Dunkle Materie und dunkle Energie Franz Embacher Fakultät für Physik der Universität Wien Vortrag am Vereinsabend von ANTARES – NÖ Astronomen St. Pölten, 9. 9. 2011

} Woraus besteht das Universum? Die Bestandteile… Sterne, Planeten,…  Galaxien Staub Gas elektromagnetische Strahlung (Licht, Radar-, UV-, Röntgen- und Gammastrahlung, kosmische Hintergrundstrahlung = CMB) Neutrinos ...? } normale („baryonische“) Materie

„Baryonische“ Materie Die normale Materie „Baryonische“ Materie besteht aus den bekanntesten Elementarteilchen (Protonen, Neutronen, Elektronen,…) Normale Materie wechselwirkt mit Photonen (Licht-Teilchen)  „leuchtet“ Kernkräfte („starke“ und „schwache“ Kraft) Gravitationskraft (Schwerkraft) Bildet Atomkerne, Atome ( Chemie), Sterne und Planeten Baryonen Leptonen

Andromeda-Galaxie xxx Xxx Andromeda-Galaxie

xxx Hubble Deep Field Xxx http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2f/Hubble_ultra_deep_field.jpg

alle Galaxien xxx Xxx

Schwerkraft Die Schwerkraft dominiert alle bekannten Kräfte über große Entfernungen. Sie hält Galaxien zusammen („Bindungskraft“) und bestimmt ihre Dynamik.

Bereits seit den 1930er Jahren traten Unstimmigkeiten auf: 1932 Jan Hendrik Oort: Die Scheibe der Milchstraße ist dünner als aus der Schwerkraft der beobachteten Materie erklärbar. 1933 Fritz Zwicky: der Coma-Galaxienhaufen kann nicht durch die Schwerkraft seiner sichtbaren Bestandteile zusammengehalten werden. 1960 Vera Rubin: „Rotationskurven“

Rotationskurven Geschwindigkeiten einzelner, weit draußen um eine Galaxie kreisender Sterne Aus dem Newtonschen Gravitationsgesetz folgt: M v G M v = r r 4-fache Entfernung  halbe Geschwindigkeit

Theoretische Erwartung: Rotationskurven Theoretische Erwartung: normiert auf Radius = 1, v(Rand) = 1

Rotationskurve der Galaxie NGC 3198 Beobachtung Rotationskurve der Galaxie NGC 3198 „flache“ Rotationskurve v (km/s) 200 150 100 50 r (kpc) 10 20 30 40

„Halo“ aus Materie, die man nicht sieht! Beobachtung Erklärung? „Halo“ aus Materie, die man nicht sieht!

Dunkle Materie Galaktischer Halo, der nicht leuchtet, aber 90% der gesamten Masse der Galaxie enthält! Es gibt weitere Hinweise auf die dunkle Materie…

Gravitationslinse Galaxy Cluster 0024+1654 Gravitationslinsen… Gravitationslinse Galaxy Cluster 0024+1654 …erlauben eine genauere Bestimmung der Massen von Galaxienhaufen  Bestätigung http://www.math.sunysb.edu/~tony/whatsnew/column/grav-lens-0299/images/HSTgravlens.jpg

Kosmologische Argumente: CMB-Fluktuationen 380 000 Jahre nach dem Urknall – zu große Inhomogenitäten (Strahlungsdruck)! DT -6 = 6 10 T

Kosmologische Argumente: CMB-Fluktuationen xxx Xxx

Kosmologische Argumente: Strukturbildung Computersimulationen Galaxien fallen in die „Potentialtöpfe“ der dunklen Materie Zur Bildung der heutigen Strukturen (Galaxien und Galaxienhaufen) war nicht genügen Zeit – außer, es gibt dunkle Materie!

Galaxienzählungen

Kosmologische Argumente: Primordiale Nukleosynthese Entstehung der Elemente im Urknall und ihre Verteilung im Universum 75% Wasserstoff 25% Helium + wenig andere Elemente Kernphysik  kann die Verteilung der Elemente unter der Annahme erklären, dass nur etwa ein Fünftel der im Universum vorhandenen Materie der baryonisch ist! Daher scheiden die offensichtlichsten Kandidaten (ausgebrannte Sterne, braue Zwerge,… = „MACHOs“) aus!

Eigenschaften der dunklen Materie Dunkle Materie wechselwirkt mit dem Rest des Universums (fast?) nur über die Schwerkraft ist nicht baryonisch, also keine „normale Materie“ ist überwiegend nichtrelativistisch („cold dark matter“, CDM) kann bei einem Gravitationskollaps keine Energie abstrahlen und daher nicht zu kleinen kompakten Objekten („Sternen“) kondensieren

Woraus besteht die dunkle Materie? Und woraus besteht sie? Wir wissen es nicht! Neutrinos („hot dark matter“, HDM)?  Zu wenige, zu schnell! Materie in einem Paralleluniversum?  Würde kondensieren! Schwach wechselwirkende Teilchen (WIMPs) Supersymmetrie (leichtestes supersymmetrisches Teilchen)  wird vielleicht am LHC entdeckt!? Axionen?  wird vielleicht am LHC entdeckt!?

Doch damit nicht genug… Die „dunkle Energie“ Was ist das „Vakuum“? Könnte es eine Energiedichte besitzen? Kosmologische Kontante (Einsteins „größte Eselei“) Aus den Grundgleichungen der Kosmologie folgt: Eine nichtverschwindende (positive) Energiedichte des Vakuums beschleunigt die Expansion! Dies war jahrzehntelang eine rein theoretische Spekulation, bis…

Expansion des Universums Weltmodelle Expansion des Universums Kosmologisches Prinzip: das Universum ist auf großen Skalen homogen und isotrop (zumindest näherungsweise erfüllt). Auf großen Skalen wird das Universum „gleichmäßig aufgeblasen“. Skalenfaktor Rotverschiebung des Lichts Entfernung zur Zeit t a(t) = Entfernung heute l - l 1 beobachtet emittiert z = a = l 1 + z emittiert

Materiedominiertes Universum Weltmodelle Materiedominiertes Universum

Universum mit Vakuumenergiedichte Weltmodelle Universum mit Vakuumenergiedichte

Wie kann ein Weltmodell überprüft werden? Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation Vakuumdominiertes Modell: Energiedichte des Vakuums = 73% der gesamten Energiedichte Materiedominiertes Modell: Energiedichte des Vakuums = 0 c Linearer Bereich: D = z H

Wie kann ein Weltmodell überprüft werden? Supernovae vom Typ Ia als „Standardkerzen“ Doppelsternsystem „Zündung“ bei Erreichen einer kritischen Masse weißer Zwerg Materiefluss  Supernovae dieses Typs sind alle (ungefähr) gleich hell!

Beobachtung von Supernovae vom Typ Ia Supernova-Daten (seit 1998)

Richtungs-Korrelationen in der Hintergrundstrahlung Bestimmung des Anteils der Materie an der „kritischen Dichte“ des Universums

Das heutige Standardmodell der Kosmologie Energieinhalt des Universums: 73% dunkle Energie 27% Materie und Strahlung: 23% dunkle Materie 4% gewöhnliche (baryonische) Materie: 0.5% leuchtend 3.5% nicht leuchtend 0.3% Neutrinos 0.005% Photonen (v. a. Hintergrundstrahlung) 2 Energie = Masse c

Das heutige Standardmodell der Kosmologie Energieinhalt des Universums: 0.5 % sichtbar 3.5 % dunkel 27 % dunkel 0.3 % Neutrinos 73 % dunkel baryonische Materie nicht-baryonische Materie dunkle Energie (kosmologische Konstante)

Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Diese Präsentation finden Sie im Web unter http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/ Antares2011/