Dunkle Energie –Ein kosmisches Raetsel

Urknall und Dunkle Energie-über Anfang und Ende des Universums

Expansion des Expansion des UniversumsUniversums

Der Raum zwischen den Der Raum zwischen den Galaxienhaufen dehnt sich aus.Galaxienhaufen dehnt sich aus.

Früher war das Universum dichter,Früher war das Universum dichter, … … und heisser.und heisser. Zurückverfolgung der Einstein’schen Zurückverfolgung der Einstein’schen

kosmologischen Gleichungen : kosmologischen Gleichungen : Urknall, extrem heisser Feuerball !Urknall, extrem heisser Feuerball ! Bis ca 400 000 Jahre nach dem Bis ca 400 000 Jahre nach dem

Urknall : heisses Plasma aus Protonen, Urknall : heisses Plasma aus Protonen, Elektronen und StrahlungElektronen und Strahlung

Signale des UrknallsSignale des Urknalls

HintergrundstrahlungHintergrundstrahlung

Fiat lux ( 400 000 Jahre nach Fiat lux ( 400 000 Jahre nach Urknall)Urknall)

Primordiale Elementsynthese Primordiale Elementsynthese (Nucleosynthese)(Nucleosynthese)

Beginn der Chemie ( 10 Minuten ab )Beginn der Chemie ( 10 Minuten ab )

A.CocA.Coc

PrimordialePrimordialeHäufigkeiten derHäufigkeiten derleichten Elementeleichten Elementeaus deraus derNukleosyntheseNukleosynthese

BaryondichteBaryondichte

WMAPWMAP

Präzise Bestätigung Präzise Bestätigung unseres unseres

Verständnisses der Verständnisses der Physik und Physik und KosmologieKosmologie

Beispiel : auch vor 13.7 Beispiel : auch vor 13.7 Milliarden Jahren hatten die Milliarden Jahren hatten die Konstanten der Physik die Konstanten der Physik die

( fast ) gleichen Werte( fast ) gleichen Werte

typische mögliche Werte der typische mögliche Werte der Variation der Feinstrukturkonstanten:Variation der Feinstrukturkonstanten:

ΔαΔα//αα ( z=10 ( z=1010 10 ) = -1.0 10) = -1.0 10-3 -3 GUT 1GUT 1ΔαΔα//αα ( z=10 ( z=1010 10 ) = -2.7 10) = -2.7 10-4 -4 GUT 2GUT 2

C.Mueller,G.Schaefer,…C.Mueller,G.Schaefer,…

Ωb=4.5 %

Aus Nukleosynthese,Kosmischer Hintergrundstrahlung

Anteil der Atome an der Anteil der Atome an der Energiedichte des Energiedichte des

UniversumsUniversums

~60,000 von >300,000Galaxien

Baryonen/AtomeBaryonen/Atome StaubStaub ΩΩbb=0.045=0.045 Nur 5 Nur 5

Prozent Prozent unseres unseres UniversumsUniversums

bestehen bestehen aus aus bekannter bekannter Materie !Materie !

SDSS

Abell 2255 Cluster~300 Mpc

Woraus besteht Woraus besteht unserunser

Universum ?Universum ?

Feuer , Luft, Wasser, Erde !

Quintessenz !

Zusammensetzung des Zusammensetzung des UniversumsUniversums

ΩΩb b = 0.05= 0.05

ΩΩdmdm= 0.2= 0.2

ΩΩh h = 0.75= 0.75

Kritische DichteKritische Dichte ρρcc =3 H² M² =3 H² M² Kritische Energiedichte des Kritische Energiedichte des

Universums Universums ( M : reduzierte Planck-Masse , M( M : reduzierte Planck-Masse , M-2-2=8 =8 ππ G ; G ; H : Hubble Parameter )H : Hubble Parameter )

ΩΩbb==ρρbb//ρρcc

Anteil der Baryonen an der Anteil der Baryonen an der (kritischen) Energiedichte(kritischen) Energiedichte

Materie :

Alles , was klumpt

Dunkle MaterieDunkle Materie

ΩΩmm = 0.25 “Materie” insgesamt = 0.25 “Materie” insgesamt

Die meiste Materie ist dunkel !Die meiste Materie ist dunkel !

Bisher nur durch Gravitation spürbarBisher nur durch Gravitation spürbar

Alles was klumpt! Alles was klumpt! GravitationspotentialGravitationspotential

Gravitationslinse,HST

Lichtstrahlen werden durch Lichtstrahlen werden durch Massen abgelenktMassen abgelenkt

Gravitationslinse,HST

Dunkle +Dunkle +baryonische Materie :baryonische Materie :

Alles was klumpt !Alles was klumpt !

ΩΩmm = 0.25 = 0.25

Räumlich flaches Räumlich flaches UniversumUniversum

Theorie (Inflationäres Universum )Theorie (Inflationäres Universum )

ΩΩtottot =1.0000……….x =1.0000……….x

Beobachtung ( WMAP )Beobachtung ( WMAP )

ΩΩtottot =1.02 (0.02) =1.02 (0.02)

ΩΩtottot = = 11

Foto des UrknallsFoto des Urknalls

NASA/GSFCChuck Bennett (PI)Michael GreasonBob Hill Gary Hinshaw Al KogutMichele LimonNils OdegardJanet WeilandEd Wollack

PrincetonChris Barnes Norm Jarosik Eiichiro KomatsuMichael Nolta

UBCMark Halpern

ChicagoStephan Meyer

BrownGreg Tucker

UCLANed Wright

Science Team:

Wilkinson Microwave Anisotropy ProbeA partnership between NASA/GSFC and Princeton

Lyman PageHiranya PeirisDavid SpergelLicia Verde

Mittelwerte

Ωtot =1.02

Ωm =0.27

Ωb =0.045

Ωdm =0.225

Anisotropie der Anisotropie der HintergrundstrahlungHintergrundstrahlung

10 10 o o 1 1 oo Winkel Winkel

ΩΩtottot=1=1

Dunkle EnergieDunkle Energie

ΩΩmm + X = 1 + X = 1

ΩΩmm : 25% : 25%

ΩΩhh : 75% : 75% Dunkle Dunkle

EnergieEnergieh : homogen , oft auch ΩΛ statt Ωh

Dunkle Energie :

homogen verteilt

Vorhersagen für Kosmologie mit Vorhersagen für Kosmologie mit Dunkler EnergieDunkler Energie

Die Expansion des Universums

beschleunigt sich heute !

Zeit

Perlmutter Perlmutter 20032003

AbstandAbstand

Supernova Ia Hubble-Supernova Ia Hubble-DiagrammDiagramm

Riess et al. 2004Riess et al. 2004Rotverschiebung z

StrukturbildungStrukturbildung

Aus winzigen Anisotropien wachsen Aus winzigen Anisotropien wachsen die Strukturen des Universumsdie Strukturen des Universums

Sterne , Galaxien, GalaxienhaufenSterne , Galaxien, Galaxienhaufen

EinEin primordiales primordiales Fluktuationsspektrum beschreibtFluktuationsspektrum beschreibt allealle Korrelatonsfunktionen !Korrelatonsfunktionen !

Strukturbildung : Strukturbildung : EinEin primordiales primordiales

FluktuationsspektrumFluktuationsspektrum

Waerbeke

CMB passt mit

Galaxienverteilung

Lyman – α

und

Gravitationslinsen-Effekt !

Zufall und GesetzZufall und Gesetz

Einfachheit und KomplexitätEinfachheit und Komplexität

Konsistentes kosmologisches Modell !

Zusammensetzung des Zusammensetzung des UniversumsUniversums

ΩΩb b = 0.05 = 0.05 sichtbar sichtbar klumptklumpt

ΩΩdmdm= 0.2 = 0.2 unsichtbarunsichtbar klumptklumpt

ΩΩh h = 0.75 = 0.75 unsichtbarunsichtbar homogenhomogen

Dunkle Energie –Ein kosmisches Raetsel

Dunkle Energie-ein kosmisches Rätsel

Was ist die dunkle Energie ?

Kosmologische Konstante oder Quintessenz ?

Kosmologische Kosmologische KonstanteKonstante

Konstante Konstante λλ verträglich mit allen verträglich mit allen SymmetrienSymmetrien

Zeitlich konstanter Beitrag zur Zeitlich konstanter Beitrag zur EnergiedichteEnergiedichte

Warum so klein ? Warum so klein ? λλ/M/M44 = 10 = 10-120-120

Warum gerade heute wichtig?Warum gerade heute wichtig?

Kosm. Konst. | Quintessenz statisch | dynamisch

Kosmologische Kosmologische MassenskalenMassenskalen

Energie - DichteEnergie - Dichte

ρρ ~ ( 2.4×10 ~ ( 2.4×10 -3-3 eV )eV )- 4- 4

Reduzierte Planck Reduzierte Planck MasseMasse

M=2.44M=2.44×10×101818GeVGeV Newton’s Newton’s

KonstanteKonstante

GGNN=(8=(8ππM²)M²)Nur VerhNur Verhältnisse vonältnisse von Massenskalen sind beobachtbar ! Massenskalen sind beobachtbar !

homogene dunkle Energie: homogene dunkle Energie: ρρhh/M/M44 = 6.5 = 6.5 10ˉ¹²¹10ˉ¹²¹

Materie: Materie: ρρmm/M/M4= 3.5 10ˉ¹²¹= 3.5 10ˉ¹²¹

ZeitentwicklungZeitentwicklung

ρρmm/M/M4 4 ~ aˉ~ aˉ³ ³ ~~

ρρrr/M/M4 4 ~ aˉ~ aˉ44 ~ ~ t t -2-2 Strahlungsdominiertes Universum

Grosses Alter kleine Grosses Alter kleine GrössenGrössen

Gleiche Erklärung für dunkle Gleiche Erklärung für dunkle Energie ?Energie ?

tˉ² Materie dominiertes Universum

tˉ3/2 Strahlungsdominiertes Universum

QuintessenzQuintessenz Dynamische dunkle Dynamische dunkle

Energie ,Energie , vermittelt durch Skalarvermittelt durch Skalarfeldfeld (Kosmon)(Kosmon)

Vorhersage : Ein Teil der Vorhersage : Ein Teil der Energie-dichte des heutigen Energie-dichte des heutigen Universums liegt als homogen Universums liegt als homogen verteilte ( dunkle) Energie vor.verteilte ( dunkle) Energie vor.

C.Wetterich,Nucl.Phys.B302(1988)668 C.Wetterich,Nucl.Phys.B302(1988)668 24.9.87 24.9.87B.Ratra,P.J.E.Peebles,ApJ.Lett.325(1988)L1B.Ratra,P.J.E.Peebles,ApJ.Lett.325(1988)L17, 20.10.877, 20.10.87

SkalarfeldSkalarfeld

ΦΦ (x,y,z,t) (x,y,z,t)Ähnlich wie elektrisches Ähnlich wie elektrisches

FeldFeldAber : keine Richtung ist Aber : keine Richtung ist

ausgezeichnetausgezeichnet

(kein Vektor )(kein Vektor )

““Fundamentale” Fundamentale” WechselwirkungenWechselwirkungen

Starke,elektromagnetische,schwacheWechselwirkung

Gravitation Kosmodynamik

Auf astronomischen Skalen:

Graviton

+

Kosmon

Kosmologische Kosmologische GleichungenGleichungen

Quintessenz wird heute Quintessenz wird heute wichtigwichtig

Wie kann man Wie kann man Quintessenz von Quintessenz von kosmologischer kosmologischer

Konstanten Konstanten unterscheiden ?unterscheiden ?

Wieviel dunkle EnergieWieviel dunkle Energiegab es im frühen Universum ?gab es im frühen Universum ?

Eigenschaften der Eigenschaften der Dunklen Energie Dunklen Energie

betimmen die Zukunft betimmen die Zukunft des Universumsdes UniversumsVorhersagbarkeit für die Vorhersagbarkeit für die

nächsten nächsten

100 Milliarden Jahre…100 Milliarden Jahre…

Näher an den UrknallNäher an den Urknall Je näher an den Urknall, desto höher die Je näher an den Urknall, desto höher die

Temperatur und Energie der TeilchenTemperatur und Energie der Teilchen Physik bei hohen Energien weniger gut Physik bei hohen Energien weniger gut

bekanntbekannt Ab 10Ab 10-10 -10 Sekunden ab : Im wesentlichen Sekunden ab : Im wesentlichen

bekannte Physikbekannte Physik

(Quark Gluon Plasma wird experimentell (Quark Gluon Plasma wird experimentell getestet, detaillierte Eigenschaften nicht getestet, detaillierte Eigenschaften nicht zentral für unser Bild der Kosmologie . )zentral für unser Bild der Kosmologie . )

Wir verfügen über Wir verfügen über zuverlässiges Wissen über die zuverlässiges Wissen über die Entwicklung des Universums Entwicklung des Universums seit den ersten 10 seit den ersten 10 -10 -10 Sekunden ! Sekunden !

Elektroschwacher Elektroschwacher PhasenübergangPhasenübergang

10 10 -12 -12 Sekunden abSekunden ab Physik noch nicht hinreichend Physik noch nicht hinreichend

bekannt.bekannt. Neue Beschleuniger : LHCNeue Beschleuniger : LHC

Inflationäres UniversumInflationäres Universum

Ca 10 Ca 10 -30-30 - 10 - 10 -40 -40 Sekunden abSekunden ab Entstehung der primordialen Entstehung der primordialen

FluktuationenFluktuationen aus Quantenfluktuationenaus Quantenfluktuationen

Signale vom Urknall !Signale vom Urknall !

Spekulative Physik ..Spekulative Physik ..

Zusätzliche RaumdimensionenZusätzliche Raumdimensionen SuperstringtheorienSuperstringtheorien ““Kosmologie vor dem Urknall”Kosmologie vor dem Urknall” MultiversumMultiversum

Chancen der Chancen der Verifizierung ?Verifizierung ?

Es fehlt vereinheitlichte Theorie Es fehlt vereinheitlichte Theorie aller Wechselwirkungen !aller Wechselwirkungen !

Dennoch : Beobachtungen Dennoch : Beobachtungen geben Aufschluss über extreme geben Aufschluss über extreme frühe Epochen der frühe Epochen der kosmologischen Entwicklung !kosmologischen Entwicklung !

ZusammenfassungZusammenfassung

Physik des Universums in wesentlichen Physik des Universums in wesentlichen Zügen bekannt vonZügen bekannt von 10 10 -10 -10 Sekunden ab bis Sekunden ab bis 3 Milliarden Jahre ab.3 Milliarden Jahre ab.

Vorhersagen über Zukunft benötigen Vorhersagen über Zukunft benötigen quantitatives Verständnis der Dunklen quantitatives Verständnis der Dunklen EnergieEnergie

Frühes Universum : Frühes Universum : ElementarteilchenphysikElementarteilchenphysik

ΩΩmm + X = 1 + X = 1

ΩΩmm : 25% : 25%

ΩΩhh : 75% : 75% Dunkle Dunkle

EnergieEnergie

?

Vereinheitlichung aller Wechselwirkungen

Superstrings

Zusätzliche Dimensionen

FundamentalerUrsprung der Massenskalen

EndEndee

WMAP 2006WMAP 2006

Polarisation