Dunkle Energie - ein kosmisches Rätsel

Quintessenz C.Wetterich A.Hebecker, M.Doran, M.Lilley, J.Schwindt, C.Müller, G.Schäfer, E.Thommes,R.Caldwell, M.Bartelmann, K.Kharwan, G.Robbers,T.Dent, S.Steffen, L.Amendola, M.Baldi, N.Brouzakis, N.Tetradis, D.Mota, V.Pettorino, T.Krüger, M.Neubert, N.Wintergerst

Woraus besteht unser Universum ?

Feuer, Luft, Wasser, Erde ! Quintessenz !

Dunkle Energie dominiert das Universum Energie - Dichte im Universum = Energie - Dichte im Universum = Materie + Dunkle Energie Materie + Dunkle Energie 25 % + 75 % 25 % + 75 %

Was ist Dunkle Energie ?

Zusammensetzung des Universums Ω b = 0.05 Ω b = 0.05 Ω dm = 0.2 Ω dm = 0.2 Ω h = 0.75 Ω h = 0.75

Kritische Dichte ρ c =3 H² M² ρ c =3 H² M² Kritische Energiedichte des Universums Kritische Energiedichte des Universums ( M : reduzierte Planck-Masse, M -2 =8 π G ; ( M : reduzierte Planck-Masse, M -2 =8 π G ; H : Hubble Parameter ) 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

~60,000 von >300,000 Galaxien Baryonen/Atome 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

Materie : Alles, was klumpt

Dunkle Materie Ω m = 0.25 Materie insgesamt Ω m = 0.25 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

Gravitationslinse,HST

Lichtstrahlen werden durch Massen abgelenkt

Gravitationslinse,HST

Dunkle + baryonische Materie : Alles was klumpt ! Ω m = 0.25

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 WMAP 2003 Ω tot =1.02 Ω m =0.27 Ω b =0.045 Ω dm =0.225

Ω tot =1

WMAP 2006 Polarisation

Dunkle Energie Ω m + X = 1 Ω m + X = 1 Ω m : 25% Ω m : 25% Ω h : 75% Dunkle Energie Ω h : 75% Dunkle Energie h : homogen, oft auch Ω Λ statt Ω h

Dunkle Energie : homogen verteilt

Vorhersagen für Kosmologie mit Dunkler Energie Die Expansion des Universums beschleunigt sich heute !

Zeit Perlmutter 2003 Abstand

Supernova Ia Hubble-Diagramm Riess et al Rotverschiebung z

Fluktuations-Spektrum Baryon - Peak SDSS Galaxien – Korrelations – Funktion Strukturbildung : Ein primordiales Fluktuations-Spektrum

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

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

Baryon - Peak SDSS Galaxien – Korrelations – Funktion

Konsistentes kosmologisches Modell !

Zusammensetzung des Universums Ω b = 0.05 sichtbar klumpt Ω b = 0.05 sichtbar klumpt Ω dm = 0.2 unsichtbar klumpt Ω dm = 0.2 unsichtbar klumpt Ω h = 0.75 unsichtbar homogen Ω h = 0.75 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, Dynamische dunkle Energie, vermittelt durch Skalarfeld vermittelt durch Skalarfeld (Kosmon) (Kosmon) Vorhersage : Ein Teil der Energie- dichte des heutigen Universums liegt als homogen verteilte ( dunkle) Energie vor. C.Wetterich,Nucl.Phys.B302(1988) B.Ratra,P.J.E.Peebles,ApJ.Lett.325(1988)L17,

Skalarfeld Φ (x,y,z,t) Φ (x,y,z,t) Ähnlich wie elektrisches Feld Ähnlich wie elektrisches Feld Aber : keine Richtung ist ausgezeichnet Aber : keine Richtung ist ausgezeichnet (kein Vektor ) (kein Vektor )

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

Homogenes und isotropes Universum φ(x,t)=φ(t) φ(x,t)=φ(t) Homogenes Kosmonfeld Homogenes Kosmonfeld Homogener Beitrag zur Energiedichte Homogener Beitrag zur Energiedichte Dynamische Dunkle Energie ! Dynamische Dunkle Energie !

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( - αφ/M ) z.B. V(φ) =M 4 exp( - αφ/M ) Für wachsendes φ fällt Potenzial gegen Null Für wachsendes φ fällt Potenzial gegen Null

Kosmologische Gleichungen

Kosmische Attraktoren Loesungen werden unabhaengig von Anfangsbedingungen V~t -2 φ ~ ln ( t ) Ω h ~ const. Details haengen von V(φ) oder kinetischem Term ab early cosmology

exponentielles Potential konstanter Anteil an dunkler Energie kann die Groessenordnung der dunklen Energie erklaeren ! Ω h = 3/α 2

Details der Modelle hängen von Potenzial V(φ) ab

Quintessenz wird heute wichtig

Koinzidenz - Problem Was ist verantwortlich fuer Wachsen von Ω h fuer z < 6 ? Warum jetzt ?

Neutrinos mit wachsender Masse als Trigger fuer Uebergang zu fast statischer dunkler Energie growingneutrinomass L.Amendola, M.Baldi,…

Effektiver kosmologischer Trigger für Stop der Cosmon -Evolution : Neutrinos werden nicht-relativistisch Dies passierte in jüngster Zeit ! ( z=5) Dies passierte in jüngster Zeit ! ( z=5) Bestimmt die Grössenordnung der dunklen Energie ! Bestimmt die Grössenordnung der dunklen Energie !

kosmologische Selektion jetziger Wert der dunklen Energie wird bestimmt durch kosmologisches Ereignis : jetziger Wert der dunklen Energie wird bestimmt durch kosmologisches Ereignis : Neutrinos werden nicht – relativistisch Neutrinos werden nicht – relativistisch nicht durch Eigenschaften des Grundzustands gegeben ! nicht durch Eigenschaften des Grundzustands gegeben !

Zusammenhang zwischen jetziger Dunkler Energie - Dichte und Neutrino - Masse jetzige Zustandsgleichung ist gegeben durch Neutrino - Masse ! = 1.27 Dunkle Energiedichte : ρ 1/4 ~ 2.4×10 -3 eV

Cosmon - Neutrino Kopplung β

Wachsende Neutrino - Masse stoppt Kosmon - Evolution stopped scaling

Hubble Parameter im Vergleich zu ΛCDM m ν = 0.45 eV

Hubble Parameter ( z < z c ) nur kleiner Unterschiedzu ΛCDM !

Grenzen für mittlere Neutrino-Masse

Ist Zeitentwicklung der Neutrino - Masse beobachtbar ? Obere Grenze aus Kosmologie für frühe Zeit Obere Grenze aus Kosmologie für frühe Zeit Heutiger Beobachtungswert kann darüber liegen Heutiger Beobachtungswert kann darüber liegen ( KATRIN, neutrino-loser doppelter Betazerfall ) ( KATRIN, neutrino-loser doppelter Betazerfall ) GERDA

Neutrino Fluktuationen Neutrino-Strukturen werden nichtlinear bei z~1 für Supercluster-Scalen stabile Neutrino-Cosmon Klumpen existieren N.Brouzakis, N.Tetradis,… D.Mota, G.Robbers, V.Pettorino, …

Zusammenfassung Wachsende Masse der Neutrinos kann Stop der Änderung des Cosmon – Felds bewirken !

Wie kann man Quintessenz von kosmologischer Konstanten unterscheiden ?

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

Effekte früher dunkler Energie Strukturwachstum wird verlangsamt

Interpolation von Ω h G.Robbers,M.Doran,…

Dunkle Energie im frühen Universum : unter 10 %

Zusammenfassung Ω h = 0.75 Q/Λ : dynamische und statische dunkle Energie unterscheidbar dunkle Energie unterscheidbar Q : zeitlich veränderliche fundamentale Kopplungen, Verletzung des Äquivalenzprinzips Kopplungen, Verletzung des Äquivalenzprinzips Q : Neutrinos mit zeitlicher veränderlicher Masse könnten erklären, warum Dunkle Energie heute wichtig ist erklären, warum Dunkle Energie heute wichtig ist

Wie unterscheidet man Q von Λ ? A) Messung Ω h (z) H(z) Ω h (z) zur Zeit der Ω h (z) zur Zeit der Strukturbildung, CMB - Emission Strukturbildung, CMB - Emission oder Nukleosynthese 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 Neutron-Masse zu Proton-Masse Verhältnis Nukleon-Masse zu Planck-Masse

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

Ω b = baryons : the matter of stars and humans

A.Coc Primordiale Häufigkeiten der leichten Elemente aus der Nukleosynthese

Variation der Li- Häufigkeit T.Dent,S.Stern,… gegenwärtige Beobachtungen: 1σ He D Li

drei GUT Modelle Vereinheitlichungs-Skala ~ Planck Masse Vereinheitlichungs-Skala ~ Planck Masse 1) Alle Massen der Teilchenphysik ~Λ QCD 1) Alle Massen der Teilchenphysik ~Λ QCD 2) Fermi Skala und Fermion-Massen ~ Vereinheitlichungs-Skala 2) Fermi Skala und Fermion-Massen ~ Vereinheitlichungs-Skala 3) Fermi Skala ändert sich schneller als Λ QCD 3) Fermi Skala ändert sich schneller als Λ QCD Δα/α erlaubt für GUT 1 und 3, grösser für GUT 2 Δln(M n /M P ) 40 Δα/α erlaubt

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

Zusammenfassung Ω h = 0.75 Q/Λ : dynamische und statische dunkle Energie unterscheidbar dunkle Energie unterscheidbar Q : zeitlich veränderliche fundamentale Kopplungen, Verletzung des Äquivalenzprinzips Kopplungen, Verletzung des Äquivalenzprinzips Q : Neutrinos mit zeitlicher veränderlicher Masse könnten erklären, warum Dunkle Energie heute wichtig ist erklären, warum Dunkle Energie heute wichtig ist

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

Quintessenz sollte mit Lösung des Problems der kosmologischen Konstante verknüpft sein !

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

Zunehmende Wichtigkeit der Dunklen Energie Vorhersage: Die Expansion des Universums beschleunigt sich heute ! w h < - 1/3

Kosmon und Fundamentale Massen - Skalen Annahme : Alle Parameter mit Dimension Masse sind proportional zu Skalar - Feld χ (GUTs, Superstrings,…) Annahme : Alle Parameter mit Dimension Masse sind proportional zu Skalar - Feld 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 kann sich mit der Zeit ändern χ kann sich mit der Zeit ändern m proton /M : ( fast ) konstant - Beobachtung ! m proton /M : ( fast ) konstant - Beobachtung ! Nur Verhältnisse von Massenskalen sind beobachtbar ! Nur Verhältnisse von Massenskalen sind beobachtbar !

Dilatations – symmetrische Gravitationstheorie Lagrange Dichte: Lagrange Dichte: Dilatations - Symmetrie für Dilatations - Symmetrie für Konforme Symmetrie für δ=0 Konforme Symmetrie für δ=0

Dilatations Anomalie V~χ 4-A, M p (χ )~ χ V~χ 4-A, M p (χ )~ χ V/M p 4 ~ χ -A : V/M p 4 ~ χ -A : fällt für wachsendes χ !! fällt für wachsendes χ !!

Kosmologie Kosmologie : χ wächst mit der Zeit ! ( Grund: Kopplung von χ zum gravitationellen Krümmungs - Skalar ) Für wachsendes χ : Das Verhältnis V/M 4 tendiert zu Null ! Effektive kosmologische Konstante verschwindet asymptotisch für große t !

Weyl Reskalierung Weyl Reskalierung : g μν (M/χ) 2 g μν, φ/M = ln (χ 4 /V(χ)) φ/M = ln (χ 4 /V(χ)) Exponentielles Potenzial : V = M 4 exp(-φ/M) Keine zusätzliche Konstante ! Keine zusätzliche Konstante !

Dilatations Anomalie Quanten - Fluktuationen führen zu Quanten - Fluktuationen führen zu Dilatations - Anomalie Dilatations - Anomalie Laufende Kopplungen : Hypothese Laufende Kopplungen : Hypothese Renormierungs-Skala μ : (Impuls-Skala ) Renormierungs-Skala μ : (Impuls-Skala ) λ~(χ/μ) -A λ~(χ/μ) -A

Grundlage für Kosmologie Graviton + Kosmon

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 Scheinbare 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 differentielle Beschleunigung η typisch : η = MICROSCOPE – Satteliten-Mission