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1 "In the beginning the Universe was created. This has made a lot of people very angry and been widely regarded as a bad move.” The Hitch Hiker's Guide to the Galaxy — Douglas Adams (1952-2001), British writer Kosmologie: Versuch eines Überblicks Kosmologie: Versuch eines Überblicks PART I

Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

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Page 1: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

1

ldquoIn the beginning the Universe was created This has made a lot of people very angry and been widely regarded as a bad moverdquo

The Hitch Hikers Guide to the Galaxymdash Douglas Adams (1952-2001) British writer

ldquoIn the beginning the Universe was created This has made a lot of people very angry and been widely regarded as a bad moverdquo

The Hitch Hikers Guide to the Galaxymdash Douglas Adams (1952-2001) British writer

Kosmologie Versuch eines Kosmologie Versuch eines UumlberblicksUumlberblicks

Kosmologie Versuch eines Kosmologie Versuch eines UumlberblicksUumlberblicks

PART IPART I

2

Vom Urknall bis

3

Die 4 Ecksteine der KosmologieDie 4 Ecksteine der Kosmologie

bull Expansion des Universumsbull Universum begann mit einem BIG BANG vor ca 137 Milliarden Jahrenbull Das Universum expandiertbull Das Universum ist auf groszligen Laumlngen isotrop und homogen

bull Ursprung der kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB) bull Die CMB ist der Uumlberrest des heiszligen Urknallsbull Die letzte Streuflaumlche stellt die letzte WW von Strahlung und Materie darbull Die Strahlungstemperatur des CMB entwickelte sich von 3000K nach 27K

bull Nukleosynthese der leichten Elemente bull Kernbausteine verschmelzen in den ersten drei Minuten zu den leichten Kernen Wasserstoff und Heliumbull Das Urknall-Modell sagt korrekt das Verhaumlltnis von Wasserstoff zu Helium voraus ~25

bullEntstehung von Galaxien und Galaxienhaufen bull Strukturentstehung beginnt nach der Entkopplung von Materie und Strahlung bull Das Urknall-Modell stellt den Rahmen dar in dem sich die Strukturentstehung verstehen laumlsst

4

Die Geschichte des UniversumsDie Geschichte des Universumst=0T=infin

Atoms

Matt

er

Clu

mpin

gHe

-

+

q-

q+Wplusmn

Zo

InitialSingularity

Form

ati

on o

f Sola

r Sys

tem

and B

irth

of

Life

1010yrs273K

Epoch

of

Gala

xy F

orm

ati

on

109yrs30K

Firs

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nd G

ala

xies

(re-ioniz

ation)

107yrs300K

Epoch

of

Reco

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on

3x105yrs3000K

Prim

ord

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s

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Hadro

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001s1011K

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on

10-4s1012K

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- a

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on

10-6s1013K

E-W

Phase

Tra

nsi

tion

10-12s1015K

Inflation

10-35s1027K

Planck

Tim

e

10-43s1031K

5

Die Geschichte des UniversumsDie Geschichte des UniversumsEpochen

Epoch Time To(K) (kgm3)

Big Bang 0 Birth of the Universe

Planck Era lt10-43s gt1031 gt1097 String Theory Quantum Cosmology

Inflation Era lt10-35s gt1027 Symmetry Breaking -gt Exponential Expansion

Quark Era lt10-23s gt1022 gt1058 Free Quarks in Thermal Equilibrium

Hadron Era lt10-4s gt1012 gt1017 Matter Anti Matter Asymmetry

Lepton Era lt100s gt1010 gt108 Rapid Expansioncooling (leptonsphotons equilibrium)

Radiation Era lt106yr gt3000 gt10-19 Nucleosynthesis Decoupling

Matter Era gt106yr lt3000 lt10-19 Structure Formation first galaxies

Acceleration Era present 3 lt10-27 Acceleration phase of the Universe

6

Die Planckwelt und die anfaumlngliche Die Planckwelt und die anfaumlngliche SingularitaumltSingularitaumltAm Anfanghelliphellip

Planck Aumlra = 0 - 10-43 s nach dem Urknall

Zeit laumluft ruumlckwaumlrts

t 0

R 0

T

Anfangssingularitaumlt ndash Der Anfang

bull tlt10-43s bekannt als die Planckaumlrabull Quanteneffekte werden wichtigbull Einsteinrsquos Theorie der Gravitation bricht zusammen

Planckzeit wird uumlber die Unbestimmtheitsrelation definiert

Et mpc2tp p (ctp )3c 2tp

c 5tp4

Gtp2

Mit der Planckzeit tp

bull Planck Laumlnge lp ctp

bull Planck Dichte p 1Gtp2

bull Planck Masse mp p

lp3

tp G

c 5

1 2

10 43 s lp G

c 3

1 2

17x10 35 m p c 5

G21096 kgm 3

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G

1 2

25x10 8 kg EP mpc2

c 5

G

1 2

1019GeV TP EP

kB

c 5

kB2G

1 2

1032K

7

Planck Aumlra Aumlra der Quantengravitation

Gravitation (Einstein)

Schwarzschildradius (Ereignishorizont)

Quantenmechanik

Unschaumlrferelation

2c

Gml Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

mc

hc

sc

Gt

mc

Ghl

kgG

cm

Planck

Planck

Planck

445

323

8

10395

10621

10182

9

10

GUT Aumlra

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 10-43 s

Existenz von MaterieBaryonenasymmetrie

11

Elektroschwache Aumlra

Es entstand das noch heute bestehende Verhaumlltnis

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

- Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

910)(

)( PhotonenAnzahl

QuarksAnzahl

Ab 10-34 s

12

Leptonen Aumlra

Quarks aus dem Quark-Gluon-Plasma bilden Baryonen und Mesonen

Antimaterie verschwunden

Neutrinos entkoppeln

Neutronen-Protonen-Verhaumlltnis 17 entsteht

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 10-10 s

13

Photonen Aumlra

Es ist heiszlig genug damit durch Fusion leichte Kerne entstehen koumlnnen aber nicht mehr heiszlig genug dass die Photonen diesen Prozess ruumlckgaumlngig machen koumlnnten

Deuterium Helium Lithium (Kerne) entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 102 s

14

Universum wird transparent

Die Kerne koumlnnen Elektronen an sich binden

Keine Streuung von Photonen an freien Elektronen

Universum wird bdquodurchsichtigldquo

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 300000 a

15

Galaxien und Sterne entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 1 Mrd a

16

Wodurch wird sie gestuumltzt

Expansion des Universums

Hintergrundstrahlung

Haumlufigkeit der Elemente

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

17

Expansion des Universums

Hubble (1929) v = H0 rEinleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

18

Expansion des Universums

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

19

Hintergrundstrahlung

Entstanden durch haumlufige Streuung der Photonen an Elektronen in der Photonen-Aumlra

1948 vorhergesagt

1964 zufaumlllig gemessen (1978 Nobelpreis)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Schwarzkoumlrperspektrum

20

Hintergrundstrahlung

Sehr isotrop jedoch geringe Anisotropie mit besser werdenden Messgeraumlten festgestellt (WMAP)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Informationen uumlber Dichteschwankungen

21

Hintergrundstrahlung

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Nur uumlber Urknallmodel erklaumlrbar

Hintergrundstrahlung und deren Spektrum

22

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Verhaumlltnis NnNp asymp 17 (aus Leptonen Aumlra)

Alle Neutronen in He =gt Rest an Protonen fuumlr Wasserstoff

Nuklidkarte keine Kerne mit 5 oder 8 Nukleonen die dazwischen groszligteils instabil

Wasserstoff

Helium

schwerer

Verteilung der baryonischen Materie

23

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

N

Z

0 1 2 3 4 5 6 7

24

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

S Skalenfaktor

Ω0 Dichteparameter

25

Probleme

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

bull Dunkle Materie

bull Inflation

Dunkle Materie Energie

Inflation

Felder mit abstoszligender Gravitation noumltig bislang nicht gefunden

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

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2

Vom Urknall bis

3

Die 4 Ecksteine der KosmologieDie 4 Ecksteine der Kosmologie

bull Expansion des Universumsbull Universum begann mit einem BIG BANG vor ca 137 Milliarden Jahrenbull Das Universum expandiertbull Das Universum ist auf groszligen Laumlngen isotrop und homogen

bull Ursprung der kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB) bull Die CMB ist der Uumlberrest des heiszligen Urknallsbull Die letzte Streuflaumlche stellt die letzte WW von Strahlung und Materie darbull Die Strahlungstemperatur des CMB entwickelte sich von 3000K nach 27K

bull Nukleosynthese der leichten Elemente bull Kernbausteine verschmelzen in den ersten drei Minuten zu den leichten Kernen Wasserstoff und Heliumbull Das Urknall-Modell sagt korrekt das Verhaumlltnis von Wasserstoff zu Helium voraus ~25

bullEntstehung von Galaxien und Galaxienhaufen bull Strukturentstehung beginnt nach der Entkopplung von Materie und Strahlung bull Das Urknall-Modell stellt den Rahmen dar in dem sich die Strukturentstehung verstehen laumlsst

4

Die Geschichte des UniversumsDie Geschichte des Universumst=0T=infin

Atoms

Matt

er

Clu

mpin

gHe

-

+

q-

q+Wplusmn

Zo

InitialSingularity

Form

ati

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Life

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Epoch

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Inflation

10-35s1027K

Planck

Tim

e

10-43s1031K

5

Die Geschichte des UniversumsDie Geschichte des UniversumsEpochen

Epoch Time To(K) (kgm3)

Big Bang 0 Birth of the Universe

Planck Era lt10-43s gt1031 gt1097 String Theory Quantum Cosmology

Inflation Era lt10-35s gt1027 Symmetry Breaking -gt Exponential Expansion

Quark Era lt10-23s gt1022 gt1058 Free Quarks in Thermal Equilibrium

Hadron Era lt10-4s gt1012 gt1017 Matter Anti Matter Asymmetry

Lepton Era lt100s gt1010 gt108 Rapid Expansioncooling (leptonsphotons equilibrium)

Radiation Era lt106yr gt3000 gt10-19 Nucleosynthesis Decoupling

Matter Era gt106yr lt3000 lt10-19 Structure Formation first galaxies

Acceleration Era present 3 lt10-27 Acceleration phase of the Universe

6

Die Planckwelt und die anfaumlngliche Die Planckwelt und die anfaumlngliche SingularitaumltSingularitaumltAm Anfanghelliphellip

Planck Aumlra = 0 - 10-43 s nach dem Urknall

Zeit laumluft ruumlckwaumlrts

t 0

R 0

T

Anfangssingularitaumlt ndash Der Anfang

bull tlt10-43s bekannt als die Planckaumlrabull Quanteneffekte werden wichtigbull Einsteinrsquos Theorie der Gravitation bricht zusammen

Planckzeit wird uumlber die Unbestimmtheitsrelation definiert

Et mpc2tp p (ctp )3c 2tp

c 5tp4

Gtp2

Mit der Planckzeit tp

bull Planck Laumlnge lp ctp

bull Planck Dichte p 1Gtp2

bull Planck Masse mp p

lp3

tp G

c 5

1 2

10 43 s lp G

c 3

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17x10 35 m p c 5

G21096 kgm 3

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25x10 8 kg EP mpc2

c 5

G

1 2

1019GeV TP EP

kB

c 5

kB2G

1 2

1032K

7

Planck Aumlra Aumlra der Quantengravitation

Gravitation (Einstein)

Schwarzschildradius (Ereignishorizont)

Quantenmechanik

Unschaumlrferelation

2c

Gml Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

mc

hc

sc

Gt

mc

Ghl

kgG

cm

Planck

Planck

Planck

445

323

8

10395

10621

10182

9

10

GUT Aumlra

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 10-43 s

Existenz von MaterieBaryonenasymmetrie

11

Elektroschwache Aumlra

Es entstand das noch heute bestehende Verhaumlltnis

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

- Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

910)(

)( PhotonenAnzahl

QuarksAnzahl

Ab 10-34 s

12

Leptonen Aumlra

Quarks aus dem Quark-Gluon-Plasma bilden Baryonen und Mesonen

Antimaterie verschwunden

Neutrinos entkoppeln

Neutronen-Protonen-Verhaumlltnis 17 entsteht

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 10-10 s

13

Photonen Aumlra

Es ist heiszlig genug damit durch Fusion leichte Kerne entstehen koumlnnen aber nicht mehr heiszlig genug dass die Photonen diesen Prozess ruumlckgaumlngig machen koumlnnten

Deuterium Helium Lithium (Kerne) entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 102 s

14

Universum wird transparent

Die Kerne koumlnnen Elektronen an sich binden

Keine Streuung von Photonen an freien Elektronen

Universum wird bdquodurchsichtigldquo

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 300000 a

15

Galaxien und Sterne entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 1 Mrd a

16

Wodurch wird sie gestuumltzt

Expansion des Universums

Hintergrundstrahlung

Haumlufigkeit der Elemente

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

17

Expansion des Universums

Hubble (1929) v = H0 rEinleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

18

Expansion des Universums

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

19

Hintergrundstrahlung

Entstanden durch haumlufige Streuung der Photonen an Elektronen in der Photonen-Aumlra

1948 vorhergesagt

1964 zufaumlllig gemessen (1978 Nobelpreis)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Schwarzkoumlrperspektrum

20

Hintergrundstrahlung

Sehr isotrop jedoch geringe Anisotropie mit besser werdenden Messgeraumlten festgestellt (WMAP)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Informationen uumlber Dichteschwankungen

21

Hintergrundstrahlung

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Nur uumlber Urknallmodel erklaumlrbar

Hintergrundstrahlung und deren Spektrum

22

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Verhaumlltnis NnNp asymp 17 (aus Leptonen Aumlra)

Alle Neutronen in He =gt Rest an Protonen fuumlr Wasserstoff

Nuklidkarte keine Kerne mit 5 oder 8 Nukleonen die dazwischen groszligteils instabil

Wasserstoff

Helium

schwerer

Verteilung der baryonischen Materie

23

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

N

Z

0 1 2 3 4 5 6 7

24

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

S Skalenfaktor

Ω0 Dichteparameter

25

Probleme

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

bull Dunkle Materie

bull Inflation

Dunkle Materie Energie

Inflation

Felder mit abstoszligender Gravitation noumltig bislang nicht gefunden

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 3: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

3

Die 4 Ecksteine der KosmologieDie 4 Ecksteine der Kosmologie

bull Expansion des Universumsbull Universum begann mit einem BIG BANG vor ca 137 Milliarden Jahrenbull Das Universum expandiertbull Das Universum ist auf groszligen Laumlngen isotrop und homogen

bull Ursprung der kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB) bull Die CMB ist der Uumlberrest des heiszligen Urknallsbull Die letzte Streuflaumlche stellt die letzte WW von Strahlung und Materie darbull Die Strahlungstemperatur des CMB entwickelte sich von 3000K nach 27K

bull Nukleosynthese der leichten Elemente bull Kernbausteine verschmelzen in den ersten drei Minuten zu den leichten Kernen Wasserstoff und Heliumbull Das Urknall-Modell sagt korrekt das Verhaumlltnis von Wasserstoff zu Helium voraus ~25

bullEntstehung von Galaxien und Galaxienhaufen bull Strukturentstehung beginnt nach der Entkopplung von Materie und Strahlung bull Das Urknall-Modell stellt den Rahmen dar in dem sich die Strukturentstehung verstehen laumlsst

4

Die Geschichte des UniversumsDie Geschichte des Universumst=0T=infin

Atoms

Matt

er

Clu

mpin

gHe

-

+

q-

q+Wplusmn

Zo

InitialSingularity

Form

ati

on o

f Sola

r Sys

tem

and B

irth

of

Life

1010yrs273K

Epoch

of

Gala

xy F

orm

ati

on

109yrs30K

Firs

t Sta

rs a

nd G

ala

xies

(re-ioniz

ation)

107yrs300K

Epoch

of

Reco

mbin

ati

on

3x105yrs3000K

Prim

ord

ial N

ucl

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nth

esi

s

3mins109K

n-p

rati

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reeze

s

4s5x109K

e d

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e

plusmn a

nnih

ilate

1s109K

Hadro

n-L

epto

n R

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ions

shift

-gt P

roto

n

001s1011K

-

+ a

nnih

ilati

on

10-4s1012K

quark

- a

ntiquark

annih

ilati

on

10-6s1013K

E-W

Phase

Tra

nsi

tion

10-12s1015K

Inflation

10-35s1027K

Planck

Tim

e

10-43s1031K

5

Die Geschichte des UniversumsDie Geschichte des UniversumsEpochen

Epoch Time To(K) (kgm3)

Big Bang 0 Birth of the Universe

Planck Era lt10-43s gt1031 gt1097 String Theory Quantum Cosmology

Inflation Era lt10-35s gt1027 Symmetry Breaking -gt Exponential Expansion

Quark Era lt10-23s gt1022 gt1058 Free Quarks in Thermal Equilibrium

Hadron Era lt10-4s gt1012 gt1017 Matter Anti Matter Asymmetry

Lepton Era lt100s gt1010 gt108 Rapid Expansioncooling (leptonsphotons equilibrium)

Radiation Era lt106yr gt3000 gt10-19 Nucleosynthesis Decoupling

Matter Era gt106yr lt3000 lt10-19 Structure Formation first galaxies

Acceleration Era present 3 lt10-27 Acceleration phase of the Universe

6

Die Planckwelt und die anfaumlngliche Die Planckwelt und die anfaumlngliche SingularitaumltSingularitaumltAm Anfanghelliphellip

Planck Aumlra = 0 - 10-43 s nach dem Urknall

Zeit laumluft ruumlckwaumlrts

t 0

R 0

T

Anfangssingularitaumlt ndash Der Anfang

bull tlt10-43s bekannt als die Planckaumlrabull Quanteneffekte werden wichtigbull Einsteinrsquos Theorie der Gravitation bricht zusammen

Planckzeit wird uumlber die Unbestimmtheitsrelation definiert

Et mpc2tp p (ctp )3c 2tp

c 5tp4

Gtp2

Mit der Planckzeit tp

bull Planck Laumlnge lp ctp

bull Planck Dichte p 1Gtp2

bull Planck Masse mp p

lp3

tp G

c 5

1 2

10 43 s lp G

c 3

1 2

17x10 35 m p c 5

G21096 kgm 3

mp c

G

1 2

25x10 8 kg EP mpc2

c 5

G

1 2

1019GeV TP EP

kB

c 5

kB2G

1 2

1032K

7

Planck Aumlra Aumlra der Quantengravitation

Gravitation (Einstein)

Schwarzschildradius (Ereignishorizont)

Quantenmechanik

Unschaumlrferelation

2c

Gml Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

mc

hc

sc

Gt

mc

Ghl

kgG

cm

Planck

Planck

Planck

445

323

8

10395

10621

10182

9

10

GUT Aumlra

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 10-43 s

Existenz von MaterieBaryonenasymmetrie

11

Elektroschwache Aumlra

Es entstand das noch heute bestehende Verhaumlltnis

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

- Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

910)(

)( PhotonenAnzahl

QuarksAnzahl

Ab 10-34 s

12

Leptonen Aumlra

Quarks aus dem Quark-Gluon-Plasma bilden Baryonen und Mesonen

Antimaterie verschwunden

Neutrinos entkoppeln

Neutronen-Protonen-Verhaumlltnis 17 entsteht

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 10-10 s

13

Photonen Aumlra

Es ist heiszlig genug damit durch Fusion leichte Kerne entstehen koumlnnen aber nicht mehr heiszlig genug dass die Photonen diesen Prozess ruumlckgaumlngig machen koumlnnten

Deuterium Helium Lithium (Kerne) entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 102 s

14

Universum wird transparent

Die Kerne koumlnnen Elektronen an sich binden

Keine Streuung von Photonen an freien Elektronen

Universum wird bdquodurchsichtigldquo

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 300000 a

15

Galaxien und Sterne entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 1 Mrd a

16

Wodurch wird sie gestuumltzt

Expansion des Universums

Hintergrundstrahlung

Haumlufigkeit der Elemente

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

17

Expansion des Universums

Hubble (1929) v = H0 rEinleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

18

Expansion des Universums

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

19

Hintergrundstrahlung

Entstanden durch haumlufige Streuung der Photonen an Elektronen in der Photonen-Aumlra

1948 vorhergesagt

1964 zufaumlllig gemessen (1978 Nobelpreis)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Schwarzkoumlrperspektrum

20

Hintergrundstrahlung

Sehr isotrop jedoch geringe Anisotropie mit besser werdenden Messgeraumlten festgestellt (WMAP)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Informationen uumlber Dichteschwankungen

21

Hintergrundstrahlung

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Nur uumlber Urknallmodel erklaumlrbar

Hintergrundstrahlung und deren Spektrum

22

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Verhaumlltnis NnNp asymp 17 (aus Leptonen Aumlra)

Alle Neutronen in He =gt Rest an Protonen fuumlr Wasserstoff

Nuklidkarte keine Kerne mit 5 oder 8 Nukleonen die dazwischen groszligteils instabil

Wasserstoff

Helium

schwerer

Verteilung der baryonischen Materie

23

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

N

Z

0 1 2 3 4 5 6 7

24

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

S Skalenfaktor

Ω0 Dichteparameter

25

Probleme

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

bull Dunkle Materie

bull Inflation

Dunkle Materie Energie

Inflation

Felder mit abstoszligender Gravitation noumltig bislang nicht gefunden

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 4: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

4

Die Geschichte des UniversumsDie Geschichte des Universumst=0T=infin

Atoms

Matt

er

Clu

mpin

gHe

-

+

q-

q+Wplusmn

Zo

InitialSingularity

Form

ati

on o

f Sola

r Sys

tem

and B

irth

of

Life

1010yrs273K

Epoch

of

Gala

xy F

orm

ati

on

109yrs30K

Firs

t Sta

rs a

nd G

ala

xies

(re-ioniz

ation)

107yrs300K

Epoch

of

Reco

mbin

ati

on

3x105yrs3000K

Prim

ord

ial N

ucl

eosy

nth

esi

s

3mins109K

n-p

rati

o f

reeze

s

4s5x109K

e d

eco

uple

e

plusmn a

nnih

ilate

1s109K

Hadro

n-L

epto

n R

eact

ions

shift

-gt P

roto

n

001s1011K

-

+ a

nnih

ilati

on

10-4s1012K

quark

- a

ntiquark

annih

ilati

on

10-6s1013K

E-W

Phase

Tra

nsi

tion

10-12s1015K

Inflation

10-35s1027K

Planck

Tim

e

10-43s1031K

5

Die Geschichte des UniversumsDie Geschichte des UniversumsEpochen

Epoch Time To(K) (kgm3)

Big Bang 0 Birth of the Universe

Planck Era lt10-43s gt1031 gt1097 String Theory Quantum Cosmology

Inflation Era lt10-35s gt1027 Symmetry Breaking -gt Exponential Expansion

Quark Era lt10-23s gt1022 gt1058 Free Quarks in Thermal Equilibrium

Hadron Era lt10-4s gt1012 gt1017 Matter Anti Matter Asymmetry

Lepton Era lt100s gt1010 gt108 Rapid Expansioncooling (leptonsphotons equilibrium)

Radiation Era lt106yr gt3000 gt10-19 Nucleosynthesis Decoupling

Matter Era gt106yr lt3000 lt10-19 Structure Formation first galaxies

Acceleration Era present 3 lt10-27 Acceleration phase of the Universe

6

Die Planckwelt und die anfaumlngliche Die Planckwelt und die anfaumlngliche SingularitaumltSingularitaumltAm Anfanghelliphellip

Planck Aumlra = 0 - 10-43 s nach dem Urknall

Zeit laumluft ruumlckwaumlrts

t 0

R 0

T

Anfangssingularitaumlt ndash Der Anfang

bull tlt10-43s bekannt als die Planckaumlrabull Quanteneffekte werden wichtigbull Einsteinrsquos Theorie der Gravitation bricht zusammen

Planckzeit wird uumlber die Unbestimmtheitsrelation definiert

Et mpc2tp p (ctp )3c 2tp

c 5tp4

Gtp2

Mit der Planckzeit tp

bull Planck Laumlnge lp ctp

bull Planck Dichte p 1Gtp2

bull Planck Masse mp p

lp3

tp G

c 5

1 2

10 43 s lp G

c 3

1 2

17x10 35 m p c 5

G21096 kgm 3

mp c

G

1 2

25x10 8 kg EP mpc2

c 5

G

1 2

1019GeV TP EP

kB

c 5

kB2G

1 2

1032K

7

Planck Aumlra Aumlra der Quantengravitation

Gravitation (Einstein)

Schwarzschildradius (Ereignishorizont)

Quantenmechanik

Unschaumlrferelation

2c

Gml Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

mc

hc

sc

Gt

mc

Ghl

kgG

cm

Planck

Planck

Planck

445

323

8

10395

10621

10182

9

10

GUT Aumlra

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 10-43 s

Existenz von MaterieBaryonenasymmetrie

11

Elektroschwache Aumlra

Es entstand das noch heute bestehende Verhaumlltnis

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

- Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

910)(

)( PhotonenAnzahl

QuarksAnzahl

Ab 10-34 s

12

Leptonen Aumlra

Quarks aus dem Quark-Gluon-Plasma bilden Baryonen und Mesonen

Antimaterie verschwunden

Neutrinos entkoppeln

Neutronen-Protonen-Verhaumlltnis 17 entsteht

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 10-10 s

13

Photonen Aumlra

Es ist heiszlig genug damit durch Fusion leichte Kerne entstehen koumlnnen aber nicht mehr heiszlig genug dass die Photonen diesen Prozess ruumlckgaumlngig machen koumlnnten

Deuterium Helium Lithium (Kerne) entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 102 s

14

Universum wird transparent

Die Kerne koumlnnen Elektronen an sich binden

Keine Streuung von Photonen an freien Elektronen

Universum wird bdquodurchsichtigldquo

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 300000 a

15

Galaxien und Sterne entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 1 Mrd a

16

Wodurch wird sie gestuumltzt

Expansion des Universums

Hintergrundstrahlung

Haumlufigkeit der Elemente

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

17

Expansion des Universums

Hubble (1929) v = H0 rEinleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

18

Expansion des Universums

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

19

Hintergrundstrahlung

Entstanden durch haumlufige Streuung der Photonen an Elektronen in der Photonen-Aumlra

1948 vorhergesagt

1964 zufaumlllig gemessen (1978 Nobelpreis)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Schwarzkoumlrperspektrum

20

Hintergrundstrahlung

Sehr isotrop jedoch geringe Anisotropie mit besser werdenden Messgeraumlten festgestellt (WMAP)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Informationen uumlber Dichteschwankungen

21

Hintergrundstrahlung

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Nur uumlber Urknallmodel erklaumlrbar

Hintergrundstrahlung und deren Spektrum

22

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Verhaumlltnis NnNp asymp 17 (aus Leptonen Aumlra)

Alle Neutronen in He =gt Rest an Protonen fuumlr Wasserstoff

Nuklidkarte keine Kerne mit 5 oder 8 Nukleonen die dazwischen groszligteils instabil

Wasserstoff

Helium

schwerer

Verteilung der baryonischen Materie

23

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

N

Z

0 1 2 3 4 5 6 7

24

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

S Skalenfaktor

Ω0 Dichteparameter

25

Probleme

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

bull Dunkle Materie

bull Inflation

Dunkle Materie Energie

Inflation

Felder mit abstoszligender Gravitation noumltig bislang nicht gefunden

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 5: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

5

Die Geschichte des UniversumsDie Geschichte des UniversumsEpochen

Epoch Time To(K) (kgm3)

Big Bang 0 Birth of the Universe

Planck Era lt10-43s gt1031 gt1097 String Theory Quantum Cosmology

Inflation Era lt10-35s gt1027 Symmetry Breaking -gt Exponential Expansion

Quark Era lt10-23s gt1022 gt1058 Free Quarks in Thermal Equilibrium

Hadron Era lt10-4s gt1012 gt1017 Matter Anti Matter Asymmetry

Lepton Era lt100s gt1010 gt108 Rapid Expansioncooling (leptonsphotons equilibrium)

Radiation Era lt106yr gt3000 gt10-19 Nucleosynthesis Decoupling

Matter Era gt106yr lt3000 lt10-19 Structure Formation first galaxies

Acceleration Era present 3 lt10-27 Acceleration phase of the Universe

6

Die Planckwelt und die anfaumlngliche Die Planckwelt und die anfaumlngliche SingularitaumltSingularitaumltAm Anfanghelliphellip

Planck Aumlra = 0 - 10-43 s nach dem Urknall

Zeit laumluft ruumlckwaumlrts

t 0

R 0

T

Anfangssingularitaumlt ndash Der Anfang

bull tlt10-43s bekannt als die Planckaumlrabull Quanteneffekte werden wichtigbull Einsteinrsquos Theorie der Gravitation bricht zusammen

Planckzeit wird uumlber die Unbestimmtheitsrelation definiert

Et mpc2tp p (ctp )3c 2tp

c 5tp4

Gtp2

Mit der Planckzeit tp

bull Planck Laumlnge lp ctp

bull Planck Dichte p 1Gtp2

bull Planck Masse mp p

lp3

tp G

c 5

1 2

10 43 s lp G

c 3

1 2

17x10 35 m p c 5

G21096 kgm 3

mp c

G

1 2

25x10 8 kg EP mpc2

c 5

G

1 2

1019GeV TP EP

kB

c 5

kB2G

1 2

1032K

7

Planck Aumlra Aumlra der Quantengravitation

Gravitation (Einstein)

Schwarzschildradius (Ereignishorizont)

Quantenmechanik

Unschaumlrferelation

2c

Gml Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

mc

hc

sc

Gt

mc

Ghl

kgG

cm

Planck

Planck

Planck

445

323

8

10395

10621

10182

9

10

GUT Aumlra

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 10-43 s

Existenz von MaterieBaryonenasymmetrie

11

Elektroschwache Aumlra

Es entstand das noch heute bestehende Verhaumlltnis

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

- Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

910)(

)( PhotonenAnzahl

QuarksAnzahl

Ab 10-34 s

12

Leptonen Aumlra

Quarks aus dem Quark-Gluon-Plasma bilden Baryonen und Mesonen

Antimaterie verschwunden

Neutrinos entkoppeln

Neutronen-Protonen-Verhaumlltnis 17 entsteht

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 10-10 s

13

Photonen Aumlra

Es ist heiszlig genug damit durch Fusion leichte Kerne entstehen koumlnnen aber nicht mehr heiszlig genug dass die Photonen diesen Prozess ruumlckgaumlngig machen koumlnnten

Deuterium Helium Lithium (Kerne) entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 102 s

14

Universum wird transparent

Die Kerne koumlnnen Elektronen an sich binden

Keine Streuung von Photonen an freien Elektronen

Universum wird bdquodurchsichtigldquo

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 300000 a

15

Galaxien und Sterne entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 1 Mrd a

16

Wodurch wird sie gestuumltzt

Expansion des Universums

Hintergrundstrahlung

Haumlufigkeit der Elemente

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

17

Expansion des Universums

Hubble (1929) v = H0 rEinleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

18

Expansion des Universums

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

19

Hintergrundstrahlung

Entstanden durch haumlufige Streuung der Photonen an Elektronen in der Photonen-Aumlra

1948 vorhergesagt

1964 zufaumlllig gemessen (1978 Nobelpreis)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Schwarzkoumlrperspektrum

20

Hintergrundstrahlung

Sehr isotrop jedoch geringe Anisotropie mit besser werdenden Messgeraumlten festgestellt (WMAP)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Informationen uumlber Dichteschwankungen

21

Hintergrundstrahlung

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Nur uumlber Urknallmodel erklaumlrbar

Hintergrundstrahlung und deren Spektrum

22

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Verhaumlltnis NnNp asymp 17 (aus Leptonen Aumlra)

Alle Neutronen in He =gt Rest an Protonen fuumlr Wasserstoff

Nuklidkarte keine Kerne mit 5 oder 8 Nukleonen die dazwischen groszligteils instabil

Wasserstoff

Helium

schwerer

Verteilung der baryonischen Materie

23

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

N

Z

0 1 2 3 4 5 6 7

24

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

S Skalenfaktor

Ω0 Dichteparameter

25

Probleme

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

bull Dunkle Materie

bull Inflation

Dunkle Materie Energie

Inflation

Felder mit abstoszligender Gravitation noumltig bislang nicht gefunden

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 6: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

6

Die Planckwelt und die anfaumlngliche Die Planckwelt und die anfaumlngliche SingularitaumltSingularitaumltAm Anfanghelliphellip

Planck Aumlra = 0 - 10-43 s nach dem Urknall

Zeit laumluft ruumlckwaumlrts

t 0

R 0

T

Anfangssingularitaumlt ndash Der Anfang

bull tlt10-43s bekannt als die Planckaumlrabull Quanteneffekte werden wichtigbull Einsteinrsquos Theorie der Gravitation bricht zusammen

Planckzeit wird uumlber die Unbestimmtheitsrelation definiert

Et mpc2tp p (ctp )3c 2tp

c 5tp4

Gtp2

Mit der Planckzeit tp

bull Planck Laumlnge lp ctp

bull Planck Dichte p 1Gtp2

bull Planck Masse mp p

lp3

tp G

c 5

1 2

10 43 s lp G

c 3

1 2

17x10 35 m p c 5

G21096 kgm 3

mp c

G

1 2

25x10 8 kg EP mpc2

c 5

G

1 2

1019GeV TP EP

kB

c 5

kB2G

1 2

1032K

7

Planck Aumlra Aumlra der Quantengravitation

Gravitation (Einstein)

Schwarzschildradius (Ereignishorizont)

Quantenmechanik

Unschaumlrferelation

2c

Gml Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

mc

hc

sc

Gt

mc

Ghl

kgG

cm

Planck

Planck

Planck

445

323

8

10395

10621

10182

9

10

GUT Aumlra

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 10-43 s

Existenz von MaterieBaryonenasymmetrie

11

Elektroschwache Aumlra

Es entstand das noch heute bestehende Verhaumlltnis

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

- Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

910)(

)( PhotonenAnzahl

QuarksAnzahl

Ab 10-34 s

12

Leptonen Aumlra

Quarks aus dem Quark-Gluon-Plasma bilden Baryonen und Mesonen

Antimaterie verschwunden

Neutrinos entkoppeln

Neutronen-Protonen-Verhaumlltnis 17 entsteht

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 10-10 s

13

Photonen Aumlra

Es ist heiszlig genug damit durch Fusion leichte Kerne entstehen koumlnnen aber nicht mehr heiszlig genug dass die Photonen diesen Prozess ruumlckgaumlngig machen koumlnnten

Deuterium Helium Lithium (Kerne) entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 102 s

14

Universum wird transparent

Die Kerne koumlnnen Elektronen an sich binden

Keine Streuung von Photonen an freien Elektronen

Universum wird bdquodurchsichtigldquo

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 300000 a

15

Galaxien und Sterne entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 1 Mrd a

16

Wodurch wird sie gestuumltzt

Expansion des Universums

Hintergrundstrahlung

Haumlufigkeit der Elemente

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

17

Expansion des Universums

Hubble (1929) v = H0 rEinleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

18

Expansion des Universums

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

19

Hintergrundstrahlung

Entstanden durch haumlufige Streuung der Photonen an Elektronen in der Photonen-Aumlra

1948 vorhergesagt

1964 zufaumlllig gemessen (1978 Nobelpreis)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Schwarzkoumlrperspektrum

20

Hintergrundstrahlung

Sehr isotrop jedoch geringe Anisotropie mit besser werdenden Messgeraumlten festgestellt (WMAP)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Informationen uumlber Dichteschwankungen

21

Hintergrundstrahlung

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Nur uumlber Urknallmodel erklaumlrbar

Hintergrundstrahlung und deren Spektrum

22

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Verhaumlltnis NnNp asymp 17 (aus Leptonen Aumlra)

Alle Neutronen in He =gt Rest an Protonen fuumlr Wasserstoff

Nuklidkarte keine Kerne mit 5 oder 8 Nukleonen die dazwischen groszligteils instabil

Wasserstoff

Helium

schwerer

Verteilung der baryonischen Materie

23

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

N

Z

0 1 2 3 4 5 6 7

24

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

S Skalenfaktor

Ω0 Dichteparameter

25

Probleme

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

bull Dunkle Materie

bull Inflation

Dunkle Materie Energie

Inflation

Felder mit abstoszligender Gravitation noumltig bislang nicht gefunden

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 7: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

7

Planck Aumlra Aumlra der Quantengravitation

Gravitation (Einstein)

Schwarzschildradius (Ereignishorizont)

Quantenmechanik

Unschaumlrferelation

2c

Gml Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

mc

hc

sc

Gt

mc

Ghl

kgG

cm

Planck

Planck

Planck

445

323

8

10395

10621

10182

9

10

GUT Aumlra

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 10-43 s

Existenz von MaterieBaryonenasymmetrie

11

Elektroschwache Aumlra

Es entstand das noch heute bestehende Verhaumlltnis

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

- Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

910)(

)( PhotonenAnzahl

QuarksAnzahl

Ab 10-34 s

12

Leptonen Aumlra

Quarks aus dem Quark-Gluon-Plasma bilden Baryonen und Mesonen

Antimaterie verschwunden

Neutrinos entkoppeln

Neutronen-Protonen-Verhaumlltnis 17 entsteht

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 10-10 s

13

Photonen Aumlra

Es ist heiszlig genug damit durch Fusion leichte Kerne entstehen koumlnnen aber nicht mehr heiszlig genug dass die Photonen diesen Prozess ruumlckgaumlngig machen koumlnnten

Deuterium Helium Lithium (Kerne) entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 102 s

14

Universum wird transparent

Die Kerne koumlnnen Elektronen an sich binden

Keine Streuung von Photonen an freien Elektronen

Universum wird bdquodurchsichtigldquo

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 300000 a

15

Galaxien und Sterne entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 1 Mrd a

16

Wodurch wird sie gestuumltzt

Expansion des Universums

Hintergrundstrahlung

Haumlufigkeit der Elemente

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

17

Expansion des Universums

Hubble (1929) v = H0 rEinleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

18

Expansion des Universums

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

19

Hintergrundstrahlung

Entstanden durch haumlufige Streuung der Photonen an Elektronen in der Photonen-Aumlra

1948 vorhergesagt

1964 zufaumlllig gemessen (1978 Nobelpreis)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Schwarzkoumlrperspektrum

20

Hintergrundstrahlung

Sehr isotrop jedoch geringe Anisotropie mit besser werdenden Messgeraumlten festgestellt (WMAP)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Informationen uumlber Dichteschwankungen

21

Hintergrundstrahlung

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Nur uumlber Urknallmodel erklaumlrbar

Hintergrundstrahlung und deren Spektrum

22

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Verhaumlltnis NnNp asymp 17 (aus Leptonen Aumlra)

Alle Neutronen in He =gt Rest an Protonen fuumlr Wasserstoff

Nuklidkarte keine Kerne mit 5 oder 8 Nukleonen die dazwischen groszligteils instabil

Wasserstoff

Helium

schwerer

Verteilung der baryonischen Materie

23

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

N

Z

0 1 2 3 4 5 6 7

24

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

S Skalenfaktor

Ω0 Dichteparameter

25

Probleme

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

bull Dunkle Materie

bull Inflation

Dunkle Materie Energie

Inflation

Felder mit abstoszligender Gravitation noumltig bislang nicht gefunden

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 8: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

9

10

GUT Aumlra

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 10-43 s

Existenz von MaterieBaryonenasymmetrie

11

Elektroschwache Aumlra

Es entstand das noch heute bestehende Verhaumlltnis

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

- Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

910)(

)( PhotonenAnzahl

QuarksAnzahl

Ab 10-34 s

12

Leptonen Aumlra

Quarks aus dem Quark-Gluon-Plasma bilden Baryonen und Mesonen

Antimaterie verschwunden

Neutrinos entkoppeln

Neutronen-Protonen-Verhaumlltnis 17 entsteht

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 10-10 s

13

Photonen Aumlra

Es ist heiszlig genug damit durch Fusion leichte Kerne entstehen koumlnnen aber nicht mehr heiszlig genug dass die Photonen diesen Prozess ruumlckgaumlngig machen koumlnnten

Deuterium Helium Lithium (Kerne) entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 102 s

14

Universum wird transparent

Die Kerne koumlnnen Elektronen an sich binden

Keine Streuung von Photonen an freien Elektronen

Universum wird bdquodurchsichtigldquo

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 300000 a

15

Galaxien und Sterne entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 1 Mrd a

16

Wodurch wird sie gestuumltzt

Expansion des Universums

Hintergrundstrahlung

Haumlufigkeit der Elemente

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

17

Expansion des Universums

Hubble (1929) v = H0 rEinleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

18

Expansion des Universums

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

19

Hintergrundstrahlung

Entstanden durch haumlufige Streuung der Photonen an Elektronen in der Photonen-Aumlra

1948 vorhergesagt

1964 zufaumlllig gemessen (1978 Nobelpreis)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Schwarzkoumlrperspektrum

20

Hintergrundstrahlung

Sehr isotrop jedoch geringe Anisotropie mit besser werdenden Messgeraumlten festgestellt (WMAP)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Informationen uumlber Dichteschwankungen

21

Hintergrundstrahlung

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Nur uumlber Urknallmodel erklaumlrbar

Hintergrundstrahlung und deren Spektrum

22

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Verhaumlltnis NnNp asymp 17 (aus Leptonen Aumlra)

Alle Neutronen in He =gt Rest an Protonen fuumlr Wasserstoff

Nuklidkarte keine Kerne mit 5 oder 8 Nukleonen die dazwischen groszligteils instabil

Wasserstoff

Helium

schwerer

Verteilung der baryonischen Materie

23

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

N

Z

0 1 2 3 4 5 6 7

24

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

S Skalenfaktor

Ω0 Dichteparameter

25

Probleme

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

bull Dunkle Materie

bull Inflation

Dunkle Materie Energie

Inflation

Felder mit abstoszligender Gravitation noumltig bislang nicht gefunden

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 9: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

10

GUT Aumlra

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 10-43 s

Existenz von MaterieBaryonenasymmetrie

11

Elektroschwache Aumlra

Es entstand das noch heute bestehende Verhaumlltnis

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

- Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

910)(

)( PhotonenAnzahl

QuarksAnzahl

Ab 10-34 s

12

Leptonen Aumlra

Quarks aus dem Quark-Gluon-Plasma bilden Baryonen und Mesonen

Antimaterie verschwunden

Neutrinos entkoppeln

Neutronen-Protonen-Verhaumlltnis 17 entsteht

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 10-10 s

13

Photonen Aumlra

Es ist heiszlig genug damit durch Fusion leichte Kerne entstehen koumlnnen aber nicht mehr heiszlig genug dass die Photonen diesen Prozess ruumlckgaumlngig machen koumlnnten

Deuterium Helium Lithium (Kerne) entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 102 s

14

Universum wird transparent

Die Kerne koumlnnen Elektronen an sich binden

Keine Streuung von Photonen an freien Elektronen

Universum wird bdquodurchsichtigldquo

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 300000 a

15

Galaxien und Sterne entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 1 Mrd a

16

Wodurch wird sie gestuumltzt

Expansion des Universums

Hintergrundstrahlung

Haumlufigkeit der Elemente

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

17

Expansion des Universums

Hubble (1929) v = H0 rEinleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

18

Expansion des Universums

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

19

Hintergrundstrahlung

Entstanden durch haumlufige Streuung der Photonen an Elektronen in der Photonen-Aumlra

1948 vorhergesagt

1964 zufaumlllig gemessen (1978 Nobelpreis)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Schwarzkoumlrperspektrum

20

Hintergrundstrahlung

Sehr isotrop jedoch geringe Anisotropie mit besser werdenden Messgeraumlten festgestellt (WMAP)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Informationen uumlber Dichteschwankungen

21

Hintergrundstrahlung

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Nur uumlber Urknallmodel erklaumlrbar

Hintergrundstrahlung und deren Spektrum

22

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Verhaumlltnis NnNp asymp 17 (aus Leptonen Aumlra)

Alle Neutronen in He =gt Rest an Protonen fuumlr Wasserstoff

Nuklidkarte keine Kerne mit 5 oder 8 Nukleonen die dazwischen groszligteils instabil

Wasserstoff

Helium

schwerer

Verteilung der baryonischen Materie

23

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

N

Z

0 1 2 3 4 5 6 7

24

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

S Skalenfaktor

Ω0 Dichteparameter

25

Probleme

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

bull Dunkle Materie

bull Inflation

Dunkle Materie Energie

Inflation

Felder mit abstoszligender Gravitation noumltig bislang nicht gefunden

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 10: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

11

Elektroschwache Aumlra

Es entstand das noch heute bestehende Verhaumlltnis

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

- Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

910)(

)( PhotonenAnzahl

QuarksAnzahl

Ab 10-34 s

12

Leptonen Aumlra

Quarks aus dem Quark-Gluon-Plasma bilden Baryonen und Mesonen

Antimaterie verschwunden

Neutrinos entkoppeln

Neutronen-Protonen-Verhaumlltnis 17 entsteht

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 10-10 s

13

Photonen Aumlra

Es ist heiszlig genug damit durch Fusion leichte Kerne entstehen koumlnnen aber nicht mehr heiszlig genug dass die Photonen diesen Prozess ruumlckgaumlngig machen koumlnnten

Deuterium Helium Lithium (Kerne) entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 102 s

14

Universum wird transparent

Die Kerne koumlnnen Elektronen an sich binden

Keine Streuung von Photonen an freien Elektronen

Universum wird bdquodurchsichtigldquo

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 300000 a

15

Galaxien und Sterne entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 1 Mrd a

16

Wodurch wird sie gestuumltzt

Expansion des Universums

Hintergrundstrahlung

Haumlufigkeit der Elemente

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

17

Expansion des Universums

Hubble (1929) v = H0 rEinleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

18

Expansion des Universums

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

19

Hintergrundstrahlung

Entstanden durch haumlufige Streuung der Photonen an Elektronen in der Photonen-Aumlra

1948 vorhergesagt

1964 zufaumlllig gemessen (1978 Nobelpreis)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Schwarzkoumlrperspektrum

20

Hintergrundstrahlung

Sehr isotrop jedoch geringe Anisotropie mit besser werdenden Messgeraumlten festgestellt (WMAP)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Informationen uumlber Dichteschwankungen

21

Hintergrundstrahlung

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Nur uumlber Urknallmodel erklaumlrbar

Hintergrundstrahlung und deren Spektrum

22

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Verhaumlltnis NnNp asymp 17 (aus Leptonen Aumlra)

Alle Neutronen in He =gt Rest an Protonen fuumlr Wasserstoff

Nuklidkarte keine Kerne mit 5 oder 8 Nukleonen die dazwischen groszligteils instabil

Wasserstoff

Helium

schwerer

Verteilung der baryonischen Materie

23

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

N

Z

0 1 2 3 4 5 6 7

24

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

S Skalenfaktor

Ω0 Dichteparameter

25

Probleme

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

bull Dunkle Materie

bull Inflation

Dunkle Materie Energie

Inflation

Felder mit abstoszligender Gravitation noumltig bislang nicht gefunden

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 11: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

12

Leptonen Aumlra

Quarks aus dem Quark-Gluon-Plasma bilden Baryonen und Mesonen

Antimaterie verschwunden

Neutrinos entkoppeln

Neutronen-Protonen-Verhaumlltnis 17 entsteht

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 10-10 s

13

Photonen Aumlra

Es ist heiszlig genug damit durch Fusion leichte Kerne entstehen koumlnnen aber nicht mehr heiszlig genug dass die Photonen diesen Prozess ruumlckgaumlngig machen koumlnnten

Deuterium Helium Lithium (Kerne) entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 102 s

14

Universum wird transparent

Die Kerne koumlnnen Elektronen an sich binden

Keine Streuung von Photonen an freien Elektronen

Universum wird bdquodurchsichtigldquo

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 300000 a

15

Galaxien und Sterne entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 1 Mrd a

16

Wodurch wird sie gestuumltzt

Expansion des Universums

Hintergrundstrahlung

Haumlufigkeit der Elemente

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

17

Expansion des Universums

Hubble (1929) v = H0 rEinleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

18

Expansion des Universums

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

19

Hintergrundstrahlung

Entstanden durch haumlufige Streuung der Photonen an Elektronen in der Photonen-Aumlra

1948 vorhergesagt

1964 zufaumlllig gemessen (1978 Nobelpreis)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Schwarzkoumlrperspektrum

20

Hintergrundstrahlung

Sehr isotrop jedoch geringe Anisotropie mit besser werdenden Messgeraumlten festgestellt (WMAP)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Informationen uumlber Dichteschwankungen

21

Hintergrundstrahlung

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Nur uumlber Urknallmodel erklaumlrbar

Hintergrundstrahlung und deren Spektrum

22

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Verhaumlltnis NnNp asymp 17 (aus Leptonen Aumlra)

Alle Neutronen in He =gt Rest an Protonen fuumlr Wasserstoff

Nuklidkarte keine Kerne mit 5 oder 8 Nukleonen die dazwischen groszligteils instabil

Wasserstoff

Helium

schwerer

Verteilung der baryonischen Materie

23

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

N

Z

0 1 2 3 4 5 6 7

24

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

S Skalenfaktor

Ω0 Dichteparameter

25

Probleme

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

bull Dunkle Materie

bull Inflation

Dunkle Materie Energie

Inflation

Felder mit abstoszligender Gravitation noumltig bislang nicht gefunden

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 12: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

13

Photonen Aumlra

Es ist heiszlig genug damit durch Fusion leichte Kerne entstehen koumlnnen aber nicht mehr heiszlig genug dass die Photonen diesen Prozess ruumlckgaumlngig machen koumlnnten

Deuterium Helium Lithium (Kerne) entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 102 s

14

Universum wird transparent

Die Kerne koumlnnen Elektronen an sich binden

Keine Streuung von Photonen an freien Elektronen

Universum wird bdquodurchsichtigldquo

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 300000 a

15

Galaxien und Sterne entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 1 Mrd a

16

Wodurch wird sie gestuumltzt

Expansion des Universums

Hintergrundstrahlung

Haumlufigkeit der Elemente

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

17

Expansion des Universums

Hubble (1929) v = H0 rEinleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

18

Expansion des Universums

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

19

Hintergrundstrahlung

Entstanden durch haumlufige Streuung der Photonen an Elektronen in der Photonen-Aumlra

1948 vorhergesagt

1964 zufaumlllig gemessen (1978 Nobelpreis)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Schwarzkoumlrperspektrum

20

Hintergrundstrahlung

Sehr isotrop jedoch geringe Anisotropie mit besser werdenden Messgeraumlten festgestellt (WMAP)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Informationen uumlber Dichteschwankungen

21

Hintergrundstrahlung

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Nur uumlber Urknallmodel erklaumlrbar

Hintergrundstrahlung und deren Spektrum

22

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Verhaumlltnis NnNp asymp 17 (aus Leptonen Aumlra)

Alle Neutronen in He =gt Rest an Protonen fuumlr Wasserstoff

Nuklidkarte keine Kerne mit 5 oder 8 Nukleonen die dazwischen groszligteils instabil

Wasserstoff

Helium

schwerer

Verteilung der baryonischen Materie

23

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

N

Z

0 1 2 3 4 5 6 7

24

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

S Skalenfaktor

Ω0 Dichteparameter

25

Probleme

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

bull Dunkle Materie

bull Inflation

Dunkle Materie Energie

Inflation

Felder mit abstoszligender Gravitation noumltig bislang nicht gefunden

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 13: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

14

Universum wird transparent

Die Kerne koumlnnen Elektronen an sich binden

Keine Streuung von Photonen an freien Elektronen

Universum wird bdquodurchsichtigldquo

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 300000 a

15

Galaxien und Sterne entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 1 Mrd a

16

Wodurch wird sie gestuumltzt

Expansion des Universums

Hintergrundstrahlung

Haumlufigkeit der Elemente

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

17

Expansion des Universums

Hubble (1929) v = H0 rEinleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

18

Expansion des Universums

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

19

Hintergrundstrahlung

Entstanden durch haumlufige Streuung der Photonen an Elektronen in der Photonen-Aumlra

1948 vorhergesagt

1964 zufaumlllig gemessen (1978 Nobelpreis)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Schwarzkoumlrperspektrum

20

Hintergrundstrahlung

Sehr isotrop jedoch geringe Anisotropie mit besser werdenden Messgeraumlten festgestellt (WMAP)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Informationen uumlber Dichteschwankungen

21

Hintergrundstrahlung

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Nur uumlber Urknallmodel erklaumlrbar

Hintergrundstrahlung und deren Spektrum

22

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Verhaumlltnis NnNp asymp 17 (aus Leptonen Aumlra)

Alle Neutronen in He =gt Rest an Protonen fuumlr Wasserstoff

Nuklidkarte keine Kerne mit 5 oder 8 Nukleonen die dazwischen groszligteils instabil

Wasserstoff

Helium

schwerer

Verteilung der baryonischen Materie

23

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

N

Z

0 1 2 3 4 5 6 7

24

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

S Skalenfaktor

Ω0 Dichteparameter

25

Probleme

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

bull Dunkle Materie

bull Inflation

Dunkle Materie Energie

Inflation

Felder mit abstoszligender Gravitation noumltig bislang nicht gefunden

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 14: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

15

Galaxien und Sterne entstehen

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Ablauf

- Planck Aumlra

- GUT Aumlra

-Inflation

- Elektroschwache Aumlra

- Leptonen Aumlra

- Photonen Aumlra

- Universum wird transparent

- Galaxien und Sterne entstehen

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Ab 1 Mrd a

16

Wodurch wird sie gestuumltzt

Expansion des Universums

Hintergrundstrahlung

Haumlufigkeit der Elemente

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

17

Expansion des Universums

Hubble (1929) v = H0 rEinleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

18

Expansion des Universums

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

19

Hintergrundstrahlung

Entstanden durch haumlufige Streuung der Photonen an Elektronen in der Photonen-Aumlra

1948 vorhergesagt

1964 zufaumlllig gemessen (1978 Nobelpreis)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Schwarzkoumlrperspektrum

20

Hintergrundstrahlung

Sehr isotrop jedoch geringe Anisotropie mit besser werdenden Messgeraumlten festgestellt (WMAP)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Informationen uumlber Dichteschwankungen

21

Hintergrundstrahlung

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Nur uumlber Urknallmodel erklaumlrbar

Hintergrundstrahlung und deren Spektrum

22

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Verhaumlltnis NnNp asymp 17 (aus Leptonen Aumlra)

Alle Neutronen in He =gt Rest an Protonen fuumlr Wasserstoff

Nuklidkarte keine Kerne mit 5 oder 8 Nukleonen die dazwischen groszligteils instabil

Wasserstoff

Helium

schwerer

Verteilung der baryonischen Materie

23

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

N

Z

0 1 2 3 4 5 6 7

24

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

S Skalenfaktor

Ω0 Dichteparameter

25

Probleme

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

bull Dunkle Materie

bull Inflation

Dunkle Materie Energie

Inflation

Felder mit abstoszligender Gravitation noumltig bislang nicht gefunden

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 15: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

16

Wodurch wird sie gestuumltzt

Expansion des Universums

Hintergrundstrahlung

Haumlufigkeit der Elemente

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

17

Expansion des Universums

Hubble (1929) v = H0 rEinleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

18

Expansion des Universums

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

19

Hintergrundstrahlung

Entstanden durch haumlufige Streuung der Photonen an Elektronen in der Photonen-Aumlra

1948 vorhergesagt

1964 zufaumlllig gemessen (1978 Nobelpreis)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Schwarzkoumlrperspektrum

20

Hintergrundstrahlung

Sehr isotrop jedoch geringe Anisotropie mit besser werdenden Messgeraumlten festgestellt (WMAP)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Informationen uumlber Dichteschwankungen

21

Hintergrundstrahlung

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Nur uumlber Urknallmodel erklaumlrbar

Hintergrundstrahlung und deren Spektrum

22

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Verhaumlltnis NnNp asymp 17 (aus Leptonen Aumlra)

Alle Neutronen in He =gt Rest an Protonen fuumlr Wasserstoff

Nuklidkarte keine Kerne mit 5 oder 8 Nukleonen die dazwischen groszligteils instabil

Wasserstoff

Helium

schwerer

Verteilung der baryonischen Materie

23

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

N

Z

0 1 2 3 4 5 6 7

24

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

S Skalenfaktor

Ω0 Dichteparameter

25

Probleme

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

bull Dunkle Materie

bull Inflation

Dunkle Materie Energie

Inflation

Felder mit abstoszligender Gravitation noumltig bislang nicht gefunden

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 16: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

17

Expansion des Universums

Hubble (1929) v = H0 rEinleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

18

Expansion des Universums

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

19

Hintergrundstrahlung

Entstanden durch haumlufige Streuung der Photonen an Elektronen in der Photonen-Aumlra

1948 vorhergesagt

1964 zufaumlllig gemessen (1978 Nobelpreis)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Schwarzkoumlrperspektrum

20

Hintergrundstrahlung

Sehr isotrop jedoch geringe Anisotropie mit besser werdenden Messgeraumlten festgestellt (WMAP)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Informationen uumlber Dichteschwankungen

21

Hintergrundstrahlung

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Nur uumlber Urknallmodel erklaumlrbar

Hintergrundstrahlung und deren Spektrum

22

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Verhaumlltnis NnNp asymp 17 (aus Leptonen Aumlra)

Alle Neutronen in He =gt Rest an Protonen fuumlr Wasserstoff

Nuklidkarte keine Kerne mit 5 oder 8 Nukleonen die dazwischen groszligteils instabil

Wasserstoff

Helium

schwerer

Verteilung der baryonischen Materie

23

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

N

Z

0 1 2 3 4 5 6 7

24

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

S Skalenfaktor

Ω0 Dichteparameter

25

Probleme

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

bull Dunkle Materie

bull Inflation

Dunkle Materie Energie

Inflation

Felder mit abstoszligender Gravitation noumltig bislang nicht gefunden

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 17: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

18

Expansion des Universums

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

19

Hintergrundstrahlung

Entstanden durch haumlufige Streuung der Photonen an Elektronen in der Photonen-Aumlra

1948 vorhergesagt

1964 zufaumlllig gemessen (1978 Nobelpreis)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Schwarzkoumlrperspektrum

20

Hintergrundstrahlung

Sehr isotrop jedoch geringe Anisotropie mit besser werdenden Messgeraumlten festgestellt (WMAP)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Informationen uumlber Dichteschwankungen

21

Hintergrundstrahlung

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Nur uumlber Urknallmodel erklaumlrbar

Hintergrundstrahlung und deren Spektrum

22

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Verhaumlltnis NnNp asymp 17 (aus Leptonen Aumlra)

Alle Neutronen in He =gt Rest an Protonen fuumlr Wasserstoff

Nuklidkarte keine Kerne mit 5 oder 8 Nukleonen die dazwischen groszligteils instabil

Wasserstoff

Helium

schwerer

Verteilung der baryonischen Materie

23

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

N

Z

0 1 2 3 4 5 6 7

24

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

S Skalenfaktor

Ω0 Dichteparameter

25

Probleme

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

bull Dunkle Materie

bull Inflation

Dunkle Materie Energie

Inflation

Felder mit abstoszligender Gravitation noumltig bislang nicht gefunden

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 18: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

19

Hintergrundstrahlung

Entstanden durch haumlufige Streuung der Photonen an Elektronen in der Photonen-Aumlra

1948 vorhergesagt

1964 zufaumlllig gemessen (1978 Nobelpreis)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Schwarzkoumlrperspektrum

20

Hintergrundstrahlung

Sehr isotrop jedoch geringe Anisotropie mit besser werdenden Messgeraumlten festgestellt (WMAP)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Informationen uumlber Dichteschwankungen

21

Hintergrundstrahlung

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Nur uumlber Urknallmodel erklaumlrbar

Hintergrundstrahlung und deren Spektrum

22

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Verhaumlltnis NnNp asymp 17 (aus Leptonen Aumlra)

Alle Neutronen in He =gt Rest an Protonen fuumlr Wasserstoff

Nuklidkarte keine Kerne mit 5 oder 8 Nukleonen die dazwischen groszligteils instabil

Wasserstoff

Helium

schwerer

Verteilung der baryonischen Materie

23

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

N

Z

0 1 2 3 4 5 6 7

24

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

S Skalenfaktor

Ω0 Dichteparameter

25

Probleme

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

bull Dunkle Materie

bull Inflation

Dunkle Materie Energie

Inflation

Felder mit abstoszligender Gravitation noumltig bislang nicht gefunden

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 19: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

20

Hintergrundstrahlung

Sehr isotrop jedoch geringe Anisotropie mit besser werdenden Messgeraumlten festgestellt (WMAP)

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Informationen uumlber Dichteschwankungen

21

Hintergrundstrahlung

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Nur uumlber Urknallmodel erklaumlrbar

Hintergrundstrahlung und deren Spektrum

22

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Verhaumlltnis NnNp asymp 17 (aus Leptonen Aumlra)

Alle Neutronen in He =gt Rest an Protonen fuumlr Wasserstoff

Nuklidkarte keine Kerne mit 5 oder 8 Nukleonen die dazwischen groszligteils instabil

Wasserstoff

Helium

schwerer

Verteilung der baryonischen Materie

23

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

N

Z

0 1 2 3 4 5 6 7

24

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

S Skalenfaktor

Ω0 Dichteparameter

25

Probleme

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

bull Dunkle Materie

bull Inflation

Dunkle Materie Energie

Inflation

Felder mit abstoszligender Gravitation noumltig bislang nicht gefunden

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 20: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

21

Hintergrundstrahlung

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Nur uumlber Urknallmodel erklaumlrbar

Hintergrundstrahlung und deren Spektrum

22

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Verhaumlltnis NnNp asymp 17 (aus Leptonen Aumlra)

Alle Neutronen in He =gt Rest an Protonen fuumlr Wasserstoff

Nuklidkarte keine Kerne mit 5 oder 8 Nukleonen die dazwischen groszligteils instabil

Wasserstoff

Helium

schwerer

Verteilung der baryonischen Materie

23

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

N

Z

0 1 2 3 4 5 6 7

24

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

S Skalenfaktor

Ω0 Dichteparameter

25

Probleme

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

bull Dunkle Materie

bull Inflation

Dunkle Materie Energie

Inflation

Felder mit abstoszligender Gravitation noumltig bislang nicht gefunden

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 21: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

22

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

Verhaumlltnis NnNp asymp 17 (aus Leptonen Aumlra)

Alle Neutronen in He =gt Rest an Protonen fuumlr Wasserstoff

Nuklidkarte keine Kerne mit 5 oder 8 Nukleonen die dazwischen groszligteils instabil

Wasserstoff

Helium

schwerer

Verteilung der baryonischen Materie

23

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

N

Z

0 1 2 3 4 5 6 7

24

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

S Skalenfaktor

Ω0 Dichteparameter

25

Probleme

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

bull Dunkle Materie

bull Inflation

Dunkle Materie Energie

Inflation

Felder mit abstoszligender Gravitation noumltig bislang nicht gefunden

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 22: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

23

Haumlufigkeit der (leichten) Elemente

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

n 106 min

1H 2H 3H 123 a

3He 4He6He808ms

8He122 ms

6Li 7Li8Li842 ms

9Li178 ms

7Be533 d

9Be10Be16106 a

11Be 138 s

8B770 ms

10B 11B 12B203 ms

9C127 ms

10C193 s

11C 203 min

12C 13C

N

Z

0 1 2 3 4 5 6 7

24

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

S Skalenfaktor

Ω0 Dichteparameter

25

Probleme

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

bull Dunkle Materie

bull Inflation

Dunkle Materie Energie

Inflation

Felder mit abstoszligender Gravitation noumltig bislang nicht gefunden

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 23: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

24

Altersverteilung der Sterne

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

bull Expansion des Universums

bull Hintergrundstrahlung

bull Haumlufigkeit der Elemente

bull Altersverteilung der Sterne

Schwachpunkte

S Skalenfaktor

Ω0 Dichteparameter

25

Probleme

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

bull Dunkle Materie

bull Inflation

Dunkle Materie Energie

Inflation

Felder mit abstoszligender Gravitation noumltig bislang nicht gefunden

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 24: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

25

Probleme

Einleitung

Was besagt die Theorie

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

bull Dunkle Materie

bull Inflation

Dunkle Materie Energie

Inflation

Felder mit abstoszligender Gravitation noumltig bislang nicht gefunden

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 25: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

26

Skalenfaktor

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

Um von der Expansion unabhaumlngige Koordinaten zu haben fuumlhrt man den Skalenfaktor S(t) einDieser gibt somit auch die Groumlszligenentwicklung des Universums wieder

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 26: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

27

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 27: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

28

Friedmann Modelle

Einleitung

Was besagt die Theorie

bull Uumlberblick

bull Mathematik

bull Ablauf

Wodurch wird sie gestuumltzt

Schwachpunkte

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 28: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

29

Was wird beobachtet

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 29: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

30

Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 30: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

31

Wie entstehen die Schwankungen

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 31: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

32

1 DM und Akustische Wellen

Verdichtungen von leuchtender Materie

Akustische Wellen

Gravitationswellen

verursachen

Strahlungsdruckverhindert

Verdichtungen vonDunkler Materie

stabilisieren

Temperatur-schwankungen

Strukturen wie Sterne und Galaxien

Sichtbar in CMB

Staumlrkstes Argument fuumlr die Anwesenheit von DM

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 32: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

33

1 Computersimulation bdquoMillennium Runldquo

Normale Materie

Dunkle Materie

MPI Astrophysik

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 33: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

34

Das expandierende Universum im Computer

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 34: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

35

Noch eine Simulation

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 35: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

36

Was kann man aus den Schwankungen uumlber die Kruumlmmung

des Raumes lernen

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 36: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

37

Informationen aus der Hintergrundstrahlung

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 37: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

38

1 Charakterisierung

Dunkle Materie

bull Keine Wechselwirkung mit Strahlung

bull Gravitationswirkung

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 38: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

39

1 Indizien

Indizien fuumlr Dunkle Materie

bull Rotationskurven Galaxienbull Galaxienhaufenbull Strukturbildung im Universum

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 39: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

40

1 Rotationskurven

Annahmen

bull Masse im Zentrum konzentriertbull Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

Newton Mechanik

Kreisbahnen Gravitationskraft = Zentrifugalkraft

Peripherie (M = const ) Zentralbereich (= const )

Gleiche Ergebnis bei relativistischer Rechnung

constM Gesamtmasse innerhalb der Bahn

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 40: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

41

1 Rotationskurven

Rotationskurve Galaxie Rotationskurve Sonnensystem

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 41: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

42

1 Ergebnisse der Messung

Vorhersage Peripherie

Masse nicht im Zentrum konzentriert

Beobachtungen der Leuchtkraftverteilung

in Kepler

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 42: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

43

Rotationskurven

Rotationskurven versch Galaxien

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 43: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

44

Halo aus Dunkler Materie

Halo

Typische Durchmesser

Galaxie

~ 10 kpc ~ 100 kpc

Modell

Galaxie von einem kugelfoumlrmigen DM-Halo stabilisiert

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 44: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

45

Nachweis DM in Clustern

Nicht verzerrte Galaxie Isodense (DM)

Gravitationslinsen bei Abell 2218

Goe

ke

Uni

Boc

hum

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 45: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

46

2 Kandidaten fuumlr Dunkle Materie

bull Baryonische Materie (3 Quarks)

bull Nicht-Baryonische Materie

zwei groszlige Klassen

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 46: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

47

2 Baryonische Materie

bull Gas und Staub

bull Asteroiden Meteoriten und Planeten

bull braune Zwerge

bull weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

bull Schwarze Loumlcher

Baryonische Kandidaten fuumlr DM

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 47: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

48

2 Gas

Heiszliges Gas emittiert Strahlung

Kaltes Gas

- waumlre in Galaxien und Galaxienhaufen sichtbar

bull absorbiert EM-Strahlung

- als DM nur in groszligen Zwischenraumlumen zwischen den Galaxienhaufen

Intergalaktisches Gas 36 ges

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 48: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

49

2 Staub Asteroiden und Meteoriten

Staubwolken

bull streuen das Licht von Sternenim Infraroten sichtbar

Adlernebel

Hale-Bopp

Asteroiden und Meteoritenbull schwere Elemente

im Vergleich zu H zu selten

Zur Loumlsung des Problems waumlre mehr Staub noumltig als beobachtet

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 49: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

50

2 Schwarze Loumlcher

bull extreme Masse 10MSlt M lt 106MS

bull sehr groszlige Schwerkraftbull leuchten gar nichtbull Vermutung

Im Zentrum von Galaxienmit M gt 100MS BH (Simulation)

Massive Schwarze Loumlcher

Keine Erklaumlrung der Rotationskurven ndash muumlssten im Halo sein

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 50: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

51

2 MACHOs

bull Planeten

bull Braune Zwerge

bull Weiszlige Zwerge

bull Neutronensterne

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

Moumlglicherweise verantwortlich fuumlr 20 der baryonischen DM

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 51: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

52

2 MACHOs

Braune Zwerge

2M1207 Chauvin 2004

bull Geringe (sub-solare) Sternenmasse

001MS lt M lt 008 MS

bullleuchten nur sehr schwach (sup2H ndash Brennen)

Jupiteraumlhnliche Planeten

bull groumlszligtenteils H2

bull Hohe Masse Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

Nicht in ausreichender Zahl beobachtet worden

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 52: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

53

2 MACHOs

bull Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat

Weiszlige Zwerge

Neutronensterne

bull Ziehen Gas aus ihrer Umgebung anRoumlntgenstrahlung (Pulsar)

bull Masse

Neutronenstern(Pulsar)

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 53: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

54

Nicht-baryonische Kandidaten fuumlr DM

2 Nicht-Baryonische Materie

electron selectron

neutrino sneutrino

gluon gluino

hellip hellip

Fermion Boson

bull Neutrinobull WIMP (Schwache WW und Gravitation)

bull weitere Teilchen aus Supersymmetrie

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 54: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

55

2 Neutrinos

Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos

Abschaumltzung Neutrinomasse mn gt 10 eV

Verschwindend geringer Beitrag

Atmosphaumlrische Neutrinomessungen

mnlt 1eV

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 55: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

56

2 WIMPs

bull Masse 50-1000 GeV

bull elektrisch ungeladen

bull stabil

bull schwach-wechselwirkend

Neutralino (LSP)

LSP Lightest Supersymmetric Particle

WIMP-Hauptkandidat

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 56: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

57

3 Sitzverteilung im Kosmos

WMAP(2003)

Anteile an Gesamtenergiedichte

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 57: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

58

3 Dunkle Energie

Einsteinsche Feldgleichungen

Kosmologische Konstante

bull Zeit- und ortsunabhaumlngig (bdquoIntegrationskonstanteldquo)

Muss phys interpretiert werden

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 58: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

59

3 Implementierung von

in den Friedmangleichungen

Einstein-Feldgleichungen

Robertson-Walker-Metrik

Kosmologisches Prinzip

Vereinfachter Energie-Impulstensor

Verschwinden des Dichtegradienten

Erweiterte Friedman-Gleichungen

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 59: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

60

3 DE Interpretation

Vakuumenergiedichte

Physikalische Interpretation

Skalierung

(Vakuum) Raum gekruumlmmt

Beobachtung

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 60: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

61

3 VakuumenergiedichteVakuumflu

ktuation

Heisenbergsche Unschaumlrferelation

Staumlndige Enstehung und Annihilation von Teilchen-Antiteilchen-Paaren

bdquovirtuelle Teilchenldquo

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 61: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

62

3 Casimir Effekt

Zwei Platten (Abstand L ~ Angstroumlm)

dazwischen

lt 2L

Kraft

1997 gemessen

auszligerhalb

lt

Wenig Teilchen Viele Teilchen

Druckgradient

S Lamoreaux Seattle

63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

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63

3 QM Abschaumltzung

Nie direkt beobachtbar ndash zudem auch Lorentzinvariant

Nullpunktschwingungen eines elektr Feldes

Energie h2 pro Schwingungszustand

Eingrenzen durch Plancklaumlnge

Optische Dispersion

Integration uumlber Kugelkoordinaten

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 63: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

64

3 Vergleich QM ndash Beobachtung

bdquoSchlechteste Abschaumltzung in der Geschichte der Physikldquo

Zur Erinnerung

gesamt = krit k = 0 flache (euklid) Raumzeit

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 64: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

65

3 Flaches Universum

Erweiterten Friedman-Gleichungen

k = 0

Dichten von DE und Materie ergeben krit Dichte

Skalierungen

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 65: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

66

3 Struktur und Dynamik des Universums

Experimentelle Daten

Raumzeit flach (euklidisch)

Vereinbar mit Hubble-Exp

Universum wird fuumlr immer expandieren

Big Bang zu fruumlh

67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

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67

3 Beschleunigungsparameter

q0 = 0 Konstante Expansion

Beschleunigte Expansion

Verzoumlgerte Expansion

q0 lt 0

Fallunterscheidung

q0 gt 0

Beschl Expansiongt

lt

Erweiterte Friedman-Gleichung

unabhaumlngig von k Wenn k = 0 q0 = 05

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 67: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

68

3 Beschleunigungsparameter

Experimentelle Daten

q0 = -055

Beschleunigte Expansion

Geraden gelten fuumlr beliebige k

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 68: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

69

3 DE und Weltalter

Zu groszliges lieszligeHubble Alter divergieren

Kein Urknall

Fine-Tuning

Konst Weltalter

Bester Fit im k=0-Universum

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 69: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

70

3 Koinzidenzproblem

heute

mund zur heutigen Zeit in der gleichen Groumlszligenordnung

Zufall

Verhaumlltnis mnicht konstant

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 70: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

71

1

2

Baryonisch Nicht-Baryonisch

bull Neutrinosbull Neutralinos

3Erweiterte Friedman-Gleichungen

q0 = - 055 Weltalter

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende

Page 71: Die Urknallthe orie Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird sie gestützt? Kritikpunkte 1 " In the beginning the Universe was created. This has

72

Die Urknalltheorie

bdquoGeistesgegenwaumlrtig hatte Gott damals vom Urknall ein Foto geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fandldquo

Ende