Das Dunkle Universum - The Dark Universe
Das Dunkle Universum - The Dark Universe Das Dunkle Universum - The Dark Universe
Das Dunkle Universum
- Seite 11 und 12: Galaxien Hubble deep field
- Seite 13 und 14: Mehr oder weniger Bekanntes im extr
- Seite 16 und 17: Atome - der Staub des Universums
- Seite 18 und 19: 95% des Universums sind dunkel - Du
- Seite 20 und 21: Die Jagd nach den Phantomen
- Seite 22 und 23: Dunkle Materie
- Seite 24 und 25: Dunkle Materie in Kollision bullet
- Seite 26 und 27: Materie : Alles , was klumpt
- Seite 28 und 29: Gravitationslinse,HST
- Seite 30: Gravitationslinse,HST
- Seite 33 und 34: Dunkle Materie • Anteil der “Ma
- Seite 35 und 36: Dunkle Materie könnte aus noch unb
- Seite 37 und 38: Woraus besteht unser Universum ? 25
- Seite 39 und 40: 25 % von was ?
- Seite 41 und 42: Kritische Dichte Ω tot bestimmt di
- Seite 43 und 44: Woraus besteht unser Universum ?
- Seite 45 und 46: Materie Atome : Ω b = 0.05 Dunkle
- Seite 47 und 48: Kosmologie : Verständnis des Unive
- Seite 50: Foto des Urknalls Planck WMAP
<strong>Das</strong> <strong>Dunkle</strong> <strong>Universum</strong>
Galaxien<br />
Hubble deep field
Was ist da ,<br />
wo man nichts sieht ?
Mehr oder weniger Bekanntes<br />
im extragalaktischen Raum :<br />
• Strahlung<br />
• Gas von Atomen, Molekülen<br />
• Magnetfelder<br />
• Neutrinos<br />
• Gravitationswellen<br />
Alles zusammen , plus Atome in Galaxien :<br />
Nur 5% der Energiedichte des <strong>Universum</strong>s
“Unsere Materie “ : Atome –<br />
der Staub des <strong>Universum</strong>s<br />
Abell 2255 Cluster<br />
~300 Mpc
Atome – der Staub des <strong>Universum</strong>s
nur 4,5 % des <strong>Universum</strong>s<br />
bestehen aus Atomen :<br />
bekannt von<br />
Hintergrundstahlung ,<br />
400 000 Jahre abb<br />
Atomphysik<br />
Nucleosynthese<br />
Minute abb<br />
Kernphysik
95% des <strong>Universum</strong>s sind dunkel –<br />
<strong>Dunkle</strong> Energie und <strong>Dunkle</strong> Materie<br />
oder genauer : durchsichtig
<strong>Dunkle</strong> Materie und<br />
<strong>Dunkle</strong> Energie<br />
95 % der Energiedichte des <strong>Universum</strong>s<br />
<strong>Das</strong> meiste ist unbekannt !
Die Jagd nach den Phantomen
Himmelsdurchmusterung :<br />
nicht nur mit Licht !<br />
• Infrarotstrahlung<br />
• Röntgenstrahlung<br />
• hochenergetische Gammastrahlen<br />
• Gravitationslinsen<br />
• Neutrinos ( ? )<br />
• Gravitationswellen ( ? )<br />
Farben frei gewählt
<strong>Dunkle</strong> Materie
<strong>Dunkle</strong> Materie in<br />
Galaxienhaufen ( Cluster )
<strong>Dunkle</strong> Materie<br />
in Kollision<br />
bullet cluster
Wieviel <strong>Dunkle</strong> Materie gibt es ?
Materie :<br />
Alles , was klumpt
Gravitations - Potenzial<br />
• Materieklumpen erzeugen Gravitationspotenzial<br />
(Newton )<br />
• Dies kann vermessen werden<br />
• Bestimmung der Masse des Klumpens<br />
• z.B. Sonnenmasse genau bekannt
Gravitationslinse,HST
Lichtstrahlen werden durch Massen<br />
abgelenkt
Gravitationslinse,HST
Schwacher Gravitationslinsen – Effekt :<br />
Leichte Verzerrung des Bilds Tausender von<br />
Hintergrundgalaxien<br />
Statistische Verteilung
<strong>Dunkle</strong> Materie<br />
• Anteil der “Materie” insgesamt : 25 %<br />
• Die meiste Materie ist dunkel !<br />
• Bisher nur durch Gravitation spürbar<br />
• Alles was klumpt!<br />
Gravitationspotential
Woraus besteht <strong>Dunkle</strong> Materie ?
<strong>Dunkle</strong> Materie könnte aus noch<br />
unbekannten Elementarteilchen bestehen<br />
LHC , CERN , Genf
Suche nach <strong>Dunkle</strong>r Materie<br />
bis heute nichts gefunden ...
Woraus besteht unser<br />
<strong>Universum</strong> ?<br />
25
<strong>Dunkle</strong> Materie + Atome :<br />
Alles was klumpt !<br />
25 %
25 % von was ?
• ρ c =3 H² M²<br />
Kritische Dichte<br />
Kritische Energiedichte des<br />
<strong>Universum</strong>s<br />
( M : reduzierte Planck-Masse , M -2 =8 π G ;<br />
H : Hubble Parameter )<br />
• Ω b =ρ b /ρ c<br />
Anteil der Atome ( Baryonen ) an der<br />
(kritischen) Energiedichte
Kritische Dichte<br />
Ω tot bestimmt die Geometrie des<br />
<strong>Universum</strong>s : kann vermessen werden<br />
Ω tot =1 flaches <strong>Universum</strong><br />
Ω tot >1 Geometrie wie Kugeloberfläche<br />
Ω tot
Kritische Dichte<br />
Ω tot =1<br />
flaches <strong>Universum</strong><br />
Ω tot >1<br />
Kugeloberfläche<br />
Ω tot
Woraus besteht unser<br />
<strong>Universum</strong> ?
Quintessenz !<br />
Feuer , Luft,<br />
Wasser,<br />
Erde !
Materie<br />
Atome : Ω b = 0.05<br />
<strong>Dunkle</strong> Materie : Ω dm = 0.2
<strong>Dunkle</strong> Energie :<br />
Ω h : 0.75
Kosmologie :<br />
Verständnis des<br />
<strong>Universum</strong>s als Ganzem
Wer weit hinaus schaut ,<br />
schaut weit zurück !
Foto des Urknalls<br />
Planck<br />
WMAP
Expansion des <strong>Universum</strong>s<br />
Hmm ?
Expansion des <strong>Universum</strong>s<br />
• Der Raum zwischen den Galaxienhaufen dehnt<br />
sich aus.<br />
• Früher war das <strong>Universum</strong> dichter,<br />
… und heißer.<br />
• Zurückverfolgung der Einstein’schen<br />
kosmologischen Gleichungen :<br />
Urknall, extrem heißer Feuerball !<br />
• Bis ca 400 000 Jahre nach dem Urknall : heißes<br />
Plasma aus Protonen, Elektronen und Strahlung
Feuerball<br />
• heißes Plasma<br />
• Elektronen und Kerne oder Kernbestandteile<br />
getrennt<br />
• viel heißer und dichter als die Sonne<br />
• undurchsichtig<br />
• Licht wird fortdauernd gestreut<br />
• Ende nach 400 000 Jahren
Kann man in die Sonne hineinschauen ?<br />
nur Oberfläche der Sonne sichtbar , obwohl viel<br />
elektromagnetische Strahlung im Innern !
Kosmische Hintergrundstahlung<br />
• 400 000 Jahre abb ist <strong>Universum</strong> genug<br />
abgekühlt, so dass sich neutrale Atome bilden<br />
können.<br />
• <strong>Universum</strong> wird durchsichtig<br />
• Vergleich : Wolke löst sich auf<br />
abb : after big bang<br />
nach dem Urknall
Foto des Urknalls<br />
als sich die Atome bildeten : ca 400 000 Jahre abb
Signale des Urknalls<br />
• Hintergrundstrahlung<br />
Es werde Licht !<br />
( Fiat lux ) ( 400 000 Jahre nach Urknall)<br />
• Primordiale Elementsynthese (Nucleosynthese)<br />
Beginn der Chemie ( 10 Minuten abb )<br />
abb : after big bang
und alles aus wenigen Gleichungen …
Entwicklung des <strong>Universum</strong>s<br />
NASA<br />
Milliarden Jahre abb
Näher an den Urknall<br />
• Je näher an den Urknall, desto höher die<br />
Temperatur und Energie der Teilchen<br />
• Physik bei hohen Energien weniger gut bekannt<br />
• Erst ab 10 -10 Sekunden abb : Im wesentlichen<br />
bekannte Physik
Teilchenphysik nähert sich Urknall<br />
• vor Zeiten von 10 -12 Sekunden abb sind die<br />
Teilchen mit Masse < Temperatur nicht<br />
experimentell bekannt<br />
• LHC erforscht Physik , die für 10 -12 Sekunden<br />
abb wichtig ist<br />
• spontane Symmetriebrechung , Phasenübergang<br />
Energiegrenze …
Energiegrenze<br />
LHC , CERN , Genf
Modell des <strong>Universum</strong>s<br />
großes Ziel !<br />
Quantitatives Verständnis und Vorhersagen<br />
von 10 -12 Sekunden abb bis weit in die Zukunft
Modell des <strong>Universum</strong>s<br />
• haben wir das <strong>Universum</strong> wirklich verstanden ?<br />
• die letzten paar Milliarden Jahre ?
Expansion des <strong>Universum</strong>s<br />
Hmm ?
Supernovae als Standardkerzen
Beschleunigte Expansion<br />
Zeit<br />
5 Milliarden Jahre →<br />
Kessler et al. 2009<br />
Abstand
Abstand<br />
Zeit<br />
Milliarden Jahre
Supernova Ia Hubble-Diagramm<br />
Rotverschiebung z<br />
Riess et al. 2004
Beschleunigte Expansion des<br />
<strong>Universum</strong>s !<br />
Hmm ?
Bestimmmung der<br />
Energiedichte des<br />
<strong>Universum</strong>s<br />
37
Bestimmung der Energiedichte<br />
des <strong>Universum</strong>s<br />
Ω tot bestimmt die Geometrie des <strong>Universum</strong>s :<br />
kann vermessen werden<br />
Ω tot =1 flaches <strong>Universum</strong><br />
Ω tot >1 Geometrie wie Kugeloberfläche<br />
Ω tot
gekrümmte Bahnen der Lichtstrahlen
Räumlich flaches <strong>Universum</strong><br />
Ω tot = 1<br />
• <strong>The</strong>orie (Inflationäres <strong>Universum</strong> )<br />
Ω tot =1.0000……….x<br />
• Beobachtung ( WMAP )<br />
Ω tot =1.02 ( ±0.02)
Bestimmung durch<br />
“Foto des Urknalls”
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe<br />
A partnership between<br />
NASA/GSFC and Princeton<br />
Science Team:<br />
NASA/GSFC<br />
Chuck Bennett (PI)<br />
Michael Greason<br />
Bob Hill<br />
Gary Hinshaw<br />
Al Kogut<br />
Michele Limon<br />
Nils Odegard<br />
Janet Weiland<br />
Ed Wollack<br />
Brown<br />
Greg Tucker<br />
UBC<br />
Mark Halpern<br />
UCLA<br />
Ned Wright<br />
Chicago<br />
Stephan Meyer<br />
Princeton<br />
Chris Barnes<br />
Norm Jarosik<br />
Eiichiro Komatsu<br />
Michael Nolta<br />
Lyman Page<br />
Hiranya Peiris<br />
David Spergel<br />
Licia Verde
Bild einer Kugeloberfläche von innen<br />
winzige Temperatur-schwankungen<br />
der Hintergrundstrahlung
Anisotropie der Hintergrundstahlung :<br />
Fleckengröße
Stärke der Temperaturschwankung<br />
in Abhängigkeit von Fleckengröße ( im Winkel )<br />
Kontrast<br />
ca 10 Grad<br />
ca 1 Grad<br />
Winkel
Akustische Schwingungen im Plasma<br />
ca 10 Grad<br />
ca 1 Grad
Schallwellen im frühen<br />
<strong>Universum</strong><br />
Länge<br />
berechenbar
Ω tot =1
Räumlich flaches <strong>Universum</strong><br />
Ω tot = 1<br />
Ω tot = 1<br />
Ω tot =0.25
Bestimmung kosmologischer Parameter<br />
Mittelwerte<br />
WMAP 2003<br />
Ω tot =1.02<br />
Ω m =0.27<br />
ca 10 Grad<br />
ca 1 Grad<br />
Ω b =0.045<br />
Ω dm =0.225
Räumlich flaches <strong>Universum</strong><br />
Ω tot = 1
<strong>Dunkle</strong> Energie<br />
Ω m + X = 1<br />
Ω m : 25%<br />
Ω h : 75%<br />
<strong>Dunkle</strong> Energie<br />
h : homogen , oft auch Ω Λ statt Ω h
<strong>Dunkle</strong> Energie<br />
dominiert das <strong>Universum</strong><br />
Energie - Dichte im <strong>Universum</strong><br />
=<br />
Materie + <strong>Dunkle</strong> Energie<br />
25 % + 75 %
Zusammensetzung des <strong>Universum</strong>s<br />
Atome : Ω b = 0.05<br />
<strong>Dunkle</strong> Materie : Ω dm = 0.22<br />
<strong>Dunkle</strong> Energie : Ω h = 0.73
<strong>Dunkle</strong> Energie<br />
• nur ein Viertel der Enegiedichte des <strong>Universum</strong>s<br />
besteht aus Materie<br />
• drei Viertel sind völlig gleichmäßig verteilte<br />
<strong>Dunkle</strong> Energie<br />
Woraus besteht das<br />
<strong>Universum</strong> ?
Eigenschaften der<br />
<strong>Dunkle</strong> Energie ?<br />
45
<strong>Dunkle</strong> Energie :<br />
homogen verteilt
<strong>Dunkle</strong> Energie :<br />
kosmologische Effekte
Vorhersagen für Kosmologie mit <strong>Dunkle</strong>r Energie<br />
Die Expansion des <strong>Universum</strong>s<br />
beschleunigt sich heute !
<strong>Dunkle</strong> Energie und <strong>Dunkle</strong> Materie<br />
sind ( heute ) Gegenspieler :<br />
<strong>Dunkle</strong> Materie verlangsamt Expansion<br />
<strong>Dunkle</strong> Energie beschleunigt Expansion
Strukturbildung<br />
Aus winzigen Anisotropien wachsen die<br />
Strukturen des <strong>Universum</strong>s<br />
Sterne , Galaxien, Galaxienhaufen<br />
Ein primordiales Fluktuationsspektrum beschreibt<br />
alle Korrelatonsfunktionen !
Simulationen im Computer
t = 13.6 Milliarden Jahre ( z=0 )<br />
Verteilung der <strong>Dunkle</strong>n Materie<br />
im <strong>Universum</strong><br />
Millenium simulation , VIRGO project
t = 1 Milliarde Jahre ( z =5.7 )
t = 13.6 Milliarden Jahre ( z=0 )
und Vergleich mit Beobachtung :<br />
Verteilung der <strong>Dunkle</strong>n Materie
t = 13.6 Milliarden Jahre ( z=0 )<br />
Zoom auf Galaxienhaufen
t = 13.6 Milliarden Jahre ( z=0 )
t = 13.6 Milliarden Jahre ( z=0 )
Vergleich mit<br />
Beobachtung
Strukturbildung :<br />
Ein primordiales Fluktuationsspektrum<br />
CMB passt mit<br />
Galaxienverteilung<br />
Lyman – α<br />
und<br />
Waerbeke<br />
Gravitationslinsen-<br />
Effekt !
<strong>Dunkle</strong> Energie :<br />
die Beobachtungen passen zusammen !
Konsistentes kosmologisches Modell !
Zusammensetzung des <strong>Universum</strong>s<br />
Ω b = 0.05 sichtbar klumpt<br />
Ω dm = 0.22 unsichtbar klumpt<br />
Ω h = 0.73 unsichtbar homogen
Was ist <strong>Dunkle</strong> Energie ?<br />
50
Was ist die <strong>Dunkle</strong> Energie ?<br />
Kosmologische Konstante<br />
oder<br />
Quintessenz<br />
oder<br />
Modifikation der Gravitation ?
Kosm. Konst. | Quintessenz<br />
statisch | dynamisch
Eigenschaften der <strong>Dunkle</strong>n<br />
Energie bestimmen die<br />
Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Vorhersagbarkeit für die nächsten<br />
100 Milliarden Jahre…
Quintessenz : neue fundamentale<br />
Wechselwirkung<br />
Starke,elektromagnetische,schwache<br />
Wechselwirkung<br />
Auf<br />
astronomischen<br />
Skalen:<br />
Graviton<br />
+<br />
Gravitation<br />
Kosmodynamik<br />
Kosmon
Vereinheitlichung<br />
aller Wechselwirkungen<br />
Ω m + X = 1<br />
Superstrings<br />
Zusätzliche<br />
Dimensionen<br />
Fundamentaler<br />
Ursprung der<br />
Massenskalen<br />
?<br />
Ω m : 25%<br />
Ω h : 75%<br />
<strong>Dunkle</strong> Energie
Modifikation Einstein’s<br />
allgemeiner Relativitätstheorie ?<br />
?
Zusammenfassung<br />
• Physik des <strong>Universum</strong>s in wesentlichen Zügen<br />
bekannt von 10 -10 Sekunden abb bis<br />
3 Milliarden Jahre abb.<br />
• Vorhersagen über Zukunft benötigen<br />
quantitatives Verständnis der <strong>Dunkle</strong>n Energie<br />
• Wir wissen noch nicht , was <strong>Dunkle</strong> Materie und<br />
<strong>Dunkle</strong> Energie ist
Quintessenz
Kosmologische Konstante<br />
• Konstante λ verträglich mit allen<br />
Symmetrien<br />
• Zeitlich konstanter Beitrag zur<br />
Energiedichte<br />
• Warum so klein ? λ/M 4 = 10 -120<br />
• Warum gerade heute wichtig?
Kosmologische Massenskalen<br />
• Energie - Dichte<br />
ρ ~ ( 2.4×10 -3 eV ) - 4<br />
• Reduzierte Planck Masse<br />
M=2.44×10 18 GeV<br />
• Newton’s Konstante<br />
GN=(8πM²)<br />
Nur Verhältnisse von Massenskalen sind beobachtbar !<br />
homogene dunkle Energie:<br />
Materie:<br />
ρ h /M 4 = 6.5 10ˉ¹²¹<br />
ρ m /M 4 = 3.5 10ˉ¹²¹
Zeitentwicklung<br />
• ρ m /M 4 ~ aˉ³ ~<br />
tˉ²<br />
Materie dominiertes <strong>Universum</strong><br />
tˉ3/2 Strahlungsdominiertes <strong>Universum</strong><br />
• ρ r /M 4 ~ aˉ4 ~ t -2 Strahlungsdominiertes <strong>Universum</strong><br />
Grosses Alter<br />
kleine Grössen<br />
Gleiche Erklärung für dunkle Energie ?
Kosm. Konst. | Quintessenz<br />
statisch | dynamisch
Quintessenz<br />
Dynamische dunkle Energie ,<br />
vermittelt durch Skalarfeld<br />
(Kosmon)<br />
Vorhersage : Ein Teil der Energiedichte<br />
des heutigen <strong>Universum</strong>s liegt<br />
als homogen verteilte ( dunkle)<br />
Energie vor.<br />
C.Wetterich,Nucl.Phys.B302(1988)668 24.9.87<br />
B.Ratra,P.J.E.Peebles,ApJ.Lett.325(1988)L17, 20.10.87
Skalarfeld<br />
Φ (x,y,z,t)<br />
•Ähnlich wie elektrisches Feld<br />
•Aber : keine Richtung ist<br />
ausgezeichnet<br />
(kein Vektor )
Kosmologische Gleichungen
Quintessenz wird heute wichtig
Zusammenhang zwischen<br />
jetziger <strong>Dunkle</strong>r Energie - Dichte<br />
und anwachsende Neutrino - Masse<br />
= 1.27<br />
<strong>Dunkle</strong> Energiedichte :<br />
ρ 1/4 ~ 2.4×10 -3 eV<br />
jetzige Zustandsgleichung ist<br />
gegeben durch Neutrino - Masse !
Wieviel dunkle Energie<br />
gab es im frühen <strong>Universum</strong> ?<br />
G.Robbers,M.Doran,…
Mögliche indirekte Beobachtung<br />
der fünften Wechselwirkung<br />
• winzige zeitliche Änderng der fundamentalen<br />
Natur – “Konstanten”<br />
• winzige scheinbare Verletzung des schwachen<br />
Äquivalenzprinzips ( Körper mit gleicher Masse<br />
fallen gleich schnell , unabhängig von ihrer<br />
stofflichen Zusammensetzung )
Zusammenfassung ( 2)<br />
Verständnis der <strong>Dunkle</strong>n Energie kann zu ganz<br />
neuen Einsichten über die fundamentalen<br />
Gesetze der Physik führen
Die großen Fragen<br />
• Woraus besteht das <strong>Universum</strong> ?<br />
• Wie sah das <strong>Universum</strong> am Anfang aus ?<br />
• Wie haben sich Strukturen entwickelt ?<br />
• Gibt es Leben und Intelligenz in anderen Regionen des<br />
<strong>Universum</strong>s ?<br />
• Woher kommen Materie und Strahlung ?<br />
• Was war vor dem Urknall ?<br />
• Was wird aus unserem <strong>Universum</strong> in der Zukunft ?<br />
• Was liegt außerhalb unseres Horizonts ?
Die Antwort der Künstlerin …<br />
Laura Pesce
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