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

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 ?

Feuer, Luft, Wasser, Erde ! Quintessenz !

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

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

~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

Abell 2255 Cluster ~300 Mpc

Ω b =0.045 Von Nukleosynthese, Kosmischer Hintergrundstrahlung

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

Gravitationslinsen Gravitationslinse,HST

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

Foto des Urknalls

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

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

Ω tot =1

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

Dunkle Energie : homogen verteilt

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

Perlmutter 2003

Supernova Ia Hubble-Diagramm Riess et al Rotverschiebung z

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

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

Konsistentes kosmologisches Modell !

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

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

Was ist die dunkle Energie ? Kosmologische Konstante oder Quintessenz ?

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?

Kosm. Konst. | Quintessenz statisch | dynamisch

Kosmologische Massenskalen Energie - Dichte Energie - Dichte ρ ~ ( 2.4×10 -3 eV ) - 4 ρ ~ ( 2.4×10 -3 eV ) - 4 Reduzierte Planck Masse M=2.44×10 18 GeV Newtons Konstante G N =(8πM²) Nur Verhältnisse von Massenskalen sind beobachtbar ! homogene dunkle Energie: ρ h /M 4 = ˉ¹²¹ homogene dunkle Energie: ρ h /M 4 = ˉ¹²¹ Materie: ρ m /M= ˉ¹²¹ Materie: ρ m /M 4 = ˉ¹²¹

Zeitentwicklung ρ m /M 4 ~ aˉ ³ ~ ρ m /M 4 ~ aˉ ³ ~ ρ r /M 4 ~ aˉ 4 ~ t -2 ρ r /M 4 ~ aˉ 4 ~ t -2 Strahlungsdominiertes Universum Grosses Alter kleine Grössen Grosses Alter kleine Grössen Gleiche Erklärung für dunkle Energie ? Gleiche Erklärung für dunkle Energie ? tˉ ² Materie dominiertes Universum tˉ 3/2 Strahlungsdominiertes Universum

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

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 !

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

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

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

Kosmologische Gleichungen

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

Quintessenz wird heute wichtig

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

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

Quintessenz wird heute wichtig

Wie kann man Quintessenz von kosmologischer Konstanten unterscheiden ?

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

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

Frühe Quintessenz verlangsamt das Wachstum der Strukturen

Fluktuationsspektrum Caldwell,Doran,Müller,Schäfer,…

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

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

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

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

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) aehnlich Higgsfeld in schwacher Wechselwirkung aehnlich Higgsfeld in schwacher Wechselwirkung Zeitentwicklung von φ Zeitentwicklung von φ Zeitentwicklung von α Zeitentwicklung von α Jordan Jordan

A.Coc Primordiale Häufigkeiten der leichten Elemente aus der Nukleosynthese

wenn jetzige Messung von 4 He bestätigt: Δα/α ( z=10 10 ) = GUT 1 Δα/α ( z=10 10 ) = GUT 2

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

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

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 !

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

Παντα ρει

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

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

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

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

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

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

A few references C.Wetterich, Nucl.Phys.B302,668(1988), received P.J.E.Peebles,B.Ratra, Astrophys.J.Lett.325,L17(1988), received B.Ratra,P.J.E.Peebles, Phys.Rev.D37,3406(1988), received J.Frieman,C.T.Hill,A.Stebbins,I.Waga, Phys.Rev.Lett.75,2077(1995) P.Ferreira, M.Joyce, Phys.Rev.Lett.79,4740(1997) C.Wetterich, Astron.Astrophys.301,321(1995) P.Viana, A.Liddle, Phys.Rev.D57,674(1998) E.Copeland,A.Liddle,D.Wands, Phys.Rev.D57,4686(1998) R.Caldwell,R.Dave,P.Steinhardt, Phys.Rev.Lett.80,1582(1998) P.Steinhardt,L.Wang,I.Zlatev, Phys.Rev.Lett.82,896(1999)

Dynamics of quintessence Cosmon : scalar singlet field Cosmon : scalar singlet field Lagrange density L = V + ½ k(φ) Lagrange density L = V + ½ k(φ) (units: reduced Planck mass M=1) (units: reduced Planck mass M=1) Potential : V=exp[- Potential : V=exp[- Natural initial value in Planck era Natural initial value in Planck era today: =276 today: =276

Quintessence models Kinetic function k(φ) : parameterizes the Kinetic function k(φ) : parameterizes the details of the model - kinetial details of the model - kinetial k(φ) = k=const. Exponential Q. k(φ) = k=const. Exponential Q. k(φ ) = exp ((φ – φ 1 )/α) Inverse power law Q. k(φ ) = exp ((φ – φ 1 )/α) Inverse power law Q. k²(φ )= 1/(2E(φ c – φ)) Crossover Q. k²(φ )= 1/(2E(φ c – φ)) Crossover Q. Naturalness criterion: Naturalness criterion: k(φ=0)/ k(φ today ) : not tiny or huge ! k(φ=0)/ k(φ today ) : not tiny or huge ! - else: explanation needed - - else: explanation needed -

Cosmon and fundamental mass scales Assume all mass parameters are proportional to scalar field χ (GUTs, superstrings,…) Assume all mass parameters are proportional to scalar field χ (GUTs, superstrings,…) M p ~ χ, m proton ~ χ, Λ QCD ~ χ, M W ~ χ,… M p ~ χ, m proton ~ χ, Λ QCD ~ χ, M W ~ χ,… χ may evolve with time χ may evolve with time m n /M : ( almost ) constant - observation ! m n /M : ( almost ) constant - observation ! Only ratios of mass scales are observable

Dilatation symmetry Lagrange density: Lagrange density: Dilatation symmetry for Dilatation symmetry for Conformal symmetry for δ=0 Conformal symmetry for δ=0

Dilatation anomaly Quantum fluctuations responsible for Quantum fluctuations responsible for dilatation anomaly dilatation anomaly Running couplings: Running couplings: V~χ 4-A, M p (χ )~ χ V~χ 4-A, M p (χ )~ χ V/M p 4 ~ χ -A : decreases for increasing χ V/M p 4 ~ χ -A : decreases for increasing χ E>0 : crossover quintessence E>0 : crossover quintessence

Weyl scaling Cosmology : χ increases with time ! ( late time cosmology explores the ultraviolet) ( late time cosmology explores the ultraviolet) Weyl scaling : g μν (M/χ) 2 g μν, φ/M = ln (χ 4 /V(χ)) φ/M = ln (χ 4 /V(χ)) Exponential potential : V = M 4 exp(-φ/M)

W 94 GHz Dipole Removed