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 !

Kritische Dichte ρc =3 H² M² Kritische Energiedichte des Universums ( M : reduzierte Planck-Masse , 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 Bahnen und Geschwindigkeiten von Sternen und Galaxien erlauben Messung des Gravitationspotentials und damit der lokalen Materie

Gravitationslinsen Gravitationslinse,HST

NOT LENSED (randomly aligned) N Galaxies Shear estimate Averaged shape NOT LENSED (randomly aligned) LENSED Waerbeke

Kosmologischer schwacher Gravitationslinseneffekt 1deg Waerbeke

Bereiche für Wm, Wh von WMAPext, SNIa und Cosmic Shear Waerbeke

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

W 94 GHz Dipole Removed

Anisotropien des CMB Winkel Amplitude der Fluktuationen WMAP Angular Power Spectrum Anisotropien des CMB Winkel Amplitude der Fluktuationen

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 !

Supernova Ia Hubble-Diagramm Rotverschiebung z Filippenko

Supernovae : Ωm<1 Filippenko

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

Quintessenz Dynamische dunkle Energie , vermittelt durch Skalarfeld (Kosmon)

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

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

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

Quintessenz wird heute wichtig

Wie kann man Quintessenz von kosmologischer Konstanten unterscheiden ?

Zeitabhängigkeit der dunklen Energie Kosmologische Konstante : Ωh ~ 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 Ωh(z) H(z) i) Ωh(z) zur Zeit der Strukturbildung , CMB - Emission oder Nukleosynthese ii) Zustandsgleichung wh(heute) > -1 B) Zeitvariation der fundamentalen “Konstanten”

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) Zeitentwicklung von φ Zeitentwicklung von α Beobachtung (molekulare Absorptionslinien im Licht von Quasaren ) z=2-3 : Δα/α = -0.7 10 -5 ! Webb et al

Variation der Feinstrukturkonstanten als Funktion der Rotverschiebung Webb et al

Crossover Quintessenz und Zeitvariation fundamentaler “Konstanten” Obergrenzen für relativeVariation der Feinstrukturkonstanten Oklo natürlicher Reaktor < 10 -7 z=0.13 Meteoriten ( Re-Zerfall ) <3 10 -7 z=0.45 Crossover Quintessenz verträglich mit QSO 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 Stärke : schwächer als Gravitation Photon Elektrodynamik Graviton Gravitation Kosmon Kosmodynamik Kleine Korrekturen zum Gravitationsgesetz

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

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

Verknüpfung zwischen Zeitabhängigkeit von α und Verletzung des Äquivalenzprinzips typisch : η = 10-14

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 ?