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

Woraus besteht unser Universum ? Feuer , Luft, Wasser, Erde ! Quintessenz !

Dunkle Energie dominiert das Universum Energie - Dichte im Universum = Materie + Dunkle Energie 30 % + 70 %

Was ist Dunkle Energie ?

Materie : Alles was klumpt Abell 2255 Cluster ~300 Mpc

Materie Alles was klumpt! Gravitationspotential Materie kann durch Gravitationsanziehung gemessen werden ! Die meiste Materie ist dunkel ! Dunkle Materie bisher nur durch Gravitation spürbar

Gravitationslinse,HST

Energiedichte in Materie gemessen Was ist Anteil ? Benötigt : Gesamtenergiedichte

Gesamte Energie – Dichte : gemessen durch Anisotropie der kosmischen Hintergrund - Strahlung

Kritische Dichte ρc =3 H² M² Kritische Energiedichte des Universums M : reduzierte Planck-Masse , G : Newton’sche Gravitationskonstante M-2=8 π G Ωm=ρm/ρc Anteil der Materie an der (kritischen) Energiedichte

Kleinste und größte Länge H-1 ≈ 10 000 000 000 Lichtjahre Größe unseres Universums M-1 = 10-32 cm : Planck – Länge Kosmologie und Elementar-Teilchenphysik

Zusammensetzung des Universums Baryonen Ωb = 4.5 % sichtbar klumpt Dunkle Materie Ωdm= 22 % unsichtbar klumpt Dunkle Energie Ωh = 73 % unsichtbar homogen

Gesamte Energie – Dichte : gemessen durch Anisotropie der kosmischen Hintergrund - Strahlung

Foto des Urknalls : Ωtot=1 WMAP

Ωtot=1

Gravitationslinse,HST Ωm= 0.3 Gravitationslinse,HST

Dunkle Energie : klumpt nicht - homogen im Raum verteilt Ωm + X = 100 % Ωm : 30% klumpt Ωh : 70% Dunkle Energie h : homogen

Raum zwischen den Klumpen ist nicht leer : Dunkle Energie !

Dunkle Energie ist völlig gleichförmig über den Raum verteilt “ überall gleich viel “ “ homogen “ Übt keine Kraft auf Teilchen aus – “ Wohin sollte sie ziehen ? “

Zwei wichtige Vorhersagen Die Expansion des Universums beschleunigt sich heute ! Strukturbildung : Ein primordiales Fluktuationsspektrum

Was ist die Dunkle Energie ? Kosmologische Konstante oder Quintessenz ?

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

Kosmologische Konstante : statisch Quintessenz : dynamisch

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 ?

Kosmologische Konstante : statisch Quintessenz : dynamisch homogene dunkle Energie: ρh/M4 = 6.5 10ˉ¹²¹ Materie: ρm/M4 = 3.5 10ˉ¹²¹

Einstein’s Vereinheitlichung von Raum und Zeit (spezielle Relativitätstheorie ) Was von der Zeit abhängt , kann auch vom Raum abhängen ! Feld

Quintessenz Kosmon – Feld φ(x,y,z,t) ähnlich elektrisches Feld , aber keine Richtung ( Skalarfeld ) Homogenes und isotropes Universum : φ(x,y,z,t)=φ(t) Potenzielle und kinetische Energie des Kosmon - Felds tragen zu dynamischer Energiedichte des Universums bei C.Wetterich,Nucl.Phys.B302(1988)668 24.9.87 B.Ratra,P.J.E.Peebles,ApJ.Lett.325(1988)L17, 20.10.87

Fünfte Kraft Graviton + Kosmon Auf astronomischen Skalen: Starke,elektromagnetische,schwache Wechselwirkung Auf astronomischen Skalen: Graviton + Kosmon Gravitation Kosmodynamik

Wie kann man Quintessenz von kosmologischer Konstanten unterscheiden ?

Zeitabhängigkeit der dunklen Energie M.Doran,… Kosmologische Konstante : Ωh ~ t² ~ (1+z)-3 Dunkle Energie im frühen Universum : unter 10 %

Hängen fundamentale Parameter von der Zeit ab ?

Quintessenz und Zeitabhängigkeit der “fundamentalen Konstanten” Proton – Masse , Elektron - Masse : keine festen Konstanten ! Verhältnis mp /me hängt vom Wert des Kosmon Felds ab ! Zeitentwicklung von φ Zeitentwicklung von mp /me Jordan

Hatten Kopplungskonstanten im frühen Universum andere Werte ? Ja !

Standard – Modell der elektroschwachen Wechselwirkung : Higgs - Mechanismus Die Massen aller fundamentalen Fermionen und Eichbosonen sind proportional zum Vakuum-Erwartungswert eines Skalarfelds φH ( Higgs Skalar ) Für Elektron , Quarks , W- und Z- Bosonen gilt mElektron = hElektron * φH etc.

Restoration der Symmetrie bei hohen Temperaturen im frühen Universum hohe T : weniger Ordung mehr Symmetrie Beispiel: Magnete Niedrige T SSB <φH>=φ0 ≠ 0 Hohe T SYM <φH>=0

Im heissen Plasma des frühen Universums : ähnliche Stärke der schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkung !

Zusammenfassung Der Wert von Massenverhältnissen und Kopplungskonstanten hängt vom Zustand ab ! Nicht ein für alle mal gegeben !

Wie stark hängen fundamentale Parameter von der Zeit ab ? Nukleosynthese : die Urchemie Kochen der leichten Elemente He, Li, etc aus Protonen und Neutronen Bestimmung von Ωb=0.045 : Von Nukleosynthese, Kosmischer Hintergrundstrahlung

Primordiale Häufigkeiten der leichten Elemente aus der Nukleosynthese A.Coc

Παντα ρει Zeitvariation der “ fundamentalen Konstanten “ ist winzig – wäre aber von großer Bedeutung ! Mögliches Signal für Quintessenz Παντα ρει Alles fliesst

Fallen alle Körper gleich schnell ?

Äquivalenzprinzip Galileo Galilei : Alle Körper fallen gleich schnell ! Schiefer Turm zu Pisa Newton : Körper gleicher Masse unterliegen der gleichen Erdbeschleunigung , unabhängig von ihrer Zusammensetzung Einstein : Äquivalenzprinzip als Grundlage der Gravitation ( Allgemeine Relativitätstheorie ) Grundlage wichtiger Techniken : GPS , …

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

Scheinbare Verletzung des Äquivalenzprinzips Körper mit gleicher Masse aber verschiedener Zusammensetzung fallen nicht gleich schnell zur Erde ! p,n Verschiedene Kopplung des Kosmons an Proton und Neutron Differentielle Beschleunigung η : Differenz der Beschleunigung zweier Körper mit gleicher Masse / Summe der Beschleunigungen Erde Kosmon p,n

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

Zusammenfassung Ωh : 70 % des Universums besteht aus Dunkler Energie Q/Λ : dynamische und statische dunkle Energie unterscheidbar Q : zeitlich veränderliche “fundamentale Kopplungen” , scheinbare 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 ?

Die Antwort der Künstlerin … Laura Pesce

Ende

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

Quintessenz wird heute wichtig