Dunkle Materie – Überall im Weltall Wolfgang Cassing Elementare Kräfte Der Urknall und die Expansion des Universums Wie wiegt man das Universum? Sichtbare und unsichtbare Materie Dunkle Materie und dunkle Energie Illustrationen: J. Bublath-Geheimnisse unseres Universums

Konventionen in der Physik 1 mm = 0.001 m = 10-3 m 1 mm = 0.000001 m = 10-6 m 1 nm = 0.000000001 m = 10-9 m 1 fm = 0.000000000000001 m = 10-15 m 1 km = 1000 m = 103 m ------------ Länge = Geschwindigkeit x Zeit ----------------- 1 Lichtsekunde (LS) = 3.105 km 1 Lichtminute (LM) = 1,8.107 km 1 Lichtjahr (LJ) = 9,1.1012 km ------------------------ Typische Skalen ------------------------- Radius des Protons: 1 fm Radius der Erde: 6,4.103 km Durchmesser der Milchstraße : 105 LJ = 9,1.1017 km Lichtgeschwindigkeit c = 3.105 km/sec = 1,08.109 km/h

Albert Einstein: E = mc2 Energie und Masse sind äquivalent! Strahlung und Materie können ineinander umgewandelt werden

Aufbau der Materie Atom Atomkern Meteorit Nukleon Quarks Siliziumscheibe u d

Wechselwirkungen der Materie Bei sehr kleinen Abständen gibt es nur 1 Wechselwirkung!

Astrophysikalische Beobachtungen Satelliten messen die Lichtstärkeverteilung am Himmel und deren Farbe: Frequenz n Ausschnitt aus der Milchstraße

Geschwindigkeitsmessung Über die ‚Rotverschiebung‘ der Strahlung von Sternen messen wir deren Geschwindigkeit und Ausbreitungsrichtung

Die Objekte des Universums Sonne: 8.5 Lichtminuten Eta-Carinae: 8000 Lichtjahre Galaxie M33: 2,7 Mill. Lichtjahre Galaxie: 14 Milliarden Lichtjahre

Expansion des Universums Die Galaxien bewegen sich kontinuierlich auseinander! Rechnet man ihre Bahnen zurück, so entsteht die Vorstellung vom Urknall

Die ersten 10-10 Sekunden Die Energiefluktuation expandiert exponentiell! Teilchen und Antiteilchen  Strahlung Nach 10-10 Sekunden überlebt ein relativer Anteil von 10-9 Elektronen und Quarks  es entsteht ein Übergewicht von Materie relativ zur Antimaterie

Die ersten 3 Minuten Quarks und Gluonen werden in Nukleonen gebunden <-> Proton+Neutron <-> Deuteron <-> Leichte Kerne enstehen

Nach 300000 Jahren Protonen, Neutronen und Elektronen werden zu Wasserstoff gebunden Die Photonen entkoppeln  Hintergrundstrahlung

WMAP Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Science Team: NASA/GSFC 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 WMAP Lyman Page Hiranya Peiris David Spergel Licia Verde

Foto des Urknalls Die Hintergrundstrahlung ist isotrop mit Temperatur 2.726 K! Schwankungen sind kleiner als 1/100000!

Anisotropien der Hintergrundstrahlung Winkel Amplitude der Fluktuationen

Räumlich flaches Universum: Ωtot = 1 Beobachtung ( WMAP ): Ωtot = ρtot/ρc =1.02 (+/-0.02) Kritische Energiedichte des Universums : ρc =3 H² M² ( M = 2.44x1018 GeV: reduzierte Planck-Masse , H : Hubble Parameter ) Ωb=ρb/ρc : Anteil der Baryonen an der Energiedichte ρc

Anteil der Baryonen Ωb= 5% Staub, Planeten, Sonnen und ausgebrannte Sterne Ωb= 5% Nur etwa 5% bestehen aus bekannter Materie ! ~60,000 von >300,000 Galaxien Ermittelt aus Elementsynthese und kosmischer Hintergrundstrahlung

Hinweise auf dunkle Materie Galaxien rotieren zu schnell in den Spiralarmen! Verteilung der Materie dunkel sichtbar

Die Krümmung der Raum-Zeit Gravitationskräfte entstehen durch eine Krümmung der Raum-Zeit. Letztere ist wiederum durch die Verteilung der Masse (Energie) bestimmt. Ausschnitt aus unserem Sonnensystem

Beugung von Licht durch Materie Auch Licht wird im Gravitationsfeld abgelenkt!

Dichte Materie => Streulinsen Aus der Verzerrung von Bildern entfernter Galaxien kann man auf die Massendichte zwischen Galaxie und Beobachter schliessen. Schwarze Löcher und dunkle Materie werden ‚sichtbar‘!

Der Gravitationslinseneffekt Bilder von Galaxien werden verzerrt oder vervielfältigt!

Zusammensetzung des Universums Ωb = 5 % sichtbar klumpt Ωdm= 22 % unsichtbar klumpt Ωh = 73 % unsichtbar homogen Unsichtbarer klumpender Anteil: Dunkle Materie Unsichtbarer homogener Anteil: Dunkle Energie

Spekulationen über dunkle Materie ????????????????????????????????????? Schwarze Löcher WIMPS (weakly interacting massive particles) Supersymmetrische Teilchen aus dem Urknall: Neutralinos, Axions Gibt es weitere beobachtbare Hinweise auf die dunkle Energie ?

Spekulationen über dunkle Energie ????????????????????????????????????? Kosmologische Konstante ; A. Einstein: meine größte Eselei (oder nicht?) Quintessenz: zeitabhängiges skalares Feld; impliziert ein neues ‚leichtes‘ Teilchen und eine 5. Wechselwirkung Supersymmetrische Feldenergien

Zusammenfassung Conclusions. Zwei Dinge sind unendlich, das Universum und die menschliche Dummheit; aber bei dem Universum bin ich mir noch nicht ganz sicher. A. Einstein “ There is no darkness, only ignorance.” W. Shakespeare