Dunkle Energie – Ein kosmisches Raetsel Dunkle Energie- ein kosmisches Rätsel.

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1 Dunkle Energie – Ein kosmisches Raetsel Dunkle Energie- ein kosmisches Rätsel

2 Dunkle Energie – ein kosmisches Rätsel C.Wetterich A.Hebecker, M.Doran, M.Lilley, J.Schwindt, C.Müller, G.Schäfer, E.Thommes, R.Caldwell, M.Bartelmann, K.Karwan

3 Woraus besteht unser Universum ?

4 Feuer, Luft, Wasser, Erde ! Quintessenz !

5 Expansion des Universums Alle Längenskalen im Universum sind proportional zu kosmischem Skalenfaktor a(t) Alle Längenskalen im Universum sind proportional zu kosmischem Skalenfaktor a(t) Hubble parameter H(t) misst "Expansionsgeschwindigkeit des Universums Hubble parameter H(t) misst "Expansionsgeschwindigkeit des Universums Definition: Definition:

6 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

7 Zusammensetzung des Universums Ω b = 0.045 Ω b = 0.045 Ω dm = 0.225 Ω dm = 0.225 Ω h = 0.73 Ω h = 0.73

8 ~60,000 von >300,000 Galaxien Baryonen 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

9 Abell 2255 Cluster ~300 Mpc

10

11 Ω b =0.045 Von Nukleosynthese, Kosmischer Hintergrundstrahlung

12 Dunkle Materie Ω m = 0.27 Materie insgesamt Ω m = 0.27 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

13 Gravitationslinse,HST

14 Dunkle + baryonische Materie : Alles was klumpt !

15 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

16 Foto des Urknalls

17 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

18 Mittelwerte Ω tot =1.02 Ω m =0.27 Ω b =0.045 Ω dm =0.225

19 Ω tot =1

20 Dunkle Energie Ω m + X = 1 Ω m + X = 1 Ω m : 30% Ω m : 30% Ω h : 70% Dunkle Energie Ω h : 70% Dunkle Energie h : homogen, oft auch Ω Λ statt Ω h

21 Dunkle Energie : homogen verteilt

22 Dunkle Energie : Vorhersage: Die Expansion des Universums beschleunigt sich heute !

23 Zeit Perlmutter 2003 Abstand

24 Supernova Ia Hubble-Diagramm Riess et al. 2004 Rotverschiebung z

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

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

27 Baryon - Peak SDSS Galaxien – Korrelations – Funktion

28 Akustischer Peak in Galaxien - Korrelationsfunktion Geometrischer Test für Dunkle Energie Geometrischer Test für Dunkle Energie Bei Aussenden der Hintergrundstrahlung : Bei Aussenden der Hintergrundstrahlung : Baryonen und Photonen sind gekoppelt Baryonen und Photonen sind gekoppelt Lineare Störungstheorie : Akustischer Peak bleibt im Spektrum der Baryon – Fluktuationen Lineare Störungstheorie : Akustischer Peak bleibt im Spektrum der Baryon – Fluktuationen Lage des Peaks : Test für Verhältnis der Skalen bei z =0.35 und z=1089 Lage des Peaks : Test für Verhältnis der Skalen bei z =0.35 und z=1089 Konsistent mit Dunkler Energie : Ω m =0.27(3) Konsistent mit Dunkler Energie : Ω m =0.27(3)

29 Konsistentes kosmologisches Modell !

30 Zusammensetzung des Universums Ω b = 0.045 sichtbar klumpt Ω b = 0.045 sichtbar klumpt Ω dm = 0.225 unsichtbar klumpt Ω dm = 0.225 unsichtbar klumpt Ω h = 0.73 unsichtbar homogen Ω h = 0.73 unsichtbar homogen

31 Dunkle Energie – Ein kosmisches Raetsel Dunkle Energie- ein kosmisches Rätsel

32 Was ist die dunkle Energie ? Kosmologische Konstante oder Quintessenz ?

33 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 = 10 -120 Warum so klein ? λ/M 4 = 10 -120 Warum gerade heute wichtig? Warum gerade heute wichtig?

34 Kosm. Konst. | Quintessenz statisch | dynamisch

35 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 = 6.5 10ˉ¹²¹ homogene dunkle Energie: ρ h /M 4 = 6.5 10ˉ¹²¹ Materie: ρ m /M= 3.5 10ˉ¹²¹ Materie: ρ m /M 4 = 3.5 10ˉ¹²¹

36 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

37 Quintessenz Dynamische dunkle Energie, vermittelt durch Skalarfeld vermittelt durch Skalarfeld (Kosmon) (Kosmon) C.Wetterich,Nucl.Phys.B302(1988)668 24.9.87 B.Ratra,P.J.E.Peebles,ApJ.Lett.325(1988)L17, 20.10.87

38 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 !

39 Kosmon Winzige Masse Winzige Masse m c ~ H m c ~ H Neue langreichweitige Wechselwirkung Neue langreichweitige Wechselwirkung

40 Fundamentale Wechselwirkungen Starke,elektromagnetische,schwache Wechselwirkung GravitationKosmodynamik Auf astronomischen Skalen: Graviton + Kosmon

41 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 !

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

43 Kosmologische Gleichungen

44 Details der Modelle hängen von Potenzial V(φ) ab

45 Quintessenz wird heute wichtig

46 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

47 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

48 Negativer Druck

49 Wie kann man Quintessenz von kosmologischer Konstanten unterscheiden ?

50 Zeitabhängigkeit der dunklen Energie Kosmologische Konstante : Ω h ~ t² ~ (1+z) -3 M.Doran,…

51

52 Dunkle Energie im frühen Universum : unter 10 %

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

54 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

55 Quintessenz und Zeitabhängigkeit fundamentaler Konstanten C.Wetterich, Nucl.Phys.B302,645(1988)

56 Sind fundamentale Konstanten zeitabhängig ? Feinstrukturkonstante α (elektrische Ladung) Verhältnis Neutron-Masse zu Proton-Masse Verhältnis Nukleon-Masse zu Planck-Masse

57 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

58 A.Coc Primordiale Häufigkeiten der leichten Elemente aus der Nukleosynthese

59 wenn jetzige Messung von 4 He bestätigt: Δα/α ( z=10 10 ) = -1.0 10 -3 GUT 1 Δα/α ( z=10 10 ) = -2.7 10 -4 GUT 2 C.Mueller,G.Schaefer,…

60 Variation der Feinstrukturkonstanten als Funktion der Rotverschiebung Webb et al Srianand et al

61 Variation der Feinstrukturkonstanten Drei unabhängige Datensätze von Keck/HIRES Drei unabhängige Datensätze von Keck/HIRES Δ α/α = - 0.54 (12) 10 -5 Δ α/α = - 0.54 (12) 10 -5 Murphy,Webb,Flammbaum, june 2003 Murphy,Webb,Flammbaum, june 2003 VLT VLT Δ α/α = - 0.06 (6) 10 -5 Δ α/α = - 0.06 (6) 10 -5 Srianand,Chand,Petitjean,Aracil, feb.2004 Srianand,Chand,Petitjean,Aracil, feb.2004 z 2

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

63 Παντα ρει Kommt der Äther, in Form des Kosmonfelds, wieder zurück? Alles fliesst

64 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

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

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

67 Verknüpfung zwischen Zeitabhängigkeit von α und Verletzung des Äquivalenzprinzips differentielle Beschleunigung η typisch : η = 10 -14 MICROSCOPE – Satteliten-Mission

68 Zusammenfassung o Ω h = 0.7 o Q/Λ : dynamische und statische dunkle Energie unterscheidbar dunkle Energie unterscheidbar o Q : zeitlich veränderliche fundamentale Kopplungen, fundamentale Kopplungen, Verletzung des Äquivalenzprinzips Verletzung des Äquivalenzprinzips

69 ???????????????????????? 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 ?

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

71 Quantengravitation : Theorie ohne explizite Massenskala ? 15

72 Fundamentale Massenskala Fester Parameter oder Fester Parameter oder dynamische Skala ? dynamische Skala ? Dynamische Skala Feld Dynamische Skala Feld

73 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 !

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

75 Dilatations - Symmetrie Reskalieren der Längenskalen Reskalieren der Längenskalen x c -1 x x c -1 x begleitet von Reskalieren des Skalar - Felds begleitet von Reskalieren des Skalar - Felds χ c χ χ c χ Verschiedene Längeneinheiten entsprechen verschiedenen Werten des Kosmon – Felds χ !

76 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

77 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 !!

78 Grundlage für Kosmologie Graviton + Kosmon

79 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 !

80 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 !

81 Ende