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Dunkle Energie –Ein kosmisches Raetsel
Urknall und Dunkle Energie-über Anfang und Ende des Universums
Expansion des Expansion des UniversumsUniversums
Der Raum zwischen den Der Raum zwischen den Galaxienhaufen dehnt sich aus.Galaxienhaufen dehnt sich aus.
Früher war das Universum dichter,Früher war das Universum dichter, … … und heisser.und heisser. Zurückverfolgung der Einstein’schen Zurückverfolgung der Einstein’schen
kosmologischen Gleichungen : kosmologischen Gleichungen : Urknall, extrem heisser Feuerball !Urknall, extrem heisser Feuerball ! Bis ca 400 000 Jahre nach dem Bis ca 400 000 Jahre nach dem
Urknall : heisses Plasma aus Protonen, Urknall : heisses Plasma aus Protonen, Elektronen und StrahlungElektronen und Strahlung
Signale des UrknallsSignale des Urknalls
HintergrundstrahlungHintergrundstrahlung
Fiat lux ( 400 000 Jahre nach Fiat lux ( 400 000 Jahre nach Urknall)Urknall)
Primordiale Elementsynthese Primordiale Elementsynthese (Nucleosynthese)(Nucleosynthese)
Beginn der Chemie ( 10 Minuten ab )Beginn der Chemie ( 10 Minuten ab )
A.CocA.Coc
PrimordialePrimordialeHäufigkeiten derHäufigkeiten derleichten Elementeleichten Elementeaus deraus derNukleosyntheseNukleosynthese
BaryondichteBaryondichte
WMAPWMAP
Präzise Bestätigung Präzise Bestätigung unseres unseres
Verständnisses der Verständnisses der Physik und Physik und KosmologieKosmologie
Beispiel : auch vor 13.7 Beispiel : auch vor 13.7 Milliarden Jahren hatten die Milliarden Jahren hatten die Konstanten der Physik die Konstanten der Physik die
( fast ) gleichen Werte( fast ) gleichen Werte
typische mögliche Werte der typische mögliche Werte der Variation der Feinstrukturkonstanten:Variation der Feinstrukturkonstanten:
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,…
Ωb=4.5 %
Aus Nukleosynthese,Kosmischer Hintergrundstrahlung
Anteil der Atome an der Anteil der Atome an der Energiedichte des Energiedichte des
UniversumsUniversums
~60,000 von >300,000Galaxien
Baryonen/AtomeBaryonen/Atome 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
Woraus besteht Woraus besteht unserunser
Universum ?Universum ?
Feuer , Luft, Wasser, Erde !
Quintessenz !
Zusammensetzung des Zusammensetzung des UniversumsUniversums
ΩΩb b = 0.05= 0.05
ΩΩdmdm= 0.2= 0.2
ΩΩh h = 0.75= 0.75
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
Materie :
Alles , was klumpt
Dunkle MaterieDunkle Materie
ΩΩmm = 0.25 “Materie” insgesamt = 0.25 “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
Lichtstrahlen werden durch Lichtstrahlen werden durch Massen abgelenktMassen abgelenkt
Gravitationslinse,HST
Dunkle +Dunkle +baryonische Materie :baryonische Materie :
Alles was klumpt !Alles was klumpt !
ΩΩmm = 0.25 = 0.25
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
Anisotropie der Anisotropie der HintergrundstrahlungHintergrundstrahlung
10 10 o o 1 1 oo Winkel Winkel
ΩΩtottot=1=1
Dunkle EnergieDunkle Energie
ΩΩmm + X = 1 + X = 1
ΩΩmm : 25% : 25%
ΩΩhh : 75% : 75% Dunkle Dunkle
EnergieEnergieh : homogen , oft auch ΩΛ statt Ωh
Dunkle Energie :
homogen verteilt
Vorhersagen für Kosmologie mit Vorhersagen für Kosmologie mit Dunkler EnergieDunkler Energie
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 Aus winzigen Anisotropien wachsen die Strukturen des Universumsdie Strukturen des Universums
Sterne , Galaxien, GalaxienhaufenSterne , Galaxien, Galaxienhaufen
EinEin primordiales primordiales Fluktuationsspektrum beschreibtFluktuationsspektrum beschreibt allealle Korrelatonsfunktionen !Korrelatonsfunktionen !
Strukturbildung : Strukturbildung : EinEin primordiales primordiales
FluktuationsspektrumFluktuationsspektrum
Waerbeke
CMB passt mit
Galaxienverteilung
Lyman – α
und
Gravitationslinsen-Effekt !
Zufall und GesetzZufall und Gesetz
Einfachheit und KomplexitätEinfachheit und Komplexität
Konsistentes kosmologisches Modell !
Zusammensetzung des Zusammensetzung des UniversumsUniversums
ΩΩb b = 0.05 = 0.05 sichtbar sichtbar klumptklumpt
ΩΩdmdm= 0.2 = 0.2 unsichtbarunsichtbar klumptklumpt
ΩΩh h = 0.75 = 0.75 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
QuintessenzQuintessenz Dynamische dunkle Dynamische dunkle
Energie ,Energie , vermittelt durch Skalarvermittelt durch Skalarfeldfeld (Kosmon)(Kosmon)
Vorhersage : Ein Teil der Vorhersage : Ein Teil der Energie-dichte des heutigen Energie-dichte des heutigen Universums liegt als homogen Universums liegt als homogen verteilte ( dunkle) Energie vor.verteilte ( dunkle) Energie vor.
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)L1B.Ratra,P.J.E.Peebles,ApJ.Lett.325(1988)L17, 20.10.877, 20.10.87
SkalarfeldSkalarfeld
ΦΦ (x,y,z,t) (x,y,z,t)Ähnlich wie elektrisches Ähnlich wie elektrisches
FeldFeldAber : keine Richtung ist Aber : keine Richtung ist
ausgezeichnetausgezeichnet
(kein Vektor )(kein Vektor )
““Fundamentale” Fundamentale” WechselwirkungenWechselwirkungen
Starke,elektromagnetische,schwacheWechselwirkung
Gravitation Kosmodynamik
Auf astronomischen Skalen:
Graviton
+
Kosmon
Kosmologische Kosmologische GleichungenGleichungen
Quintessenz wird heute Quintessenz wird heute wichtigwichtig
Wie kann man Wie kann man Quintessenz von Quintessenz von kosmologischer kosmologischer
Konstanten Konstanten unterscheiden ?unterscheiden ?
Wieviel dunkle EnergieWieviel dunkle Energiegab es im frühen Universum ?gab es im frühen Universum ?
Eigenschaften der Eigenschaften der Dunklen Energie Dunklen Energie
betimmen die Zukunft betimmen die Zukunft des Universumsdes UniversumsVorhersagbarkeit für die Vorhersagbarkeit für die
nächsten nächsten
100 Milliarden Jahre…100 Milliarden Jahre…
Näher an den UrknallNäher an den Urknall Je näher an den Urknall, desto höher die Je näher an den Urknall, desto höher die
Temperatur und Energie der TeilchenTemperatur und Energie der Teilchen Physik bei hohen Energien weniger gut Physik bei hohen Energien weniger gut
bekanntbekannt Ab 10Ab 10-10 -10 Sekunden ab : Im wesentlichen Sekunden ab : Im wesentlichen
bekannte Physikbekannte Physik
(Quark Gluon Plasma wird experimentell (Quark Gluon Plasma wird experimentell getestet, detaillierte Eigenschaften nicht getestet, detaillierte Eigenschaften nicht zentral für unser Bild der Kosmologie . )zentral für unser Bild der Kosmologie . )
Wir verfügen über Wir verfügen über zuverlässiges Wissen über die zuverlässiges Wissen über die Entwicklung des Universums Entwicklung des Universums seit den ersten 10 seit den ersten 10 -10 -10 Sekunden ! Sekunden !
Elektroschwacher Elektroschwacher PhasenübergangPhasenübergang
10 10 -12 -12 Sekunden abSekunden ab Physik noch nicht hinreichend Physik noch nicht hinreichend
bekannt.bekannt. Neue Beschleuniger : LHCNeue Beschleuniger : LHC
Inflationäres UniversumInflationäres Universum
Ca 10 Ca 10 -30-30 - 10 - 10 -40 -40 Sekunden abSekunden ab Entstehung der primordialen Entstehung der primordialen
FluktuationenFluktuationen aus Quantenfluktuationenaus Quantenfluktuationen
Signale vom Urknall !Signale vom Urknall !
Spekulative Physik ..Spekulative Physik ..
Zusätzliche RaumdimensionenZusätzliche Raumdimensionen SuperstringtheorienSuperstringtheorien ““Kosmologie vor dem Urknall”Kosmologie vor dem Urknall” MultiversumMultiversum
Chancen der Chancen der Verifizierung ?Verifizierung ?
Es fehlt vereinheitlichte Theorie Es fehlt vereinheitlichte Theorie aller Wechselwirkungen !aller Wechselwirkungen !
Dennoch : Beobachtungen Dennoch : Beobachtungen geben Aufschluss über extreme geben Aufschluss über extreme frühe Epochen der frühe Epochen der kosmologischen Entwicklung !kosmologischen Entwicklung !
ZusammenfassungZusammenfassung
Physik des Universums in wesentlichen Physik des Universums in wesentlichen Zügen bekannt vonZügen bekannt von 10 10 -10 -10 Sekunden ab bis Sekunden ab bis 3 Milliarden Jahre ab.3 Milliarden Jahre ab.
Vorhersagen über Zukunft benötigen Vorhersagen über Zukunft benötigen quantitatives Verständnis der Dunklen quantitatives Verständnis der Dunklen EnergieEnergie
Frühes Universum : Frühes Universum : ElementarteilchenphysikElementarteilchenphysik
ΩΩmm + X = 1 + X = 1
ΩΩmm : 25% : 25%
ΩΩhh : 75% : 75% Dunkle Dunkle
EnergieEnergie
?
Vereinheitlichung aller Wechselwirkungen
Superstrings
Zusätzliche Dimensionen
FundamentalerUrsprung der Massenskalen
EndEndee
WMAP 2006WMAP 2006
Polarisation
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