Die dunkle Seite der Kosmologie Franz Embacher Vortrag im Rahmen von UNIorientiert Universität Wien, 11. September 2008 Fakultät für Physik Universität.

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1 Die dunkle Seite der Kosmologie Franz Embacher Vortrag im Rahmen von UNIorientiert Universität Wien, 11. September 2008 Fakultät für Physik Universität Wien

2 Kapitel 1 Schwarze Löcher

3 Nebel, WeißerZwerg, SL Schwarzes Loch

4 Video-Clip: Sterne umkreisen... Quelle: http://www.mpe.mpg.de/ir/GC/images/movie2003.gif

5 Video-Clip: Schwarzes Loch in M87 Quelle: http://www.ncsa.uiuc.edu/Cyberia/NumRel/Movies/SupermassBlkHole.mpg http://www.ncsa.uiuc.edu/Cyberia/NumRel/Movies/SupermassBlkHole.mpg

6 Kapitel 2 Dunkle Materie

7 Andromeda-Nebel M31 mit M32 und M110

8 HST Deep Field

9 Video-Clip: Zoom auf ferne Galaxien Quelle: http://oposite.stsci.edu/pubinfo/pr/96/01/HDF.mpg

10 Woraus besteht das Universum? Energieinhalt des Universums vorläufiges Bild:

11 Materie, die nicht (oder nur schwach) leuchtet interstellares Gas ausgebrannte Sterne, kleine kalte Objekte, Staub intergalaktische Materie je nach Sichtwinkel: Neutronensterne schwarze Löcher und: Dunkle Materie

12 Rotationskurven weit entfernter Sternen um Galaxien Theoretische Betrachtung: M v r Aus dem Newtonschen Gravitationsgesetz folgt: v = G M r 4-fache Entfernung halbe Geschwindigkeit

13 Dunkle Materie Theoretisch wird also ein solcher Zusammenhang zwischen Entfernung und Geschwindigkeit erwartet: normiert auf Radius = 1, v (Rand) = 1

14 Dunkle Materie Vermessung von Rotationskurven:

15 Dunkle Materie Rotationskurve der Galaxie NGC 3198: 2030304010 r (kpc) v (km/s) 50 100 150 200

16 Dunkle Materie Vermessung von Rotationskurven:

17 Dunkle Materie Jede Galaxie ist mit einem Halo aus Dunkler Materie umgeben! Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der Galaxiengröße!) Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält, ist sichtbar! Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält, kann baryonisch (d.h. normale Materie) sein! Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie (fast) nur durch die Schwerkraft.

18 Dunkle Materie Woraus besteht die Dunkle Materie? Neutrinos?... zu geringe Dichte neue Teilchensorte? Die erfolgreichsten Modelle nehmen an, Dunkle Materie besteht aus langsam bewegten Teilchen ( v << c ). CDM = cold dark matter Materie in einem Paralleluniversum, das mit dem unseren nur über die Schwerkraft wechselwirkt?

19 Dunkle Materie Modell: Dunkle Materie bildet Potentialmulden, in die die gewöhnliche Materie (Galaxien) fällt! CMD-Computer-Simulationen:

20 Galaxienverteilung experimentell 1

21 Galaxienverteilung experimentell 2

22 HST – Einstein-Ring

23 Kapitel 3 Dunkle Energie

24 Was ist das Vakuum? Das Vakuum könnte eine Energie besitzen! In diesem Fall besitzt das Vakuum einen negativen Druck! Materie normales Verhalten Energieinhalt wird vergrößert. Energieinhalt wird verkleinert. positiver Druck Vakuum E ~ V Energieinhalt wird verkleinert. Energieinhalt wird vergrößert. negativer Druck

25 Das Universum dehnt sich aus Luftballon und Backofen

26 Das Universum dehnt sich aus Kosmologisches Prinzip: Das Universum sieht (im Großen) überall und in jede Richtung gleich aus. Daraus folgt: Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen Dehnung aller Längen. Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird fix markierte Punkte: Galaxien Spielzeugautos: Licht Quantitative Beschreibung der Expansion: der Skalenfaktor a(t) = Länge zur Zeit t Länge heute

27 Das Universum dehnt sich aus Das Universum war früher kleiner Urknall ! a(Urknall) = 0 Das Universum ist heute (fast) flach.

28 Wo fand der Urknall statt? Wo?

29 Wo fand der Urknall statt? Überall !

30 Das Universum dehnt sich aus Wie verläuft Expansion im Detail? Allgemeine Relativitätstheorie! Falls Strahlung oder Materie dominiert die Expansion verläuft gebremst. (Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes Universum) Falls die Vakuumenergie dominiert die Expansion verläuft beschleunigt! (Vakuumdominiertes Universum, Energiedichte des Vakuums = kosmologische Konstante) Welche der beiden Möglichkeiten trifft nun tatsächlich zu?

31 Theoretisches Modell: Materiedominiertes Universum gebremste Expansion

32 Theoretisches Modell: Universum mit Vakuumenergie gebremste Expansion beschleunigte Expansion

33 Überprüfung von Weltmodellen Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen überprüft werden? Rotverschiebung Geschwindigkeit der Quelle Hubble-Gesetz Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation Beziehung zwischen z... Rotverschiebung des beobachteten Lichts D... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der Aussendung des Lichts v = H D 0 Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc) direkt messbar indirekt messbar nicht messbar

34 Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation vakuumdominiertes Modell materiedominiertes Modell

35 Supernovae Ia als Standardkerzen Wie können sehr große Entfernungen gemessen werden? Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd Standardkerzen, d.h. ihre absoluten Helligkeiten sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt: Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die Entfernung abgeschätzt werden. Doppelsternsystem Materiefluss Zündung bei Erreichen einer kritischen Masse weißer Zwerg

36 Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation vakuumdominiertes Modell materiedominiertes Modell

37 Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998) vakuumdominiertes Modell materiedominiertes Modell

38 Das moderne Standardmodell der Kosmologie Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie (Dunkle Energie, kosmologische Konstante). Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt expandiert. Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70% der gesamten Energie des Universums. Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen gestützt: Großräumige Galaxienverteilung Verteilung der leichten Elemente im Universum Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

39 Die kosmische Hintergrundstrahlung WMAP, 2003 T T = 6 10 6

40 Danke...... für Ihre Aufmerksamkeit! Diese Präsentation finden Sie im Web unter http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UNIorientiert2008/