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DUNKLE MATERIE DUNKLE ENERGIE
Gliederung
Phänomenologische Betrachtung Das Konzept der Dunklen Materie Was ist nun dunkle Materie Dunkle Energie Konzepte ohne dunkle Materie
20. Jh. Erstmals leistungsfähige Teleskope (Hubble,…)
1932 Jan Hendrik Oort : Arbeiten zu Struktur und Dynamik der Galaxis
-Dicke der Milchstraße zu klein. Mehr Masse nötig.
„Dunkle Materie“
1933, Fritz Zwicky entdeckt merkwürdige Galaxienbewegung imComa-Galaxienhaufen (100MPc entfernt).
Geschwindigkeiten der Galaxien zueinander und Entfernung voneinander stimmt nicht. (Virialsatz)
Gleiches Phänomen auch bei Kugelsternhaufen. Newtonsches Gravitationspotential reicht nicht für eine Stabilität aus!
„Haar der Berenike“
1960, Vera Rubin: Umlaufgeschwindigkeit derSterne um das galaktisches Zentrum nimmt mit zunehmender Entfernungnicht ab.
- müssten sie aber, da schwächere Gravitation
Bis heute Entdeckung vieler weiterer astronomischer SystemeKartierung von ca. 100Mio. Sternen beim „Sloan Digital Sky Survay“ am Apache-Point-Observatorium (APO) in New Mexico
Versuch die Strukturen aus Dichteschwankungen zu simulieren
„Millennium Simulation“
Frühe Strukturbildung trotz der Hitze im jungen Universum nicht ohne zusätzliche Masse erklärt werden. (Strahlungsdruck)
Gravitationslinsen von Galaxien wesentlich bestimmt durch DM
„Abell 2218“ Haufen(Hubble)
2006, 1E 0657−558 (Bullet Cluster) 3,35 Milliarden LJDrei entscheidende Größen beobachtet: -Galaxienverteilung durch optische Beobachtungen (blau)-Intergalaktisches, heißes Gas im Röntgenbereich (Chandra, Rot) -Massenverteilung mit Hilfe des Gravitationslinseneffektes. (Hubble)
Galaxien von sehr heißem Gas umgeben
90% der Masse steckt im Interstellaren Gas
Galaxien fliegen aneinander vorbei, Gas wird abgebremstÞSeparation von interstellarem Gas und Galaxien
Gravitation geht aber weiterhin von Galaxien aus. (Linseneffekt)
„Pioneer-Anomalie“
MODELLE UND THEORIEN
DUNKLER MATERIE
INHALTSANGABE
I. Das Standardmodell
II. Baryonische DM
III. Nicht-Baryonische DM
STANDARD-MODELL
Isotrope, homogene Verteilung auf großen Skalen
Expansion („Hubble`s Law“) Relativitätstheorie Heiße, dichte Anfangsphase
Postulate
Euklidisch RaumGeschlossen, sphärischer
Raum
Offener, hyperbolischer
Raum
K = 0 k = 1k = -
1
Metrik
STANDARD-MODELL
Wichtige Parameter
Kritische Dichte
Dichteparameter
Krümmung Dichteparamter Verhalten des Krümmungsradius
k = -1 WM < 1 monoton
k = 0 WM = 1 wachsend
k = 1 WM > 1 endlich
W = WM + WL WM = rM/rc =
Zusammenhang zwischen Massendichte und Lösungstyp des Weltmodells.
STANDARD-MODELL
STANDARD-MODELLAnnahmen:
WM ≈ 0,26
WMb ≈ 0,04
WMbl ≈ 0,005
Dunkle Materie ist baryonischen und nicht-baryonischen Ursprungs.
STANDARD-MODELLBestätigung der Annahmen durch: Gravitationslinseneffekt
Leuchtkraftdichte mit Masse-Leuchtkraft-Verhältnismittlere Leuchtkraftdichte (B): ML-Verhältnis:
WM ≈ 0,3
LB = 108 LB◦ Mpc-3
M/LB ≈ 200
WM ≈ 0,1 – 0,2
STANDARD-MODELL Kosmische Hintergrundstrahlung
Spektrum der Anisotropie:
- Lage des HM: Krümmungsart des Raumes
- Lage der 1. NM: Informationüber Baryonendichte
- Lage des 2. NM: Informationüber DM-Dichte
STANDARD-MODELL Primordiale Nukleosynthesephase
Festlegung des Verhältntis baryonischer Materie
Kosmologische Simulationen„Millenium-Simulation“- Entwicklung der Dichteschwankungen im Kosmos - Verhalten der dunklen Materie
WMb ≈ 0,043
Bestätigung der Modelle
BARYONISCHE KANDIDATEN
Gas – und Staubwolken
MACHOs- Braune Zwerge- Weiße Zwerge- Neutronensterne- schwarze Löcher
Problem: Kaum Beobachtung durchMikrolinseneffekt (OGLE 1993)Adlernebel
NICHT-BARYONISCHE KANDIDATEN
NICHT-BARYONISCHE KANDIDATEN
HDM „Top-Down“- Szenario
Neutrino- Entkoppelung 1 Sekunde nach Urknall- Unbekannte Masse ( mn < 2 eV)
Problem: Großstrukturen Anteil max. 30%
NICHT-BARYONISCHE KANDIDATEN
WDM Steriles Neutrino
- WW: Gravitation- Masse unbekannt (Fermilab 2007)
Leichtes Gravitino- Superpartner des Gravitons
Problem: keine direkte Detektion
NICHT-BARYONISCHE KANDIDATEN
CDM „Bottom-Up“- Szenario
WIMPS LSP (SUSY) :
- Endprodukt aller Zerfälle von SP- Absolute Stabilität- Ursprung: Primordiale Nukleosynthese
Problem: Zu viele unbekannte Parameter
Axion - Schwache WW , Ladungsfrei- Entstehung: Primakoff-Effekt - Masse zwischen 10-6 eV - 1 eV
Detektoren: u.a. Axion-Helioskop CAST am CERN:
NICHT-BARYONISCHE KANDIDATEN
Problem: Zerfall in Photonen wäre detektierbar
NICHT-BARYONISCHE KANDIDATEN
Primordiale schwarze Löcher (MACHO)
Zerfallende DM
„Dark Fluid“-Theorie
Modifizierung der Gravitationsgesetze, Newton/ART
schwere/träge Masse nicht äquivalent bei kleinen Beschleunigungen
Modified Newtonian Dynamics
F = m a bekannt, und gut experimentell überprüft
Für extrem kleine Beschleunigungen fast nicht experimentierbar.
Modifikation 1983 von Mordehai Milgrom :
F = m μ(a/a0) a wobei μ von der Art, dass
μ(x)=1 für große Beschleunigungen μ(x)=x für kleine Beschleunigungen (z.B. μ = x / 1 + x o.Ä. )
Für a >> a0 gilt weiterhin FG = m aFür a << a0 wird dann FG = m a²/a0
a0 = 1,2 * 10-10 m/s² von Milgrom bestimmt
Weitere Erklärungsversuche durch
Tensor-Vektor-Skalar Gravitationstheorie
Darstellung des Raumes nicht nur mit einem Tensor/Metrik (ART)
DUNKLE ENERGIE
Gliederung Grenzen des Standardmodells Beobachtung: Sn Typ 1a Theorie: Der Sachs Wolfe – Effekt Beobachtung: Hintergrundstrahlung Theorie: Dunkle Energie Kandidaten: Die Einsteingleichungen, Λ Spezielles Thema: Gravasterne
Grenzen des Standardmodells
Astronomische Beobachtungen zeigen beschleunigte Expansion des Universums=> Widerspruch
Supernovae Typ Sn 1a
Theorie: Der Sachs-Wolfe-Effekt
Messung durch WMAP
Diskussion Es muss also eine die Expansion des
Universums beschleunigende Groesse geben
Dies ist die dunkle Energie
Theorie: Die Kosmologische Konstante
Faktor in den verallgemeinerten Einstein‘schen Feldgleichungen :
Einfuehrung um statisches Universum zu gewaehrleisten
Definiert die Vakuumenergiedichte : Vakuumenergie gilt als
wahrscheinlichster Kandidat fuer die „dunkle Energie“
Die Friedmanngleichungen
Erweiterung des Standardmodells:Λ≠0
Spezielle Themen:Gravasterne
Moegliche Loesung der Einsteinschen Feldgleichungen
Durch astronomische Beobachtungen nicht vom SL unterscheidbar
Ein abstossendes Vakuum (dunkle Energie) Stabilisiert eine Schale aus kondensierter Materie
Wandelt baryonische Materie in dunkle Energie um
Aufbau GS SL:
Quellen
http://www.astro.lsa.umich.edu/~rdupke/research.phphttp://www.weltderphysik.de/de/4085.phphttp://de.wikipedia.org/wiki/Dunkle_Materiehttp://www.mpa-garching.mpg.de/galform/presse/http://www.sdss.org/
Bilderhttp://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Ssc2007-10a1.jpghttp://www.weltderphysik.de
Quellenangaben „Der neue Kosmos“ von Unsöld, Baschek „Particle Astrophysics“ von Perkins „Existence and Nature of Dark Matter in the Universe“ von
Virginia Trimble aus Annual Reviews Wikipedia http://background.uchicago.edu/~whu/beginners/
introduction.html http://www.lsw.uni-heidelberg.de/users/mcamenzi/Guebitz.pdf http://accms04.physik.rwth-aachen.de/~schael/Seminar
%20SS07_files/2007_04_23_nachtrodt.pdf http://www.physik.uni-wuerzburg.de/~winter/Teaching/Hutter.pdf http://web.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/sternwarte.pdf
Bilder: http://3.bp.blogspot.com/_TRtS7cX98Ec/SjD6R_F5tgI/AAAAAAAABYA/fvIOuCL_h-U/s320/scheibenwelte.jpeg
Quellen Peter Schneider: Extragalactic Astronomy
and Cosmology wikipedia.org (Bilder, allgemeine
Informationen)