Phänomenologische Betrachtung Das Konzept der Dunklen Materie Was ist nun dunkle Materie Dunkle...

DUNKLE MATERIE DUNKLE ENERGIE

Gliederung

Phänomenologische Betrachtung Das Konzept der Dunklen Materie Was ist nun dunkle Materie Dunkle Energie Konzepte ohne dunkle Materie

20. Jh. Erstmals leistungsfähige Teleskope (Hubble,…)

1932 Jan Hendrik Oort : Arbeiten zu Struktur und Dynamik der Galaxis

-Dicke der Milchstraße zu klein. Mehr Masse nötig.

„Dunkle Materie“

1933, Fritz Zwicky entdeckt merkwürdige Galaxienbewegung imComa-Galaxienhaufen (100MPc entfernt).

Geschwindigkeiten der Galaxien zueinander und Entfernung voneinander stimmt nicht. (Virialsatz)

Gleiches Phänomen auch bei Kugelsternhaufen. Newtonsches Gravitationspotential reicht nicht für eine Stabilität aus!

„Haar der Berenike“

1960, Vera Rubin: Umlaufgeschwindigkeit derSterne um das galaktisches Zentrum nimmt mit zunehmender Entfernungnicht ab.

- müssten sie aber, da schwächere Gravitation

Bis heute Entdeckung vieler weiterer astronomischer SystemeKartierung von ca. 100Mio. Sternen beim „Sloan Digital Sky Survay“ am Apache-Point-Observatorium (APO) in New Mexico

Versuch die Strukturen aus Dichteschwankungen zu simulieren

„Millennium Simulation“

Frühe Strukturbildung trotz der Hitze im jungen Universum nicht ohne zusätzliche Masse erklärt werden. (Strahlungsdruck)

Gravitationslinsen von Galaxien wesentlich bestimmt durch DM

„Abell 2218“ Haufen(Hubble)

2006, 1E 0657−558 (Bullet Cluster) 3,35 Milliarden LJDrei entscheidende Größen beobachtet: -Galaxienverteilung durch optische Beobachtungen (blau)-Intergalaktisches, heißes Gas im Röntgenbereich (Chandra, Rot) -Massenverteilung mit Hilfe des Gravitationslinseneffektes. (Hubble)

Galaxien von sehr heißem Gas umgeben

90% der Masse steckt im Interstellaren Gas

Galaxien fliegen aneinander vorbei, Gas wird abgebremstÞSeparation von interstellarem Gas und Galaxien

Gravitation geht aber weiterhin von Galaxien aus. (Linseneffekt)

„Pioneer-Anomalie“

MODELLE UND THEORIEN

DUNKLER MATERIE

INHALTSANGABE

I. Das Standardmodell

II. Baryonische DM

III. Nicht-Baryonische DM

STANDARD-MODELL

Isotrope, homogene Verteilung auf großen Skalen

Expansion („Hubble`s Law“) Relativitätstheorie Heiße, dichte Anfangsphase

Postulate

Euklidisch RaumGeschlossen, sphärischer

Raum

Offener, hyperbolischer

Raum

K = 0 k = 1k = -

1

Metrik

STANDARD-MODELL

Wichtige Parameter

Kritische Dichte

Dichteparameter

Krümmung Dichteparamter Verhalten des Krümmungsradius

k = -1 WM < 1 monoton

k = 0 WM = 1 wachsend

k = 1 WM > 1 endlich

W = WM + WL WM = rM/rc =

Zusammenhang zwischen Massendichte und Lösungstyp des Weltmodells.

STANDARD-MODELL

STANDARD-MODELLAnnahmen:

WM ≈ 0,26

WMb ≈ 0,04

WMbl ≈ 0,005

Dunkle Materie ist baryonischen und nicht-baryonischen Ursprungs.

STANDARD-MODELLBestätigung der Annahmen durch: Gravitationslinseneffekt

Leuchtkraftdichte mit Masse-Leuchtkraft-Verhältnismittlere Leuchtkraftdichte (B): ML-Verhältnis:

WM ≈ 0,3

LB = 108 LB◦ Mpc-3

M/LB ≈ 200

WM ≈ 0,1 – 0,2

STANDARD-MODELL Kosmische Hintergrundstrahlung

Spektrum der Anisotropie:

- Lage des HM: Krümmungsart des Raumes

- Lage der 1. NM: Informationüber Baryonendichte

- Lage des 2. NM: Informationüber DM-Dichte

STANDARD-MODELL Primordiale Nukleosynthesephase

Festlegung des Verhältntis baryonischer Materie

Kosmologische Simulationen„Millenium-Simulation“- Entwicklung der Dichteschwankungen im Kosmos - Verhalten der dunklen Materie

WMb ≈ 0,043

Bestätigung der Modelle

BARYONISCHE KANDIDATEN

Gas – und Staubwolken

MACHOs- Braune Zwerge- Weiße Zwerge- Neutronensterne- schwarze Löcher

Problem: Kaum Beobachtung durchMikrolinseneffekt (OGLE 1993)Adlernebel

NICHT-BARYONISCHE KANDIDATEN

NICHT-BARYONISCHE KANDIDATEN

HDM „Top-Down“- Szenario

Neutrino- Entkoppelung 1 Sekunde nach Urknall- Unbekannte Masse ( mn < 2 eV)

Problem: Großstrukturen Anteil max. 30%

NICHT-BARYONISCHE KANDIDATEN

WDM Steriles Neutrino

- WW: Gravitation- Masse unbekannt (Fermilab 2007)

Leichtes Gravitino- Superpartner des Gravitons

Problem: keine direkte Detektion

NICHT-BARYONISCHE KANDIDATEN

CDM „Bottom-Up“- Szenario

WIMPS LSP (SUSY) :

- Endprodukt aller Zerfälle von SP- Absolute Stabilität- Ursprung: Primordiale Nukleosynthese

Problem: Zu viele unbekannte Parameter

Axion - Schwache WW , Ladungsfrei- Entstehung: Primakoff-Effekt - Masse zwischen 10-6 eV - 1 eV

Detektoren: u.a. Axion-Helioskop CAST am CERN:

NICHT-BARYONISCHE KANDIDATEN

Problem: Zerfall in Photonen wäre detektierbar

NICHT-BARYONISCHE KANDIDATEN

Primordiale schwarze Löcher (MACHO)

Zerfallende DM

„Dark Fluid“-Theorie

Modifizierung der Gravitationsgesetze, Newton/ART

schwere/träge Masse nicht äquivalent bei kleinen Beschleunigungen

Modified Newtonian Dynamics

F = m a bekannt, und gut experimentell überprüft

Für extrem kleine Beschleunigungen fast nicht experimentierbar.

Modifikation 1983 von Mordehai Milgrom :

F = m μ(a/a0) a wobei μ von der Art, dass

μ(x)=1 für große Beschleunigungen μ(x)=x für kleine Beschleunigungen (z.B. μ = x / 1 + x o.Ä. )

Für a >> a0 gilt weiterhin FG = m aFür a << a0 wird dann FG = m a²/a0

a0 = 1,2 * 10-10 m/s² von Milgrom bestimmt

Weitere Erklärungsversuche durch

Tensor-Vektor-Skalar Gravitationstheorie

Darstellung des Raumes nicht nur mit einem Tensor/Metrik (ART)

DUNKLE ENERGIE

Gliederung Grenzen des Standardmodells Beobachtung: Sn Typ 1a Theorie: Der Sachs Wolfe – Effekt Beobachtung: Hintergrundstrahlung Theorie: Dunkle Energie Kandidaten: Die Einsteingleichungen, Λ Spezielles Thema: Gravasterne

Grenzen des Standardmodells

Astronomische Beobachtungen zeigen beschleunigte Expansion des Universums=> Widerspruch

Supernovae Typ Sn 1a

Theorie: Der Sachs-Wolfe-Effekt

Messung durch WMAP

Diskussion Es muss also eine die Expansion des

Universums beschleunigende Groesse geben

Dies ist die dunkle Energie

Theorie: Die Kosmologische Konstante

Faktor in den verallgemeinerten Einstein‘schen Feldgleichungen :

Einfuehrung um statisches Universum zu gewaehrleisten

Definiert die Vakuumenergiedichte : Vakuumenergie gilt als

wahrscheinlichster Kandidat fuer die „dunkle Energie“

Die Friedmanngleichungen

Erweiterung des Standardmodells:Λ≠0

Spezielle Themen:Gravasterne

Moegliche Loesung der Einsteinschen Feldgleichungen

Durch astronomische Beobachtungen nicht vom SL unterscheidbar

Ein abstossendes Vakuum (dunkle Energie) Stabilisiert eine Schale aus kondensierter Materie

Wandelt baryonische Materie in dunkle Energie um

Aufbau GS SL:

Quellen

http://www.astro.lsa.umich.edu/~rdupke/research.phphttp://www.weltderphysik.de/de/4085.phphttp://de.wikipedia.org/wiki/Dunkle_Materiehttp://www.mpa-garching.mpg.de/galform/presse/http://www.sdss.org/

Bilderhttp://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Ssc2007-10a1.jpghttp://www.weltderphysik.de

Quellenangaben „Der neue Kosmos“ von Unsöld, Baschek „Particle Astrophysics“ von Perkins „Existence and Nature of Dark Matter in the Universe“ von

Virginia Trimble aus Annual Reviews Wikipedia http://background.uchicago.edu/~whu/beginners/

introduction.html http://www.lsw.uni-heidelberg.de/users/mcamenzi/Guebitz.pdf http://accms04.physik.rwth-aachen.de/~schael/Seminar

%20SS07_files/2007_04_23_nachtrodt.pdf http://www.physik.uni-wuerzburg.de/~winter/Teaching/Hutter.pdf http://web.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/sternwarte.pdf

Bilder: http://3.bp.blogspot.com/_TRtS7cX98Ec/SjD6R_F5tgI/AAAAAAAABYA/fvIOuCL_h-U/s320/scheibenwelte.jpeg

Quellen Peter Schneider: Extragalactic Astronomy

and Cosmology wikipedia.org (Bilder, allgemeine

Informationen)