Die dunkle Seite der Kosmologie Franz Embacher Vortrag im Rahmen von UNIorientiert Universität...

Die dunkle Seite der Kosmologie

Franz Embacher

Vortrag im Rahmen von UNIorientiertUniversität Wien, 11. September 2008

Fakultät für Physik

Universität Wien

Kapitel 1

Schwarze Löcher

Nebel, WeißerZwerg, SL

Schwarzes Loch

Video-Clip: Sterne umkreisen ...

Quelle:http://www.mpe.mpg.de/ir/GC/images/movie2003.gif

Video-Clip: Schwarzes Loch in M87

Quelle: http://www.ncsa.uiuc.edu/Cyberia/NumRel/Movies/SupermassBlkHole.mpg

Kapitel 2

Dunkle Materie

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und M110

HST Deep Field

Video-Clip: Zoom auf ferne Galaxien

Quelle:http://oposite.stsci.edu/pubinfo/pr/96/01/HDF.mpg

Woraus besteht das Universum?

Energieinhalt des Universums vorläufiges Bild:

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

Dunkle Materie

• Rotationskurven weit entfernter Sternen um GalaxienTheoretische Betrachtung:

M v

r

Aus dem NewtonschenGravitationsgesetz folgt:

v = G M

r

4-fache Entfernung halbe Geschwindigkeit

Dunkle Materie

Theoretisch wird also ein solcher Zusammenhangzwischen Entfernung und Geschwindigkeit erwartet:

0 1 2 3 4 5r0 .0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

1 .2

1 .4

v

normiert auf Radius = 1, v(Rand) = 1

Dunkle Materie

• Vermessung von Rotationskurven:

Dunkle Materie

• Rotationskurve der Galaxie NGC 3198:

20 30 4010r (kpc)

v (km/s)

50

100

150

200

Dunkle Materie

• Vermessung von Rotationskurven:

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.

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?

Dunkle Materie

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

Galaxienverteilung experimentell 1

Galaxienverteilung experimentell 2

HST – Einstein-Ring

Kapitel 3

Dunkle Energie

Dunkle Energie

• Was ist das Vakuum?• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!

In diesem Fall besitzt das Vakuum einennegativen Druck!

MaterienormalesVerhalten

Energieinhaltwird vergrößert.

Energieinhaltwird verkleinert. positiver Druck

VakuumE ~ V

Energieinhaltwird verkleinert.

Energieinhaltwird vergrößert. negativer Druck

Das Universum dehnt sich aus Luftballon und Backofen

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

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum war früher kleiner Urknall !

a(Urknall) = 0

Das Universum istheute (fast) flach.

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

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?

Theoretisches Modell: Materiedominiertes Universum

2 4 6 8 1 0t M rd J ah re0 .0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

at

gebremste Expansion

Theoretisches Modell: Universum mit Vakuumenergie

2 4 6 8 1 0 1 2 1 4t M rd J ah re0 .0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

at

gebremste Expansion

beschleunigte Expansion

Überprüfung von Weltmodellen

• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen überprüft werden?

• Rotverschiebung Geschwindigkeit der Quelle• Hubble-Gesetz

• Rotverschiebungs-Entfernungs-RelationBeziehung zwischen

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts

• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der Aussendung des Lichts

v = H D0

Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

direkt messbar

indirekt messbar

nicht messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation

0 1 2 3 4 5 6z0

5 0 0

1 0 0 0

1 5 0 0

2 0 0 0

D M p c vakuumdominiertes

Modell

materiedominiertes Modell

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

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation

0 1 2 3 4 5 6z0

5 0 0

1 0 0 0

1 5 0 0

2 0 0 0

D M p c vakuumdominiertes

Modell

materiedominiertes Modell

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)

0 1 2 3 4 5 6z0

5 0 0

1 0 0 0

1 5 0 0

2 0 0 0

D M p c vakuumdominiertes

Modell

materiedominiertes Modell

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

Die kosmische Hintergrundstrahlung

WMAP, 2003

T

T= 6 10

6

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... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UNIorientiert2008/