeitentwicklung von α Jordan

Primordiale Häufigkeiten der leichten Elemente aus der Nukleosynthese A.Coc

wenn jetzige Messung von 4He bestätigt: Δα/α ( z=1010 ) = -1.0 10-3 GUT 1 Δα/α ( z=1010 ) = -2.7 10-4 GUT 2 C.Mueller,G.Schaefer,…

Variation der Feinstrukturkonstanten als Funktion der Rotverschiebung Webb et al Srianand et al

Variation der Feinstrukturkonstanten Drei unabhängige Datensätze von Keck/HIRES Δα/α = - 0.54 (12) 10-5 Murphy,Webb,Flammbaum, june 2003 VLT Δα/α = - 0.06 (6) 10-5 Srianand,Chand,Petitjean,Aracil, feb.2004 z ≈ 2

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

Παντα ρει Alles fliesst Kommt der Äther, in Form des Kosmonfelds, wieder zurück?

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

“Fünfte Kraft” vermittelt durch skalares Feld Kopplungsstärke schwächer als Gravitation ( nicht-renormierbare Wechselwirkung ~ M-2 ) Abhängigkeit von der Zusammensetzung Verletzung des Äquivalenzprinzips Quintessenz: führt zu Zeitabhängigkeit der fundamentalen “Konstanten” R.Peccei,J.Sola,C.Wetterich,Phys.Lett.B195,183(1987) C.Wetterich , Nucl.Phys.B302,645(1988)

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

Verknüpfung zwischen Zeitabhängigkeit von α und Verletzung des Äquivalenzprinzips differentielle Beschleunigung η typisch : η = 10-14 MICROSCOPE – Satteliten-Mission

Zusammenfassung Ωh = 0.7 Q/Λ : dynamische und statische dunkle Energie unterscheidbar Q : zeitlich veränderliche “fundamentale Kopplungen” , Verletzung des Äquivalenzprinzips

???????????????????????? 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 ?

Ende