Gelöste Geheimnisse der Astrophysik

Energiequelle der Sterne? Kernfusion

Entwicklungsgeschichte des Universums vom „Urknall“ bis heute

Elementensynthese/chemische Entwicklung des Universums

Natur der Spiralnebel? „Welteninseln“/ Sternwolken wie die Milchstraße

Neutrinoproblem? Neutrinooszillationen

Gliederung

● Dunkle MaterieMassenbestimmung von Galaxien/Galaxienhaufen

Entstehung großräumiger Strukturen

Kandidaten für dunkle Materie

Alternative Vorstellungen

● Dunkle EnergieDie Urknall-Hypothese, die Expansion des Universums, Supernovae und die dunkle Energie

Was steckt hinter der dunklen Energie?

Gibt es dunkle Energie wirklich?

Massenbestimmung aus der Bewegung von Körpern

Gravitationskraft = Zentripetalkraft

Massenbestimmung von Galaxien● Sterne bewegen sich in den

Scheiben von Spiralgalaxien gleichsinnig um das Galaxienzentrum

● Bewegungsgeschwindig-keit der Sterne als Maß für die Galaxienmasse

● Rotationskurven der Galaxien sind „flach“

● Galaxien enthalten viel mehr Masse als wir leuchten sehen

● M/L 100

Massenbestimmung von elliptischen Galaxien

● Massenbestimmung mit Virialsatz

● Mittlere Geschwindigkeit der Sterne ist Maß für die Gesamtmasse der Galaxie

● Virialmasse ist um Faktor 10 bis 100 größer als leuchtende Masse

● Dunkle Materie?

Massenbestimmung von Galaxienhaufen

● Massenbestimmung mit Virialsatz

● Virialmasse ist wesentlich größer als leuchtende Masse

● Konsistent mit Massenbestimmung aus der Temperatur des intergalaktischen Gases in Haufen und aus dem Gravitationslinseneffekt

● dunkle Materie

● Ohne dunkle Materie würden Haufen innerhalb kurzer Zeit zerfallen

Strukturbildung im jungen Universum

Bereits wenige 100 Mio Jahre nach dem „Urknall“ leuchten die ersten Galaxien. Wie ist das möglich?

Großräumige Strukturen

● aus großen Rotverschie-bungs-Surveys (2dF, SDSS, ...) lässt sich die großräumige Materie-verteilung im Universum und das Verhältnis baryonischer zu dunkler Materie ableiten

● in Simulationen wird das Entstehen großräumiger Strukturen nachvollzogen

● Dunkle Materie als Kondensationskeim für leuchtende Materie

Was steckt hinter der dunklen Materie?

● Baryonische dunkle Materie (Planeten, Braune Zwerge, MACHOs, …)

● Schwarze Löcher

● Nicht-baryonische dunkle Materie: Neutrinos („hot dark matter“, HDM) WIMPs („cold dark matter“, CDM)supersymmetrische Teilchen, z.B. Neutralino

● Axion (Postulat aus einer Symmetriebrechung der Quantenchromodynamik)

● Direkte experimentelle Hinweise bisher nicht eindeutig (z.B. PAMELA: Positronen-Überschuss in der kosmischen Strahlung; aus vermuteter Annihilation supersymmetrischer Teilchen der dunklen Materie)

Nicht-baryonische dunkle Materie

Dunkle Materie: supersymmetrische(s) Teilchen?

Hypothese: Zu jedem Teilchen gibt es ein ein sehr viel schwereres supersymmetrisches Teilchen („...ino“).Das leichteste stabile Teilchen (Neutralino) ist ein

Kandidat für die „dunkle Materie“. Experimenteller Nachweis durch LHC?

Alternative zum Konzept der dunklen Materie

● Modifizierte Gravitationstheorie MOND (MOdified Newtonian Dynamics, Milgrom 1983)

● Relativistische Erweiterung TeVeS (Tensor-Vektor-Skalar, Bekenstein 2004)

● Welche Theorie ist richtig: Newton/Einstein mit dunkler Materie oder MOND/TeVeS ohne dunkle Materie?

Aber: Der „Bullet Cluster“● Zwei Galaxienhaufen stoßen

zusammen

● Der größte Teil der baryonischen Materie in den Haufen liegt als heißes Gas vor

● Das Gas „spürt“ den Zusammen-stoß am meisten

● Aus dem Gravitationslinseneffekt lässt sich das gesamte Gravita-tionspotenzial rekonstruieren, das durch dunkle Materie dominiert ist

● Gasverteilung (rot) und Gravitationspotenzial (blau) stimmen nicht überein

● Effekt durch MOND-Theorie nicht erklärbar

Starker Hinweis auf die Existenz dunkler Materie?

E. Hubble (1923): Spiralnebel sind „Welteninseln“ aus Sternen wie die Milchstraße

Edwin Hubble (1889 – 1953)

E. Hubble (1929): Rotverschiebung des Galaxienlichts

linearer Zusammenhang H=velocity/distance

Interpretation der Rotverschiebung?

Albert Einstein (1879 – 1955)

Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART): Theorie der Gravitation,

beschreibt das Universum im Großen

Feldgleichungen:

Rμν

Ricci-Tensor, beschreibt Krümmung der Raumzeit

gμν

metrischer Tensor der ART (Bewegungen auf Geodäten)

Tμν

Energie-Impuls-Tensor (setzt sich aus verschiedenen

Energieformen zusammen)G GravitationskonstanteΛ kosmologische Konstantec Lichtgeschwindigkeit

Lösungen?

Kosmologisches Prinzip: Universum ist homogen und isotrop(→ Robertson-Walker-Metrik)

Feldgleichungen der ART

↓mit kosmologischem Prinzip

Friedmann-GleichungR(t): Skalenfaktor des Universumsk: Raumkrümmungskonstante

A. Friedmann (1888 – 1925)

Zu bestimmen:

● Hubble-Parameter H(t) (Expansionsrate des Universums; heutiger Wert H

0 )

● k Raumkrümmungskonstante (k=0: euklidisch flach, k=+1 parabolisch, k=-1 hyperbolisch)

● Bremsparameter q(t) bzw. Dichte ρ(t) bzw. Dichte im Verhältnis zu kritischen Dichte Ω = ρ/ρ

critical = ΣΩ

i

● kosmologische Konstante Λ bzw. Beitrag zur Dichte Ω

Λ

Supernovae Typ Ia als Standardkerzen

SN Ia: Explosion eines CO-Zwerges, der von einem Begleiter Masse aufnimmt und dabei die Chandra-sekhar-Grenzmasse von 1,4 Sonnenmassen überschreitet.

einheitliche absolute Helligkeit im Maximum M=-19.5 mag(hängt noch etwas von der Abklingrate ab)

lokale momentane Expansionsrate des Universums: H

0 = 62+/-5 km s-1 Mpc-1

(Sandage, Tammann et al. 2006)

Das Hubble-Diagramm „naher“ SNe Ia

Das Hubble-Diagramm „ferner“ SNe Ia

● Ferne SNe Ia weichen von der Linie gleich-mäßiger Expansion ab

● Messfehler? (schwierige Photometrie, Korrekturen etc.)

● Haben ferne SNe Ia die gleichen Eigenschaften wie nahe?

Beschleunigte Expansion aus dem Hubble-Diagramm „ferner“ SNe Ia

ferne SNe schwächer/weiter entfernt als erwartet→ Expansionsgeschwindigkeit in den letzten 6 Mrd

Jahren gewachsen!

Dunkle Energie!???Dunkle Energie!???

Die Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) – das „Echo des Urknalls“...

... erlaubt Rückschlüsse auf globale Eigenschaften des

Universums

Penzias & Wilson 1965

Die Mikrowellenhintergrundstrahlung

● stammt aus der Epoche der „Rekombination“ des Universums 380 000 Jahre nach dem Urknall, zu der das Universum „durchsichtig“ wird (letzte Streuung der Photonen am Plasma)

● hat das Spektrum eines Schwarzen Körpers der Temperatur 2.73 K (→ z ≈ 1100)

● insbesondere ihre Temperaturfluktuationen enthalten wichtige Informationen über die physikalischen Bedingungen seit dem Urknall

Akustische Wellen im primordialen Plasma(siehe Wayne Hu, http://background.uchicago.edu)

Erwärmung in den Plasmabereichen, wo Teilchen in einen Potentialtopf fallen

Abkühlung außerhalb der Potentialtöpfe

Schwingungsmoden im primordialen Plasma

Das Powerspektrum der CMB-

Temperatur-fluktuationen

Interpretation der „Peaks“?

Der erste „Peak“● je nach Raumkrümmung

erscheinen die Fluktuationen unter einem anderen Raumwinkel

● Ergebnis: Innerhalb der Messgenauigkeit ist der Raum flach und damit ist die mittlere Dichte des Universums kritisch

● Interpretation hängt vom Modell der Fluktuationen im primordialen Plasma ab

● Ergebnis hängt vom Hubble-Parameter ab

● Flachheit des Raumes starkes Indiz für eine inflationäre Frühphase (löst Flachheits- und Horizontproblem)

Der zweite „Peak“● erster „Oberton“, bestätigt

die Interpretation des ersten Peaks als Grundschwingung einer akustischen Schwingung im primordialen Plasma

● Das relative Verhältnis des ersten zum zweiten Peak spiegelt den Baryonenanteil an der Energiedichte wider (ca. 5%!)

Der höheren „Peaks“

● sind empfindlich auf das Verhältnis der Energie-dichten von früh klumpender dunkler Materie zu Strahlung, da die Strahlung in der strahlungsdominierten Frühphase des Universums das Potential der Materieverteilung ändert und nur die höheren Schwingungsmoden noch in der kurzen strahlungs-dominierten Frühphase angeregt werden.

Das kosmologische „Konkordanz-Modell“

SNe Ia, CMB, Galaxien-haufen und andere Messungen ergeben weitgehend unabhängig voneinander ein konsistentes Bild des Aufbaus und der Geschichte des Universums.

Was steckt hinter der dunklen Energie?

● Kosmologische Konstante? (ursprünglich Einstein, 1917)

Zeitlich konstant, quantenmechanische Nullpunktsenergie?

Derzeit durch Supernova-Daten bevorzugt (w=1).

● „Quintessenzen“?

Energiedichte der dunklen Energie ist zeitlich variabel

Gibt es die dunkle Energie wirklich?

● Der Kosmos ist auf großen Skalen nicht homogen („Seifenblasenuniversum“).

● ART: Je nach Massendichte ist die Raumzeitkrümmung verschieden

● Damit sind auch die lokalen Eigenzeiten verschieden.

● Effekte der „dunklen Energie“ möglicherweise durch intrinsische Zeitverschiebungen nur vorgetäuscht (Leith, Ng, Wiltshire 2008)