Dunkle Materie Dunkle Energie

Präsentation zum Thema: "Dunkle Materie Dunkle Energie"—  Präsentation transkript:

1 Dunkle Materie Dunkle Energie

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

3 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“

4 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!

5 „Haar der Berenike“

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7 1960, Vera Rubin: Umlaufgeschwindigkeit der
Sterne um das galaktisches Zentrum nimmt mit zunehmender Entfernung nicht ab. - müssten sie aber, da schwächere Gravitation

8 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

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

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

11 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)

12 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)

13 „Pioneer-Anomalie“

14 Modelle und Theorien dunkler materie

15 Inhaltsangabe Das Standardmodell Baryonische DM Nicht-Baryonische DM

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

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

18 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

19 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

20 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

21 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

22 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

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

24 Nicht-Baryonische kandidaten

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

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

27 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

28 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

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

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

31 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 * m/s² von Milgrom bestimmt

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

33 Dunkle Energie

34 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

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

36 Supernovae Typ Sn 1a

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38 Theorie: Der Sachs-Wolfe-Effekt

39 Messung durch WMAP

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

42 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

43 Die Friedmanngleichungen

44 Erweiterung des Standardmodells: Λ≠0

45 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

46 Aufbau GS SL:

47 Quellen Bilder

48 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 Bilder:

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