1 Der Kosmos mit dunkler Materie und dunkler Energie Wo stehen wir im Universum ? Kalte dunkle...

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Der Kosmos mit dunkler Materie und dunkler Energie

• Wo stehen wir im Universum ?• Kalte dunkle Materie (DM)• Vakuum mit Energie (DE)• Strukturbildung mit DM + DE

AIP

http:/www.aip.de/groups/cosmology

vmueller@aip.de

Volker Müller

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Schwarzschild-Technologiegebäude

AIP Potsdam

Einstein-Turmteleskop

Elemente:

Gravitationstheorie

Galaxien und Strukturen

Multiobjekt-Spektroskopie

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Offener Sternhaufen M50 ca. 100 Sterne (15‘)

Galaxie M31 mit Begleitern (Durchmesser 3°)

Region des galaktischen Zentrums (60° x 40°)

Lokale Sternsysteme

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Planeten:

Erde - Sonne: 150 Mill. Km

Astron. Einheit AE

8 Lichtminuten

Erde - Saturn: 10 AE ≈ 1 Lh

Vergrößerung: 1 : 100 Tausend

Fixsterne nahe der Sonne:

1 - Centauri (4.3 Lj entfernt)

2 - proxima Centauri

3 - Sirius

Vergrößerung: 1 : 10 Tausend

Milchstraße als unsere Heimat

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Internationale Raumstation ISS:

340 Km Höhe

Wilkinson Anisotropie Map (WMAP) Satellite:

Lagrange-Punkt 2

1.5 Mill. km von Sonne weg

Astronomie vom erdnahen Raum

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3.26 Lj = 1 Parsec (pc)

Welt der Galaxien

nahe Fixsterne: einige pc

Nachbargalaxien: über ein Millionen Parsec (Mpc)

Weltradius: 4 500 Mpc

Lokale Gruppe

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Dunkle Materie

„Wo ist die dunkle Materie?“

Konzept ähnlich fundamental wie die Expansion des Universums

Ohne dunkle Materie halten Galaxien nicht zusammen.

Ohne dunkle Materie sind Galaxienhaufen Zufallsprodukte.

Ohne dunkle Materie würden wir keine Gravitationslinsen beobachten!

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Jan Hendrik Oort (1900 - 1992)

Dunkle MaterieTitel: „Die Kraft des Sternsystems senkrecht zur Milchstraßenebene und damit verwandte Probleme“

1932

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Dunkle MaterieOort bestimmte die Massendichte in der Milchstraßeneben: 0.15 Sonnenmassen pro pc3 und damit vergleichbar mit der Leuchtdichte

Damit kaum dunkle Materie in der Milchstraßenebene (max. Anteil 50%)

Oortsche Grenze

in Galaxien ist Masse pro Leuchtkraft etwa konstant

bemerkenswert: leuchtschwächere Sterne in Sonnenumgebung machen 75 % der Masse aus, leuchtkräftigere dagegen ca. 95 % der Leuchtkraft

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Dunkle MaterieOorts Paper von 1932 war erste Bestimmung der Massendichte des Milchstraßensystems

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Fritz Zwicky (1898 - 1974)

Messung der Masse von Sternsystemen durch relative Bewegung (viel Masse verursacht schnelle Bewegung):

Paper von 1933

“Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln”

Messung von Radialgeschwindigkeiten in Galaxienhaufen von 700 km/s

DM mit einem Faktor 100 über der Leuchtkraft

Dunkle Materie

12bei z=0.05, d.h. ca. 100 Mpc Entfernung

in Galaxiencluster der Shapley-Region

Dunkle Materie

13cp. Thesis Martins, Trieste, 2009

Dunkle Materie

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M51

M51: radiale Komponente der Zirkulargeschwindigkeit von Gaswolken

Rotationskurven von Spiralgalaxien

Dunkle Materie

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NGC 240

Dunkle Materie wichtig für Rotationskurven:

steiler Anstieg im Zentrum

und flach außen

Messung des neutralen Gases

Dunkle Materie

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Coma-Haufen: 60 Mpc Entfernung (Boehringer)

Gastemperatur ist Maß für die Masse (hydrostatisches Gleichgewicht)

Einstein-Satellit

XMM-Newton

Röntgengas bildet DM-Verteilung ab

Dunkle Materie

Sjurn Refsdal (1935-2009) war Pionier in der Forschung von Gravitationslinsen als Dektektoren in der Astronomie, hier 2005 mit der King’s Medal of Merit in Gold

Dunkle Materie

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A1689 Broadhurst et al.

Verzerrung von Hintergrundgalaxien und Doppelbilder durch dunkle Materie in Galaxienhaufen: Gravitationslinseneffekt

benutzt zur Massenbestimmung in Galaxiencluster und damit zur Messung von DM

Dunkle Materie

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Cl0024 (HST)

Verstärkung des Lichtes von fernen Galaxien

Dunkle Materie

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Rätselhafte Vierfachbilder:

Weg zur Massenverteilung in Zentrum von Galaxien

Vierfachbild des Quasars Q 2237+030

G. Lewis & M. Irvine

Einstein-Kreuz in Zw 2237+030

J.Rhoads et al.

Dunkle Materie

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kommt aus der Massenbestimmung von Sternsystemen

dunkle Halos um Galaxien: Rotationskurven

Gas in Galaxienhaufen: hydrostatisches GleichgewichtLichtablenkung durch dichte enge Objekte: Gravitationslinsen

Begriff seit etwa 1975 im Gebrauch (zuvor vermisste Materie)

heute: kalte dunkle Materie = CDM

KandidatenNeutrinos (vom Beta-Zerfall): nein!

häufigste Teilchen im Kosmos, aber nicht kalt

Photinos (oder Axionen, Gravitinos) WIMPs

über 100 mal so schwer wie Proton

Braune Zwerge, Planeten, Schwarze Löcher - MACHOS

nicht nachgewiesen, es gibt dafür nicht genug Baryonen

Dunkle Materie

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kommt aus der Messung der Expansionsrate des Universums

Begriff 1999 von Michael Turner

Ursprung geht auf Einsteins Erweiterung seiner Feldgleichungen 1917 zurück: kosmologische Konstante

Einstein bezeichnete dies bald als “größten Plunder seines Lebens”

Dunkle Energie

Einstein, Eddington, Ehrenfest, Lorentz, deSitter: Leiden 1920

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Expansion des Universums ist mit der Rotverschiebung gemessen

z=1 heißt Halbierung der Abstände zwischen Galaxien

Dunkle Energie

Messung mit der Rotverschiebung:

z=0.2 Tiefe von Rotverschiebungskatalogen von Galaxien

z=1 halbes Weltalter (7 Milliarden Jahre)

z=2 Maximum der Quasaraktivität

ca. z=6 Rekord für Galaxien (1 Milliarde Jahre)

z=1000 Tiefe des sichtbaren Universums (200 Tausend Jahre)

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Dunkle Energie

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Häufigkeit der Mehrfachbilder:

Vakuumenergie notwendig für Lichtweg von über 7 Mrd. Lj bis Rotverschiebung z=1

Anteil der Vakuumenergie über 70%:

1. Nachweis 1992 (Carroll, Press, Turner)

Einstein-Kreuz in Zw 2237+030

J.Rhoads et al.

Dunkle Energie

seit 2003: Nachweis von DE durch Grad der Verzerrung von Hintergrundgalaxien

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Beobachtung einer Supernova in einer nahen wechselwirkenden Galaxie

Typisch eine SN alle 50 Jahre in einer Galaxie

Kosmische SN-Projekte: Überwachung einer großen Zahl von Galaxien

SN1a sind explodierende Weiße Zwerge: physikalische Modellierung relativ gut möglich

Dunkle Energie

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Lichtkurve bestimmt absolute Helligkeit: ferne SN sind schwächer als erwartet - Raum größer durch Dunkle Energie

Dunkle Energie

Erwartung ohne DE

mit 75% Dunkle Energie

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Dunkle Energie = VakuumenergieOtto von Guericke erzeugte 1657 Vakuum in Magdeburger Halbkugeln:

Kugel von 1m Durchmesser trägt Gewicht von 10 Tonnen

kein ‘Horror Vacui’ nach Aristoteles

Stich von Caspar Schotts

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VakuumenergieHendrik Casimir berechnete 1948 Vakuumenergie zwischen Leiterplatten

1957 gemessen

1998 Leipzig: Symposium zur Vakuumenergie

entspricht für d= 0.1 mm das 10-15 fachedes Luftdrucks, oder 10-5 N/m2

€

P =πhc

480d4

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Vakuumenergie1965 Zeldovich + Sacharov: ‘Steifheit’ des leeren Raumes (aber kein Äther)

erste Vakuumenergieberechnung durch Walter Nernst 1926 (Unschärfterelation)

beobachtet:

erwartet:

wenn

€

ρv =10−26kg /m3

€

ρv =h

2π 2c

k 3

20

kmax

∑ =hπ 2

c

1

λmin4=1097kg /m3

€

λmin =1.6∗10−35m

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Dunkle Energiedynamische Messung (Bahnen von astronomischen Objekten)?

Beschleunigung = Gravitationsanziehung - Hubble-Expansion2 x Abstand

Vakuumenergieeffekt auf Erdbahn um Sonne: 10-22

Galaxie im Cluster: 1%

wirklich nur im kosmischen Rahmen zu messen

kosmische Beschleunigung:

€

q =Ωm −ΩΛ 2 ≈ −0.55

Vakuumenergie 75%

Materie 25%

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Materie dominiert

Dunkle Energie

Expansion dominiert

Materie und Vakuum gleichen Expansionsrate aus

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3K-Photonen erreichen uns von der Zeit der letzten Streuung

Dunkle Energie im 3K-Hintergrund

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Blick ins frühe Universum:

Antennenrauschen

COBE-Satellit misst Gravitationsfeld vom Urknall

WMAP misst Intensitätsverteilung und (indirekt) Geometrie des Universums

Dunkle Energie

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LSS

Dunkle Energie1. Messung Boomerang-Ballon (2002) am Südpol

Messung der Größe von tyischen Schwankungen der Temperatur

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Dunkle EnergieMessung der Temperatur auf der ganzen Himmelskugel: Abbild der Zeit der ‘letzten Streuung’

Harmonie der Obertöne vermißt Kosmos

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Strukturbildung mit DM und DE

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Jarrett et al. (2003): ca. 1 Millionen nahe Galaxien, Struktur naher Superhaufen

Strukturbildung mit DM und DE

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Dichtemaxima markieren 5000 Gruppen: feine Filamentstruktur

Irreguläre Strukturen mit 40 Superhaufen

Strukturbildung mit DM und DE

40

Kleine Dichteschwankungen vom Frühkosmos wachsen unter eigenen Gravitationsfeld an (Gravitationskollapse), es bilden sich anisotrope Strukturen.

Die Strukturbildung verläuft von kleinen zu großen Skalen, typisch für kalte DM.

Die Filamentstrukturen sind stark ausgeprägt und stabil, die kosmischen Geschwindigkeitsfelder sind gross gegen unregelmäßige Bewegungen:

Beschleunigung der Expansion durch DE.

density field δ(x,t)

gravity field g(x,t)

displaced masspeculiar velocity v(x,t)

:

structure forming

Strukturbildung mit DM und DE

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● Kollaps längs einer Achse Schicht (pancake)

● Kollapse längs zweier Achsen Filament

● 3-dimensionaler Kollaps Klumpen (Halo)

Strukturbildung mit DM und DE

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Kompakte Gruppe HCG40 (z=0.01, Subaru)

simulierte Gruppe in 20 Mpc Box, Zoom auf 1 Mpc

Strukturbildung mit DM und DE

Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „Microsoft Video 1“

benötigt.

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Abell-Cluster A1689 (HST)

simulierter Cluster, Faltenbacher

Strukturbildung mit DM und DE

Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „Microsoft Video 1“

benötigt.

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simulierte Void-Region Gottlöber

Strukturbildung mit DM und DE

Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „Microsoft Video 1“

benötigt.

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typische Galaxien: heute

Rotverschiebung

z = 2

z = 3

Hubble Deep Field

C. Driver

Strukturbildung mit DM und DE

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Leuchtkraft von Superhaufen: braucht Leistung auf grossen Skalen (DM + DE)

2DFGRS-Analyse (Benda v. Beckmann, Müller)

Strukturbildung mit DM und DE = LCDM

Größe von Leerräumen: braucht Beschleunigung für Bildung

Baryonen-Oszillationen messen Energie des Vakuum Mare-Nostrum

Simulation (Gottlöber, Wagner)

Modellierung

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Hobby-Eberly-Teleskop mit 9.2 m Spiegeldurchmesser (segmentiert)

im Primärfokus 20 Virus-Spektrographen mit je 132 Integral Field Units

VirusP seit 2007 im Test

Spektrographen gebaut am AIP, Software entwickelt in Texas und München

Simulationsrechungen am AIP

Experiment HETDEX

PI: P. Gebhardt

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Experiment HETDEX

Prototyp-Beobachtungen: schwach und rech deutlicher Nachweis

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Vergleich der erwarteten (schwarz) und der ersten Prototypverteilung

Experiment HETDEX

Messempfindlichkeit unter 1%

50

Baryonische akustische Oszillationen: Rekonstruktion verbessert Signal um Faktor 2

Experiment HETDEX

Simulationen: Wagner, Müller, Steinmetz

Oszillationen (5% des Signals) sind Eigenschwingungen des kosmischen Plasmas vor der Rekombination

Experiment gefördert durch Mittel im Wettbewerb: Pakt für Exzellenzförderung

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Z-Cosmos Survey 2009:

Kovac, Lilly et al.

1.7 deg2

tiefe Strukturen bis einige Tausend Mpc!

Strukturen bei grossen z

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Strukturbildung mit DM und DE

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Einladung zur „Langen Nacht der Sterne“ ins AIP: Samstag 4. April 18 - 1 Uhr

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Dunkle Materie dominiert StrukturbildungDunkle Energie die kosmische Entwicklung - in den ersten Sekundenbruchteilen und in den letzten Milliarden Jahren

Strukturbildung mit DM und DE

Wir brauchen Hilfe bei der Theorie der dunklen Energie - und bei der Beobachtung von veränderlichen Quellen!

www.aip.de/groups/cosmologyIch wünsche Ihnen einen guten Heimweg!