Die dunkle Seite der Kosmologie

Franz Embacher

Vortrag im Rahmen von UNIorientiertUniversität Wien, 11. September 2008

Fakultät für Physik

Universität Wien

Kapitel 1

Schwarze Löcher

Nebel, WeißerZwerg, SL

Schwarzes Loch

Video-Clip: Sterne umkreisen ...

Quelle:http://www.mpe.mpg.de/ir/GC/images/movie2003.gif

Video-Clip: Schwarzes Loch in M87

Quelle: http://www.ncsa.uiuc.edu/Cyberia/NumRel/Movies/SupermassBlkHole.mpg

Kapitel 2

Dunkle Materie

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und M110

HST Deep Field

Video-Clip: Zoom auf ferne Galaxien

Quelle:http://oposite.stsci.edu/pubinfo/pr/96/01/HDF.mpg

Woraus besteht das Universum?

Energieinhalt des Universums vorläufiges Bild:

Materie, die nicht (oder nur schwach) leuchtet

• interstellares Gas• ausgebrannte Sterne, kleine kalte Objekte, Staub• intergalaktische Materie• je nach Sichtwinkel:

• Neutronensterne• schwarze Löcher

und:

• Dunkle Materie

Dunkle Materie

• Rotationskurven weit entfernter Sternen um GalaxienTheoretische Betrachtung:

M v

r

Aus dem NewtonschenGravitationsgesetz folgt:

v = G M

r

4-fache Entfernung halbe Geschwindigkeit

Dunkle Materie

Theoretisch wird also ein solcher Zusammenhangzwischen Entfernung und Geschwindigkeit erwartet:

0 1 2 3 4 5r0 .0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

1 .2

1 .4

v

normiert auf Radius = 1, v(Rand) = 1

Dunkle Materie

• Vermessung von Rotationskurven:

Dunkle Materie

• Rotationskurve der Galaxie NGC 3198:

20 30 4010r (kpc)

v (km/s)

50

100

150

200

Dunkle Materie

• Vermessung von Rotationskurven:

Dunkle Materie

• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie umgeben!

• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der Galaxiengröße!)

• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält, ist sichtbar!

• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält, kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!

• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie (fast) nur durch die Schwerkraft.

Dunkle Materie

• Woraus besteht die Dunkle Materie?

• Neutrinos? ... zu geringe Dichte• neue Teilchensorte?• Die erfolgreichsten Modelle nehmen an, Dunkle

Materie besteht aus „langsam“ bewegten Teilchen (v << c).CDM = cold dark matter

• Materie in einem „Paralleluniversum“, das mit dem unseren nur über die Schwerkraft wechselwirkt?

Dunkle Materie

• Modell: Dunkle Materie bildet „Potentialmulden“, in die die gewöhnliche Materie (Galaxien) fällt!CMD-Computer-Simulationen:

Galaxienverteilung experimentell 1

Galaxienverteilung experimentell 2

HST – Einstein-Ring

Kapitel 3

Dunkle Energie

Dunkle Energie

• Was ist das Vakuum?• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!

In diesem Fall besitzt das Vakuum einennegativen Druck!

MaterienormalesVerhalten

Energieinhaltwird vergrößert.

Energieinhaltwird verkleinert. positiver Druck

VakuumE ~ V

Energieinhaltwird verkleinert.

Energieinhaltwird vergrößert. negativer Druck

Das Universum dehnt sich aus Luftballon und Backofen

Das Universum dehnt sich aus

• Kosmologisches Prinzip: Das Universum sieht (im Großen) überall und in jede Richtung gleich aus.

• Daraus folgt: Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen „Dehnung“ aller Längen.

• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird• fix markierte Punkte: Galaxien• Spielzeugautos: Licht

• Quantitative Beschreibung der Expansion:der Skalenfaktor

a(t) = Länge zur Zeit t

Länge heute

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum war früher kleiner Urknall !

a(Urknall) = 0

Das Universum istheute (fast) flach.

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus

• Wie verläuft Expansion im Detail? Allgemeine Relativitätstheorie!

• Falls Strahlung oder Materie dominiert die Expansion verläuft gebremst. (Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert die Expansion verläuft beschleunigt! (Vakuumdominiertes Universum,Energiedichte des Vakuums = „kosmologische Konstante“)

• Welche der beiden Möglichkeiten trifft nun tatsächlich zu?

Theoretisches Modell: Materiedominiertes Universum

2 4 6 8 1 0t M rd J ah re0 .0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

at

gebremste Expansion

Theoretisches Modell: Universum mit Vakuumenergie

2 4 6 8 1 0 1 2 1 4t M rd J ah re0 .0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

at

gebremste Expansion

beschleunigte Expansion

Überprüfung von Weltmodellen

• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen überprüft werden?

• Rotverschiebung Geschwindigkeit der Quelle• Hubble-Gesetz

• Rotverschiebungs-Entfernungs-RelationBeziehung zwischen

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts

• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der Aussendung des Lichts

v = H D0

Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

direkt messbar

indirekt messbar

nicht messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation

0 1 2 3 4 5 6z0

5 0 0

1 0 0 0

1 5 0 0

2 0 0 0

D M p c vakuumdominiertes

Modell

materiedominiertes Modell

Supernovae Ia als Standardkerzen

• Wie können sehr große Entfernungen gemessen werden?

• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd „Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die Entfernung abgeschätzt werden.

Doppelsternsystem

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen einer kritischen Masse

weißer Zwerg

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation

0 1 2 3 4 5 6z0

5 0 0

1 0 0 0

1 5 0 0

2 0 0 0

D M p c vakuumdominiertes

Modell

materiedominiertes Modell

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)

0 1 2 3 4 5 6z0

5 0 0

1 0 0 0

1 5 0 0

2 0 0 0

D M p c vakuumdominiertes

Modell

materiedominiertes Modell

Das moderne Standardmodell der Kosmologie

• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie (Dunkle Energie, kosmologische Konstante).

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt expandiert.

• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70% der gesamten Energie des Universums.

• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen gestützt:

• Großräumige Galaxienverteilung

• Verteilung der leichten Elemente im Universum

• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Die kosmische Hintergrundstrahlung

WMAP, 2003

T

T= 6 10

6

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... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UNIorientiert2008/