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Woraus besteht das Universum?

Dominik J. Schwarz

Universitat Bielefeld

Herbstakademie 2004

5% Atome, 25% dunkle Materie & 70% dunkle Energie

Woraus besteht”unsere“ Welt?

75% Wasserstoff, 24% Helium, 1%”Metalle“

Welche Teilchen gibt es?

Geschichte des Universums

1010101010 18 12 6 0 −6

10 −12

sssss s

Hubble Deep Field

?

today

galaxies3K radiation

nucleosynthesishadronsmasses

geometry &fluctuations

radiation matter

infla

tion

RHIC−event (STAR) Sky from WMAP

Was beobachten wir?

Hubble Ultra Deep Field - Infrared

Galaxien: Elliptische und Spiral-Systeme

Galaxien-Gruppen und Haufen (cluster)

HCG87 - Gemini Observatory

Woraus bestehen Galaxien?

Ist (M/L)Sterne = (M/L)Galaxie?

M/L . . . Masse-Leuchtkraft Verhaltnis; (M/L)Sterne ≈ (M/L)Sonne

Betrachte dazu Bewegungen von Sternen und Gaswolken

v(r) =

√

GM(r)

r

v . . . Geschwindigkeit

r . . . Abstand vom Zentrum

G . . . Newtonsche Gravitationskonstante

M(r) . . .Masse innerhalb r

typische Masse einer Spiral-Galaxie 1012M�

Rotationskurven

NGC 2403

Dunkle Materie

• massive Teilchen (v < vFlucht)

• keine elektromagnetischen und starken Wechselwirkungen

• Teilchen mussen stabil sein

• (M/L)Spiral−Galaxien > 20

Standardmodell der Teilchenphysik hat keinen Kandidaten

Suche nach dunkler Materie

Large Hadron Collider (CERN)

supersymmetrische Teilchen?

direkte (Untergrund) und indirekte (kosmische Strahlung) Suche

Wieviel dunkle Materie gibt es?

Galaxienhaufen: heißes Plasma, T = 107K bis 108K

Temperatur- und Dichteprofil ⇒ Masse und deren Gasanteil

typischer Gasanteil 15%, typische Masse 1015M�

Virgo-Haufen: sichtbares Licht

Rontgenstrahlung

Wieviel Masse/Energie gibt es im Universum?

• Planeten & Sternen: Atomkerne & Elektronen

• Galaxien & Galaxienhaufen: 15% Atome, 85% dunkle Materie

• Universum: betrachte kosmische Mikrowellenstrahlung

Geschichte des Universums

1010101010 18 12 6 0 −6

10 −12

sssss s

Hubble Deep Field

?

today

galaxies3K radiation

nucleosynthesishadronsmasses

geometry &fluctuations

radiation matter

infla

tion

RHIC−event (STAR) Sky from WMAP

Kosmische Mikrowellenstrahlung

Wilkinson Microwave Anisotropy Probe 2003

Messung der Geometrie des Universums

Allgemeine Relativitatstheorie: Krummung = G·Massendichte

beobachte einen Winkel, alle Seitenlangen bekannt

Multipol-Analyse (` = 180◦/θ)

Energie-Budget

• 5% Atome

• 25% kalte dunkle Materie (Druck ≈ 0)

• 70% dunkle Energie

Was ist dunkle Energie?

Messung der Beschleunigung des Universums

Supernovae vom Typ 1a: explodierende weiße Zwerge

alle Explosionen etwa gleich hell (Standardkerzen)

bestimme Abstand aus scheinbarer Helligkeit

Zeitpunkt der Explosion aus Rotverschiebung

⇒ Beschleunigung > 0

[Science Magazine 1998: Revolution in Cosmology]

Eigenschaften dunkler Energie

Allgemeine Relativitatstheorie:

−Beschleunigung = G·(Energiedichte +3·Druck)

Druck der dunklen Energie ist negativ!

Beispiel: Kosmologische Konstante (Vakuumsenergie) hat negativen Druck

∆Energie = ∆(Energiedichte · Volumen) = Energiedichte · ∆Volumen = −Druck · ∆Volumen

aus dem ersten Hauptsatz der Warmelehre

Offene Fragen

• 5% Atome

Woher kommt die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie?

• 25% kalte dunkle Materie (Druck ≈ 0)

Was ist die kalte dunkle Materie? Neue Teilchen?

• 70% dunkle Energie (Druck = - Energiedichte?)

Was ist die Physik dieser Komponente?

95% der Masse/Energie im Universum sind unverstanden

DAS IST IHRE CHANCE!