Kosmologie mit Supernovae 1a

Vortrag von Marius Köhl am 26.01.07

Inhalt

• Allgemeines

• Standardkerzen

• Rotverschiebung und Hubble-Gesetz

• Theorie und Parameter der Expansion

• Messungen entfernter Supernovae

• Resultate

KOSMOLOGIE

•Allgemeine Relativitätstheorie

•Astrophysik/Astronomie und Teilchenphysik

Ziele:

Grundlagen:

•Zeitliche Entwicklung des Universums (Expansion/ Kontraktion?)

•Materie- und EnergiedichtenDunkle Materie, Dunkle Energie

•Strukturentstehung

Standardkerze

•Hohe Leuchtkraft: über kosmologische Distanzen beobachtbar

•Einheitliches Verhalten

•Einfach identifizierbar und klar abgegrenzt

•Zentrale Messung:

Leuchtkraft einer Standardkerze

als Funktion der Rotverschiebung

msmm

tstt

1

Stretch (Phillips-Relation)

zz

100

Rotverschiebung z

Ursachen:

•Tieferes Gravitationspotential •Relativbewegung•Expansion des Universums

DHzc 0

Näherung für kleine Distanzen:

Hubble-Gesetz

Edwin Hubble (1929)

Mpcs

kmH

10700

1log5

LD

Mm

Distance modulus

•Licht enthält Informationen über die integrale Expansion während der Laufzeit

•Lineares Hubble-Gesetz gilt nicht mehr

2.0zEntferntere Objekte

22

2

2222

1)( dr

kr

drtadtds

Robertson-Walker-Metrik (homogenes, isotropes Universum

a(t) Skalenfaktor

Offenes UniversumFlaches UniversumGeschlossenes Universum 1

0

1

k

k

k

i

ii

p

Zustandsgleichungen

Materie 0 Photonen +1/3 Kosmologische Konstante/Dunkle Energie -1

kritisch

ii

Relative Anteile von Materie und Energie

2

22

3

8

a

kG

a

aH

Friedmann-Gleichung

Dynamik des Universums

Aus der Helligkeit bestimmte Entfernung

Luminosity Distance

z

iiL zzzdSz

H

cD i

0

2/12

0332/1

02/1

00

11)1(

i

i 10

1,sinh

0,

1,sin

kx

kx

kx

xS

Aus den Friedmanngleichungen als Funktion von iiz ,,

Reihenentwicklung

302

0 2

1z

qzz

H

cDL

i

iiq 312

10

1. Ordnung:

Im nahen Universum skaliert Distanz mit der Rotverschiebung z (Hubble-Gesetz)

2. Ordnung:

hängt von der Abbremsungs(Beschleunigungs-)Rate ab 0qLD

2

1

0

0M

M

q

Beispiel:

LD

00 q

ist kleiner als in erster Näherung. Entfernte Standardkerzen erscheinen für ihre Rotverschiebung zu hell/nah. Die Expansion verlangsamt sich.

LD

00 q ist größer als in erster Näherung. Entfernte Standardkerzen erscheinen für ihre Rotverschiebung zu dunkel/fern. Die Expansion beschleunigt sich.

3.0zMessungen bei

SCP (Supernova Cosmology Project), HZSNS (High Z Supernova Search)

1M 0Resultate nicht kompatibel mit

SN sind dunkler als erwartet, Expansion beschleunigt sich

Abweichung vom „Standarduniversum“ 03.0 M

Systematische Fehler

•K-Korrekturen (0.01 mag)

•Absorption durch Staub (0.06mag)

•Auswahleffekte (0.01 mag)

•Gravitationslinsen (0.02 mag bei z=0.5)

•Entwicklung der Galaxien

Es existiert eine „Dunkle Energie“

Mit

und

7.0

?

1

Kosmologische Konstante ?

Als Vakuumenergie?

Variables Skalarfeld?

(„Quintessenz?“)

•Supernovae 1a sind geeignete Standardkerzen

•Nahe Supernovae: aktuelle Expansionsrate

•Ferne Supernovae: Expansionsgeschichte

•Expansion beschleunigt sich

•Dunkle Energie!

tH0H

Zusammenfassung

0

Natur der dunklen Energie unbekannt, Zustandsgleichung unbekannt

Je nach Wahl des Parameters ergeben sich Abweichungen. Um dort wirklich Aussagen machen zu können, sind weit höhere Genauigkeiten nötig

p

Materieart mit Zustandsparameter

Muss angenommen werden, nicht zwingend3

1

1

1 M

xM ,

Grenzen für

unter der Bedingung

1 M

SNAP (Supernova Acceleration Probe)

Satellit zur ausschliesslichen Suche nach SN1a

Vorteile

Viele Beobachtungen bei hoher Rotverschiebung bis z=1.7Geringere systematische FehlerMöglichweise Untersuchung einer Zeitabhängigkeit der Zustandsparameter Exklusiv für SN-Messungen, 2000 pro JahrStart für 2013 vorgesehen

CMB Messung wird sich ebenfalls stark verbessern, sind jedoch relativ unempfindlich gegenüber dunkler Energieund der beschleunigten Expansion.

SN sind z.Zt. der beste Untersuchungsgegenstand für diese Dinge. Verschiedene Techniken ergänzen sich in der Eingrenzung der Parameter.

68%-Linien

Flaches Universum vorausgesetzt, gestützt durch CMB

Innere Linien: Unter Berücksichtigung von Daten zu aus beobachteter Massenverteilung

Zeitabhängigkeit gemäß

M

zz 0)(

Supernovae II:

Intrinsische Ungenauigkeit von 10-20%

Wurden verwendet zur unabhängigen Messung von H_0

Besitzen zumindest Potential, Messungen aus 1a bestätigen