Dunkle Materie Dunkle Energie

Gliederung Phänomenologische Betrachtung Das Konzept der Dunklen Materie Was ist nun dunkle Materie Dunkle Energie Konzepte ohne dunkle Materie

20. Jh. Erstmals leistungsfähige Teleskope (Hubble,…) Jan Hendrik Oort : Arbeiten zu Struktur und Dynamik der Galaxis -Dicke der Milchstraße zu klein. Mehr Masse nötig. „Dunkle Materie“

1933, Fritz Zwicky entdeckt merkwürdige Galaxienbewegung im Coma-Galaxienhaufen (100MPc entfernt). Geschwindigkeiten der Galaxien zueinander und Entfernung voneinander stimmt nicht. (Virialsatz) Gleiches Phänomen auch bei Kugelsternhaufen. Newtonsches Gravitationspotential reicht nicht für eine Stabilität aus!

„Haar der Berenike“

1960, Vera Rubin: Umlaufgeschwindigkeit der Sterne um das galaktisches Zentrum nimmt mit zunehmender Entfernung nicht ab. - müssten sie aber, da schwächere Gravitation

Bis heute Entdeckung vieler weiterer astronomischer Systeme Kartierung von ca. 100Mio. Sternen beim „Sloan Digital Sky Survay“ am Apache-Point-Observatorium (APO) in New Mexico

Versuch die Strukturen aus Dichteschwankungen zu simulieren „Millennium Simulation“ Frühe Strukturbildung trotz der Hitze im jungen Universum nicht ohne zusätzliche Masse erklärt werden. (Strahlungsdruck)

Gravitationslinsen von Galaxien wesentlich bestimmt durch DM „Abell 2218“ Haufen (Hubble)

2006, 1E 0657−558 (Bullet Cluster) 3,35 Milliarden LJ Drei entscheidende Größen beobachtet: -Galaxienverteilung durch optische Beobachtungen (blau) -Intergalaktisches, heißes Gas im Röntgenbereich (Chandra, Rot) -Massenverteilung mit Hilfe des Gravitationslinseneffektes. (Hubble)

Galaxien von sehr heißem Gas umgeben 90% der Masse steckt im Interstellaren Gas Galaxien fliegen aneinander vorbei, Gas wird abgebremst Separation von interstellarem Gas und Galaxien Gravitation geht aber weiterhin von Galaxien aus. (Linseneffekt)

„Pioneer-Anomalie“

Modelle und Theorien dunkler materie

Inhaltsangabe Das Standardmodell Baryonische DM Nicht-Baryonische DM

Standard-Modell Postulate Isotrope, homogene Verteilung auf großen Skalen Expansion („Hubble`s Law“) Relativitätstheorie Heiße, dichte Anfangsphase Postulate

Standard-Modell Metrik k = -1 K = 0 k = 1 Geschlossen, sphärischer Raum Euklidisch Raum Offener, hyperbolischer Raum

Standard-Modell Wichtige Parameter W = WM + WL WM = rM/rc = Kritische Dichte Dichteparameter W = WM + WL WM = rM/rc = Zusammenhang zwischen Massendichte und Lösungstyp des Weltmodells. Krümmung Dichteparamter Verhalten des Krümmungsradius k = -1 WM < 1 monoton k = 0 WM = 1 wachsend k = 1 WM > 1 endlich

Standard-Modell Annahmen: WM ≈ 0,26 WMb ≈ 0,04 WMbl ≈ 0,005 Dunkle Materie ist baryonischen und nicht-baryonischen Ursprungs. WMbl ≈ 0,005 WMb ≈ 0,04

Standard-Modell Bestätigung der Annahmen durch: Gravitationslinseneffekt Leuchtkraftdichte mit Masse-Leuchtkraft-Verhältnis mittlere Leuchtkraftdichte (B): ML-Verhältnis: WM ≈ 0,3 LB = 108 LB◦ Mpc-3 M/LB ≈ 200 WM ≈ 0,1 – 0,2

Standard-Modell Kosmische Hintergrundstrahlung Spektrum der Anisotropie: Lage des HM: Krümmungsart des Raumes Lage der 1. NM: Information über Baryonendichte Lage des 2. NM: Information über DM-Dichte

Bestätigung der Modelle Standard-Modell Primordiale Nukleosynthesephase Festlegung des Verhältntis baryonischer Materie Kosmologische Simulationen „Millenium-Simulation“ - Entwicklung der Dichteschwankungen im Kosmos - Verhalten der dunklen Materie WMb ≈ 0,043 Bestätigung der Modelle

Baryonische kandidaten Gas – und Staubwolken MACHOs - Braune Zwerge - Weiße Zwerge - Neutronensterne - schwarze Löcher Problem: Kaum Beobachtung durch Mikrolinseneffekt (OGLE 1993) Adlernebel

Nicht-Baryonische kandidaten

Nicht-Baryonische kandidaten HDM „Top-Down“- Szenario Neutrino - Entkoppelung 1 Sekunde nach Urknall - Unbekannte Masse ( mn < 2 eV) Problem: Großstrukturen Anteil max. 30%

Nicht-Baryonische kandidaten WDM Steriles Neutrino - WW: Gravitation - Masse unbekannt (Fermilab 2007) Leichtes Gravitino - Superpartner des Gravitons Problem: keine direkte Detektion

Nicht-Baryonische kandidaten CDM „Bottom-Up“- Szenario WIMPS LSP (SUSY) : - Endprodukt aller Zerfälle von SP - Absolute Stabilität - Ursprung: Primordiale Nukleosynthese Problem: Zu viele unbekannte Parameter

Nicht-Baryonische kandidaten Axion - Schwache WW , Ladungsfrei - Entstehung: Primakoff-Effekt - Masse zwischen 10-6 eV - 1 eV Detektoren: u.a. Axion-Helioskop CAST am CERN: Problem: Zerfall in Photonen wäre detektierbar

Nicht-Baryonische kandidaten Primordiale schwarze Löcher (MACHO) Zerfallende DM „Dark Fluid“-Theorie

Modified Newtonian Dynamics Modifizierung der Gravitationsgesetze, Newton/ART schwere/träge Masse nicht äquivalent bei kleinen Beschleunigungen

F = m a bekannt, und gut experimentell überprüft Für extrem kleine Beschleunigungen fast nicht experimentierbar. Modifikation 1983 von Mordehai Milgrom : F = m μ(a/a0) a wobei μ von der Art, dass μ(x)=1 für große Beschleunigungen μ(x)=x für kleine Beschleunigungen (z.B. μ = x / 1 + x o.Ä. ) Für a >> a0 gilt weiterhin FG = m a Für a << a0 wird dann FG = m a²/a0 a0 = 1,2 * 10-10 m/s² von Milgrom bestimmt

Weitere Erklärungsversuche durch Tensor-Vektor-Skalar Gravitationstheorie Darstellung des Raumes nicht nur mit einem Tensor/Metrik (ART)

Dunkle Energie

Gliederung Grenzen des Standardmodells Beobachtung: Sn Typ 1a Theorie: Der Sachs Wolfe – Effekt Beobachtung: Hintergrundstrahlung Theorie: Dunkle Energie Kandidaten: Die Einsteingleichungen, Λ Spezielles Thema: Gravasterne

Grenzen des Standardmodells Astronomische Beobachtungen zeigen beschleunigte Expansion des Universums => Widerspruch

Supernovae Typ Sn 1a

Theorie: Der Sachs-Wolfe-Effekt

Messung durch WMAP

Diskussion Es muss also eine die Expansion des Universums beschleunigende Groesse geben Dies ist die dunkle Energie

Theorie: Die Kosmologische Konstante Faktor in den verallgemeinerten Einstein‘schen Feldgleichungen : Einfuehrung um statisches Universum zu gewaehrleisten Definiert die Vakuumenergiedichte : Vakuumenergie gilt als wahrscheinlichster Kandidat fuer die „dunkle Energie“ Dichteparameter

Die Friedmanngleichungen

Erweiterung des Standardmodells: Λ≠0

Spezielle Themen: Gravasterne Moegliche Loesung der Einsteinschen Feldgleichungen Durch astronomische Beobachtungen nicht vom SL unterscheidbar Ein abstossendes Vakuum (dunkle Energie) Stabilisiert eine Schale aus kondensierter Materie Wandelt baryonische Materie in dunkle Energie um

Aufbau GS SL:

Quellen http://www.astro.lsa.umich.edu/~rdupke/research.php http://www.weltderphysik.de/de/4085.php http://de.wikipedia.org/wiki/Dunkle_Materie http://www.mpa-garching.mpg.de/galform/presse/ http://www.sdss.org/ Bilder http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Ssc2007-10a1.jpg http://www.weltderphysik.de

Quellenangaben „Der neue Kosmos“ von Unsöld, Baschek „Particle Astrophysics“ von Perkins „Existence and Nature of Dark Matter in the Universe“ von Virginia Trimble aus Annual Reviews Wikipedia http://background.uchicago.edu/~whu/beginners/introduction.html http://www.lsw.uni-heidelberg.de/users/mcamenzi/Guebitz.pdf http://accms04.physik.rwth-aachen.de/~schael/Seminar%20SS07_files/2007_04_23_nachtrodt.pdf http://www.physik.uni-wuerzburg.de/~winter/Teaching/Hutter.pdf http://web.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/sternwarte.pdf Bilder: http://3.bp.blogspot.com/_TRtS7cX98Ec/SjD6R_F5tgI/AAAAAAAABYA/fvIOuCL_h-U/s320/scheibenwelte.jpeg

Quellen Peter Schneider: Extragalactic Astronomy and Cosmology wikipedia.org (Bilder, allgemeine Informationen)