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

3 Woraus besteht unser Universum ?

4 Feuer, Luft, Wasser, Erde ! Quintessenz !

5 Kritische Dichte ρ c =3 H² M² ρ c =3 H² M² Kritische Energiedichte des Universums Kritische Energiedichte des Universums ( M : reduzierte Planck-Masse, H : Hubble Parameter ) ( M : reduzierte Planck-Masse, 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

6 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

7 ~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

8 Abell 2255 Cluster ~300 Mpc

9

10 Ω b =0.045 Von Nukleosynthese, Kosmischer Hintergrundstrahlung

11 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 Bahnen und Geschwindigkeiten von Bahnen und Geschwindigkeiten von Sternen und Galaxien erlauben Messung Sternen und Galaxien erlauben Messung des Gravitationspotentials und damit der des Gravitationspotentials und damit der lokalen Materie lokalen Materie

12 Gravitationslinsen Gravitationslinse,HST

13 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

14 Foto des Urknalls

15 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

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

17 Ω tot =1

18 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

19 Dunkle Energie : homogen verteilt

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

21 Perlmutter 2003

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

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

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

25 Konsistentes kosmologisches Modell !

26 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

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

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

29 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?

30 Kosm. Konst. | Quintessenz statisch | dynamisch

31 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

32 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

33 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

34 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 !

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

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

37 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

38 Kosmologische Gleichungen

39 Kosmische Attraktorlösung Lösung unabhängig von Anfangsbedingungen typisch V~t -2 φ ~ ln ( t ) Ω h ~ const. Details hängen von V(φ) ab Frühe Kosmologie

40 Quintessenz wird heute wichtig

41 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

42 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

43 Quintessenz wird heute wichtig

44 Wie kann man Quintessenz von kosmologischer Konstanten unterscheiden ?

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

46

47 Frühe dunkle Energie Ein paar Prozent im frühen Universum Nicht möglich für kosmologische Konstante

48 Frühe Quintessenz verlangsamt das Wachstum der Strukturen

49 Fluktuationsspektrum Caldwell,Doran,Müller,Schäfer,…

50 Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung Caldwell,Doran,Müller,Schäfer,…

51 Wie unterscheidet man Q von Λ ? A) Messung Ω h (z) H(z) i) Ω h (z) zur Zeit der i) Ω h (z) zur Zeit der Strukturbildung, CMB - Emission Strukturbildung, CMB - Emission oder Nukleosynthese oder Nukleosynthese ii) Zustandsgleichung w h ( heute ) > -1 ii) Zustandsgleichung w h ( heute ) > -1 B) Zeitvariation der fundamentalen Konstanten

52 Sind fundamentale Konstanten zeitabhängig ? Feinstrukturkonstante α (elektrische Ladung) Verhältnis Nukleonmasse zu Planckmasse

53 Fünfte Kraft vermittelt durch skalares Feld vermittelt durch skalares Feld Kopplungsstärke schwächer als Gravitation Kopplungsstärke schwächer als Gravitation ( nicht-renormierbare Wechselwirkung ~ M -2 ) ( nicht-renormierbare Wechselwirkung ~ M -2 ) Abhängigkeit von der Zusammensetzung Abhängigkeit von der Zusammensetzung Verletzung des Äquivalenzprinzips Verletzung des Äquivalenzprinzips Quintessenz: führt zu Zeitabhängigkeit der Quintessenz: führt zu Zeitabhängigkeit der fundamentalen Konstanten fundamentalen Konstanten R.Peccei,J.Sola,C.Wetterich,Phys.Lett.B195,183(1987) C.Wetterich, Nucl.Phys.B302,645(1988)

54 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) aehnlich Higgsfeld in schwacher Wechselwirkung aehnlich Higgsfeld in schwacher Wechselwirkung Zeitentwicklung von φ Zeitentwicklung von φ Zeitentwicklung von α Zeitentwicklung von α Jordan Jordan

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

56 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

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

58 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

59 Crossover Quintessenz und Zeitvariation fundamentaler Konstanten Obergrenzen für relativeVariation der Feinstrukturkonstanten Obergrenzen für relativeVariation der Feinstrukturkonstanten Oklo natürlicher Reaktor < 10 -7 z=0.13 Oklo natürlicher Reaktor < 10 -7 z=0.13 Meteoriten ( Re-Zerfall ) <3 10 -7 z=0.45 Meteoriten ( Re-Zerfall ) <3 10 -7 z=0.45 Crossover Quintessenz verträglich mit QSO Crossover Quintessenz verträglich mit QSO und Obergrenzen ! und Obergrenzen !

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

61 Παντα ρει

62 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

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

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

65 Verknüpfung zwischen Zeitabhängigkeit von α und Verletzung des Äquivalenzprinzips typisch : η = 10 -14

66 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

67 ???????????????????????? 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 ?

68 Ende

69 A few references C.Wetterich, Nucl.Phys.B302,668(1988), received 24.9.1987 P.J.E.Peebles,B.Ratra, Astrophys.J.Lett.325,L17(1988), received 20.10.1987 B.Ratra,P.J.E.Peebles, Phys.Rev.D37,3406(1988), received 16.2.1988 J.Frieman,C.T.Hill,A.Stebbins,I.Waga, Phys.Rev.Lett.75,2077(1995) P.Ferreira, M.Joyce, Phys.Rev.Lett.79,4740(1997) C.Wetterich, Astron.Astrophys.301,321(1995) P.Viana, A.Liddle, Phys.Rev.D57,674(1998) E.Copeland,A.Liddle,D.Wands, Phys.Rev.D57,4686(1998) R.Caldwell,R.Dave,P.Steinhardt, Phys.Rev.Lett.80,1582(1998) P.Steinhardt,L.Wang,I.Zlatev, Phys.Rev.Lett.82,896(1999)

70 Dynamics of quintessence Cosmon : scalar singlet field Cosmon : scalar singlet field Lagrange density L = V + ½ k(φ) Lagrange density L = V + ½ k(φ) (units: reduced Planck mass M=1) (units: reduced Planck mass M=1) Potential : V=exp[- Potential : V=exp[- Natural initial value in Planck era Natural initial value in Planck era today: =276 today: =276

71 Quintessence models Kinetic function k(φ) : parameterizes the Kinetic function k(φ) : parameterizes the details of the model - kinetial details of the model - kinetial k(φ) = k=const. Exponential Q. k(φ) = k=const. Exponential Q. k(φ ) = exp ((φ – φ 1 )/α) Inverse power law Q. k(φ ) = exp ((φ – φ 1 )/α) Inverse power law Q. k²(φ )= 1/(2E(φ c – φ)) Crossover Q. k²(φ )= 1/(2E(φ c – φ)) Crossover Q. Naturalness criterion: Naturalness criterion: k(φ=0)/ k(φ today ) : not tiny or huge ! k(φ=0)/ k(φ today ) : not tiny or huge ! - else: explanation needed - - else: explanation needed -

72 Cosmon and fundamental mass scales Assume all mass parameters are proportional to scalar field χ (GUTs, superstrings,…) Assume all mass parameters are proportional to scalar field 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 may evolve with time χ may evolve with time m n /M : ( almost ) constant - observation ! m n /M : ( almost ) constant - observation ! Only ratios of mass scales are observable

73 Dilatation symmetry Lagrange density: Lagrange density: Dilatation symmetry for Dilatation symmetry for Conformal symmetry for δ=0 Conformal symmetry for δ=0

74 Dilatation anomaly Quantum fluctuations responsible for Quantum fluctuations responsible for dilatation anomaly dilatation anomaly Running couplings: Running couplings: V~χ 4-A, M p (χ )~ χ V~χ 4-A, M p (χ )~ χ V/M p 4 ~ χ -A : decreases for increasing χ V/M p 4 ~ χ -A : decreases for increasing χ E>0 : crossover quintessence E>0 : crossover quintessence

75 Weyl scaling Cosmology : χ increases with time ! ( late time cosmology explores the ultraviolet) ( late time cosmology explores the ultraviolet) Weyl scaling : g μν (M/χ) 2 g μν, φ/M = ln (χ 4 /V(χ)) φ/M = ln (χ 4 /V(χ)) Exponential potential : V = M 4 exp(-φ/M)

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77 W 94 GHz Dipole Removed

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