Dunkle Energie – Ein kosmisches Raetsel Dunkle Energie- ein kosmisches Rätsel

Dunkle Energie –Ein kosmisches Raetsel

Dunkle Energie-ein kosmisches Rätsel

Dunkle Energie –Dunkle Energie –ein kosmisches ein kosmisches

RRätselätselC.WetterichC.Wetterich

A.Hebecker,M.Doran,M.Lilley,J.Schwindt,A.Hebecker,M.Doran,M.Lilley,J.Schwindt,C.MC.Müüller,G.Schller,G.Schääfer,E.Thommes,fer,E.Thommes,R.CaldwellR.Caldwell

Woraus besteht Woraus besteht unserunser

Universum ?Universum ?

Feuer , Luft, Wasser, Erde !

Quintessenz !

Expansion des Expansion des UniversumsUniversums

Alle Längenskalen im Universum sind Alle Längenskalen im Universum sind proportional zu kosmischem proportional zu kosmischem Skalenfaktor a(t)Skalenfaktor a(t)

Hubble parameter H(t) misst Hubble parameter H(t) misst "Expansionsgeschwindigkeit des "Expansionsgeschwindigkeit des Universums”Universums”

Definition: Definition:

Kritische DichteKritische Dichte ρρcc =3 H² M² =3 H² M² Kritische Energiedichte des Kritische Energiedichte des

Universums Universums ( M : reduzierte Planck-Masse , M( M : reduzierte Planck-Masse , M-2-2=8 =8 ππ G ; G ; H : Hubble Parameter )H : Hubble Parameter )

ΩΩbb==ρρbb//ρρcc

Anteil der Baryonen an der Anteil der Baryonen an der (kritischen) Energiedichte(kritischen) Energiedichte

Zusammensetzung des Zusammensetzung des UniversumsUniversums

ΩΩb b = 0.045= 0.045

ΩΩdmdm= 0.225= 0.225

ΩΩh h = 0.73= 0.73

~60,000 von >300,000Galaxien

BaryonenBaryonen StaubStaub ΩΩbb=0.045=0.045 Nur 5 Nur 5

Prozent Prozent unseres unseres UniversumsUniversums

bestehen bestehen aus aus bekannter bekannter Materie !Materie !

SDSS

Abell 2255 Cluster~300 Mpc

Ωb=0.045

Von Nukleosynthese,Kosmischer Hintergrundstrahlung

Dunkle MaterieDunkle Materie

ΩΩmm = 0.27 “Materie” insgesamt = 0.27 “Materie” insgesamt

Die meiste Materie ist dunkel !Die meiste Materie ist dunkel !

Bisher nur durch Gravitation spürbarBisher nur durch Gravitation spürbar

Alles was klumpt! Alles was klumpt! GravitationspotentialGravitationspotential

Gravitationslinse,HST

Dunkle +Dunkle +baryonische Materie :baryonische Materie :

Alles was klumpt !Alles was klumpt !

Räumlich flaches Räumlich flaches UniversumUniversum

Theorie (Inflationäres Universum )Theorie (Inflationäres Universum )

ΩΩtottot =1.0000……….x =1.0000……….x

Beobachtung ( WMAP )Beobachtung ( WMAP )

ΩΩtottot =1.02 (0.02) =1.02 (0.02)

ΩΩtottot = = 11

Foto des UrknallsFoto des Urknalls

NASA/GSFCChuck Bennett (PI)Michael GreasonBob Hill Gary Hinshaw Al KogutMichele LimonNils OdegardJanet WeilandEd Wollack

PrincetonChris Barnes Norm Jarosik Eiichiro KomatsuMichael Nolta

UBCMark Halpern

ChicagoStephan Meyer

BrownGreg Tucker

UCLANed Wright

Science Team:

Wilkinson Microwave Anisotropy ProbeA partnership between NASA/GSFC and Princeton

Lyman PageHiranya PeirisDavid SpergelLicia Verde

Mittelwerte

Ωtot =1.02

Ωm =0.27

Ωb =0.045

Ωdm =0.225

ΩΩtottot=1=1

Dunkle EnergieDunkle Energie

ΩΩmm + X = 1 + X = 1

ΩΩmm : 30% : 30%

ΩΩhh : 70% : 70% Dunkle Dunkle

EnergieEnergieh : homogen , oft auch ΩΛ statt Ωh

Dunkle Energie :

homogen verteilt

Dunkle Energie :

Vorhersage:

Die Expansion des Universums beschleunigt sich heute !

Zeit

Perlmutter Perlmutter 20032003

AbstandAbstand

Supernova Ia Hubble-Supernova Ia Hubble-DiagrammDiagramm

Riess et al. 2004Riess et al. 2004Rotverschiebung z

StrukturbildungStrukturbildung

Aus winzigen Anisotropien wachsen die Aus winzigen Anisotropien wachsen die Strukturen des UniversumsStrukturen des Universums

Sterne , Galaxien, GalaxienhaufenSterne , Galaxien, Galaxienhaufen

EinEin primordiales Fluktuationsspektrum primordiales Fluktuationsspektrum beschreibtbeschreibt allealle Korrelatonsfunktionen !Korrelatonsfunktionen !

Strukturbildung : Strukturbildung : FluktuationsspektrumFluktuationsspektrum

Waerbeke

CMB passt mit

Galaxienverteilung

Lyman – α

und

Gravitationslinsen-Effekt !

Konsistentes kosmologisches Modell !

Zusammensetzung des Zusammensetzung des UniversumsUniversums

ΩΩb b = 0.045 = 0.045 sichtbar sichtbar klumptklumpt

ΩΩdmdm= 0.225 = 0.225 unsichtbarunsichtbar klumptklumpt

ΩΩh h = 0.73 = 0.73 unsichtbarunsichtbar homogenhomogen

Dunkle Energie –Ein kosmisches Raetsel

Dunkle Energie-ein kosmisches Rätsel

Was ist die dunkle Energie ?

Kosmologische Konstante oder Quintessenz ?

Kosmologische Kosmologische KonstanteKonstante

Konstante Konstante λλ verträglich mit allen verträglich mit allen SymmetrienSymmetrien

Zeitlich konstanter Beitrag zur Zeitlich konstanter Beitrag zur EnergiedichteEnergiedichte

Warum so klein ? Warum so klein ? λλ/M/M44 = 10 = 10-120-120

Warum gerade heute wichtig?Warum gerade heute wichtig?

Kosm. Konst. | Quintessenz statisch | dynamisch

Kosmologische Kosmologische MassenskalenMassenskalen

Energie - DichteEnergie - Dichte

ρρ ~ ( 2.4×10 ~ ( 2.4×10 -3-3 eV )eV )- 4- 4

Reduzierte Planck Reduzierte Planck MasseMasse

M=2.44M=2.44×10×101818GeVGeV Newton’s Newton’s

KonstanteKonstante

GGNN=(8=(8ππM²)M²)Nur VerhNur Verhältnisse vonältnisse von Massenskalen sind beobachtbar ! Massenskalen sind beobachtbar !

homogene dunkle Energie: homogene dunkle Energie: ρρhh/M/M44 = 6.5 = 6.5 10ˉ¹²¹10ˉ¹²¹

Materie: Materie: ρρmm/M/M4= 3.5 10ˉ¹²¹= 3.5 10ˉ¹²¹

ZeitentwicklungZeitentwicklung

ρρmm/M/M4 4 ~ aˉ~ aˉ³ ³ ~~

ρρrr/M/M4 4 ~ aˉ~ aˉ44 ~ ~ t t -2-2 Strahlungsdominiertes Universum

Grosses Alter kleine Grosses Alter kleine GrössenGrössen

Gleiche Erklärung für dunkle Gleiche Erklärung für dunkle Energie ?Energie ?

tˉ² Materie dominiertes Universum

tˉ3/2 Strahlungsdominiertes Universum

QuintessenzQuintessenzDynamische dunkle Dynamische dunkle Energie ,Energie ,

vermittelt durch vermittelt durch SkalarSkalarfeldfeld

(Kosmon)(Kosmon)C.Wetterich,Nucl.Phys.B302(1988)668 C.Wetterich,Nucl.Phys.B302(1988)668 24.9.87 24.9.87B.Ratra,P.J.E.Peebles,ApJ.Lett.325(1988)LB.Ratra,P.J.E.Peebles,ApJ.Lett.325(1988)L17, 20.10.8717, 20.10.87

KosmonKosmon

Skalarfeld ändert seinen Wert auch in Skalarfeld ändert seinen Wert auch in der der heutigenheutigen kosmologischen kosmologischen EntwicklungEntwicklung

Potenzielle und kinetische Energie des Potenzielle und kinetische Energie des Kosmons tragen zur Energiedichte des Kosmons tragen zur Energiedichte des Universums beiUniversums bei

Zeitabhängige dunkle Energie : Zeitabhängige dunkle Energie :

ρρhh(t) fällt mit der Zeit ! (t) fällt mit der Zeit !

KosmonKosmon Winzige MasseWinzige Masse

mmcc ~ H ~ H

Neue langreichweitige Neue langreichweitige WechselwirkungWechselwirkung

““Fundamentale” Fundamentale” WechselwirkungenWechselwirkungen

Starke,elektromagnetische,schwacheWechselwirkung

Gravitation Kosmodynamik

Auf astronomischen Skalen:

Graviton

+

Kosmon

Evolution des Evolution des KosmonfeldsKosmonfelds

FeldgleichungFeldgleichung

Potenzial V(Potenzial V(φφ) bestimmt Details des ) bestimmt Details des ModellsModells

z.B. z.B. V(V(φφ) =M) =M4 4 exp( - exp( - φφ/M )/M ) Für wachsendes Für wachsendes φφ fällt Potenzial gegen fällt Potenzial gegen

NullNull

Kosmologische Kosmologische GleichungenGleichungen

Quintessenz wird heute Quintessenz wird heute wichtigwichtig

ZustandsgleichungZustandsgleichung

p=T-V Druckp=T-V Druck kinetische kinetische EnergieEnergie

ρρ=T+V Energiedichte=T+V Energiedichte

ZustandsgleichungZustandsgleichung

Hängt von spezifischer Evolution des Hängt von spezifischer Evolution des Skalarfelds abSkalarfelds ab

Negativer DruckNegativer Druck

w < 0 w < 0 ΩΩh h wächstwächst

w < -1/3 Expansion des w < -1/3 Expansion des Universums istUniversums ist

beschleunigtbeschleunigt

w = -1 Kosmologische w = -1 Kosmologische KonstanteKonstante

Wie kann man Wie kann man Quintessenz von Quintessenz von kosmologischer kosmologischer

Konstanten Konstanten unterscheiden ?unterscheiden ?

Zeitabhängigkeit der dunklen Zeitabhängigkeit der dunklen EnergieEnergie

Kosmologische Konstante : Ωh ~ t² ~ (1+z)-3

M.Doran,…

Wie unterscheidet man Q Wie unterscheidet man Q von von ΛΛ ? ?

A) Messung A) Messung ΩΩhh(z) H(z)(z) H(z)

ΩΩhh(z) zur Zeit der(z) zur Zeit der Strukturbildung , CMB - Strukturbildung , CMB -

EmissionEmission oder Nukleosyntheseoder Nukleosynthese

B) Zeitvariation der fundamentalen B) Zeitvariation der fundamentalen “Konstanten”“Konstanten”

QuintessenzQuintessenzundund

ZeitabhängigkeitZeitabhängigkeitfundamentalerfundamentaler

KonstantenKonstanten

C.Wetterich , Nucl.Phys.B302,645(1988C.Wetterich , Nucl.Phys.B302,645(1988))

Sind fundamentale Sind fundamentale “Konstanten”“Konstanten”zeitabhängig ?zeitabhängig ?

Feinstrukturkonstante Feinstrukturkonstante αα (elektrische (elektrische Ladung)Ladung)

Verhältnis Nukleonmasse zu Verhältnis Nukleonmasse zu PlanckmassePlanckmasse

Quintessenz und Quintessenz und Zeitabhängigkeit der Zeitabhängigkeit der

“fundamentalen “fundamentalen Konstanten”Konstanten”

Feinstrukturkonstante hängt vom Wert Feinstrukturkonstante hängt vom Wert desdes

Kosmon Felds ab: Kosmon Felds ab: αα((φφ))

aehnlich Higgsfeld in schwacher aehnlich Higgsfeld in schwacher WechselwirkungWechselwirkung

Zeitentwicklung von Zeitentwicklung von φφ Zeitentwicklung von Zeitentwicklung von αα

JordanJordan

A.CocA.Coc

PrimordialePrimordialeHäufigkeiten derHäufigkeiten derleichten Elementeleichten Elementeaus deraus derNukleosyntheseNukleosynthese

wennwenn jetzige Messung von jetzige Messung von 44He bestätigt:He bestätigt:

ΔαΔα//αα ( z=10 ( z=1010 10 ) = -1.0 10) = -1.0 10-3 -3 GUT 1GUT 1ΔαΔα//αα ( z=10 ( z=1010 10 ) = -2.7 10) = -2.7 10-4 -4 GUT 2GUT 2

C.Mueller,G.Schaefer,…C.Mueller,G.Schaefer,…

Variation der Variation der Feinstrukturkonstanten als Feinstrukturkonstanten als

Funktion der RotverschiebungFunktion der Rotverschiebung

Webb et al Srianand et alSrianand et al

Variation der Variation der FeinstrukturkonstantenFeinstrukturkonstanten

Drei unabhängige Datensätze von Drei unabhängige Datensätze von Keck/HIRESKeck/HIRES

ΔΔαα//αα = - 0.54 (12) 10 = - 0.54 (12) 10-5-5

Murphy,Webb,Flammbaum, june 2003Murphy,Webb,Flammbaum, june 2003

VLTVLT

ΔΔαα//αα = - 0.06 (6) 10 = - 0.06 (6) 10-5-5

Srianand,Chand,Petitjean,Aracil, feb.2004Srianand,Chand,Petitjean,Aracil, feb.2004

z ≈ 2

Zeitvariation der Kopplungskonstanten ist winzig –

wäre aber von grosser Bedeutung !

Mögliches Signal für Quintessenz

Παντα ρει

Kommt der Äther, Kommt der Äther, in Form des Kosmonfelds, wieder zurück?in Form des Kosmonfelds, wieder zurück?

Alles fliesstAlles fliesst

KosmodynamikKosmodynamik

Kosmon vermittelt neue langreichweitige Kosmon vermittelt neue langreichweitige WechselwirkungWechselwirkung

Reichweite : Grösse des Universums – HorizontReichweite : Grösse des Universums – Horizont

Stärke : schwächer als GravitationStärke : schwächer als Gravitation

Photon ElektrodynamikPhoton Elektrodynamik

Graviton GravitationGraviton Gravitation

Kosmon KosmodynamikKosmon Kosmodynamik

Kleine Korrekturen zum Kleine Korrekturen zum GravitationsgesetzGravitationsgesetz

““Fünfte Kraft”Fünfte Kraft”

vermittelt durch skalares Feldvermittelt durch skalares Feld

Kopplungsstärke schwächer als GravitationKopplungsstärke schwächer als Gravitation

( nicht-renormierbare Wechselwirkung ( nicht-renormierbare Wechselwirkung ~ M~ M-2 -2 ))

Abhängigkeit von der Zusammensetzung Abhängigkeit von der Zusammensetzung

Verletzung des ÄquivalenzprinzipsVerletzung des Äquivalenzprinzips Quintessenz: führt zu Zeitabhängigkeit der Quintessenz: führt zu Zeitabhängigkeit der

fundamentalen “Konstanten”fundamentalen “Konstanten”

R.Peccei,J.Sola,C.Wetterich,Phys.Lett.B19R.Peccei,J.Sola,C.Wetterich,Phys.Lett.B195,183(1987)5,183(1987)

C.Wetterich , C.Wetterich , Nucl.Phys.B302,645(1988Nucl.Phys.B302,645(1988))

Verletzung des Verletzung des ÄquivalenzprinzipsÄquivalenzprinzips

Verschiedene Verschiedene Kopplung des Kopplung des Kosmons an Proton Kosmons an Proton und Neutronund Neutron

Differentielle Differentielle BeschleunigungBeschleunigung

Verletzung des Verletzung des ÄquivalenzprinzipsÄquivalenzprinzips

Erde

p,n

p,n

Kosmon

Verknüpfung zwischen Zeitabhängigkeit von α

und Verletzung des Äquivalenzprinzips

differentielle Beschleunigung η typisch : η = 10-14

MICROSCOPE – Satteliten-MissionMICROSCOPE – Satteliten-Mission

ZusammenfassungZusammenfassung

o ΩΩhh = 0.7 = 0.7

o Q/Q/ΛΛ : dynamische und statische : dynamische und statische dunkle Energie unterscheidbardunkle Energie unterscheidbar

o Q : zeitlich veränderliche Q : zeitlich veränderliche “ “fundamentale Kopplungen” , fundamentale Kopplungen” , Verletzung des Verletzung des

ÄquivalenzprinzipsÄquivalenzprinzips

????????????????????????????????????????????????

Warum wird Quintessenz gerade in Warum wird Quintessenz gerade in der heutigen kosmologischen der heutigen kosmologischen Epoche wichtig ?Epoche wichtig ?

Haben dunkle Energie und dunkle Haben dunkle Energie und dunkle Materie etwas miteinander zu tun ?Materie etwas miteinander zu tun ?

Kann Quintessenz in einer Kann Quintessenz in einer fundamentalen vereinheitlichten fundamentalen vereinheitlichten Theorie erklärt werden ?Theorie erklärt werden ?

EndEndee