Dunkle Materie und dunkle Energie

Franz EmbacherFakultät für Physik der Universität Wien

Vortrag am Vereinsabend vonANTARES – NÖ Astronomen

St. Pölten, 9. 9. 2011

Die Bestandteile…

Woraus besteht das Universum?• Sterne, Planeten,… Galaxien• Staub• Gas• elektromagnetische Strahlung

(Licht, Radar-, UV-, Röntgen- undGammastrahlung,kosmische Hintergrundstrahlung = CMB)

• Neutrinos• ...?

normale(„baryonische“)Materie}

Die normale Materie

„Baryonische“ Materie• besteht aus den bekanntesten Elementarteilchen

(Protonen, Neutronen, Elektronen,…)

• Normale Materie wechselwirkt mit Photonen(Licht-Teilchen) „leuchtet“

• Kernkräfte („starke“ und „schwache“ Kraft)• Gravitationskraft (Schwerkraft)• Bildet Atomkerne, Atome ( Chemie),

Sterne und Planeten

Baryonen Leptonen

Andromeda-Galaxie

xxx• xxx• Xxx• xxx• xxx

Hubble Deep Field

xxx• xxx• Xxx• xxx• xxx

alle Galaxienxxx

• xxx• Xxx• xxx• xxx

Schwerkraft

Die Schwerkraft dominiert alle bekanntenKräfte über große Entfernungen. Sie hältGalaxien zusammen („Bindungskraft“) undbestimmt ihre Dynamik.

Unstimmigkeiten

Bereits seit den 1930er Jahren tratenUnstimmigkeiten auf:

• 1932 Jan Hendrik Oort: Die Scheibe derMilchstraße ist dünner als aus derSchwerkraft der beobachteten Materieerklärbar.

• 1933 Fritz Zwicky: der Coma-Galaxienhaufenkann nicht durch die Schwerkraft seinersichtbaren Bestandteile zusammengehaltenwerden.

• 1960 Vera Rubin: „Rotationskurven“

Rotationskurven

Geschwindigkeiten einzelner, weit draußen umeine Galaxie kreisender Sterne

M v

r

Aus dem NewtonschenGravitationsgesetz folgt:

v = G M

r

4-fache Entfernung halbe Geschwindigkeit

Rotationskurven

Theoretische Erwartung:

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

Beobachtung

Rotationskurve der Galaxie NGC 3198

20 30 4010r (kpc)

v (km/s)

50

100

150

200

„flache“ Rotationskurve

Beobachtung

Erklärung?

„Halo“ ausMaterie, dieman nicht

sieht!

Dunkle Materie

Galaktischer Halo, der nicht leuchtet, aber90% der gesamten Masse der Galaxie enthält!

Es gibt weitere Hinweise auf die dunkle Materie…

Gravitationslinsen…

GravitationslinseGalaxy Cluster 0024+1654 …erlauben eine

genauereBestimmung derMassen vonGalaxienhaufen Bestätigung

Kosmologische Argumente: CMB-Fluktuationen

380 000 Jahre nach dem Urknall – zu großeInhomogenitäten (Strahlungsdruck)! DT

T = 6 10-6

Kosmologische Argumente: CMB-Fluktuationen

xxx• xxx• Xxx• xxx• xxx

Kosmologische Argumente: Strukturbildung

Computersimulationen

Zur Bildung der heutigen Strukturen (Galaxien und Galaxienhaufen)war nicht genügen Zeit – außer, es gibt dunkle Materie!

Galaxienfallen in die„Potentialtöpfe“der dunklenMaterie

Galaxienzählungen

Kosmologische Argumente: Primordiale Nukleosynthese

Entstehung der Elemente im Urknall und ihreVerteilung im Universum

• 75% Wasserstoff25% Helium+ wenig andere Elemente

• Kernphysik kann die Verteilung der Elementeunter der Annahme erklären, dass nur etwaein Fünftel der im Universum vorhandenenMaterie der baryonisch ist!

• Daher scheiden die offensichtlichsten Kandidaten(ausgebrannte Sterne, braue Zwerge,…= „MACHOs“) aus!

Eigenschaften der dunklen Materie

Dunkle Materie• wechselwirkt mit dem Rest des Universums

(fast?) nur über die Schwerkraft• ist nicht baryonisch, also

keine „normale Materie“• ist überwiegend nichtrelativistisch

(„cold dark matter“, CDM)• kann bei einem Gravitationskollaps keine

Energie abstrahlen und daher nicht zu kleinenkompakten Objekten („Sternen“) kondensieren

Woraus besteht die dunkle Materie?

Und woraus besteht sie? Wir wissen es nicht!• Neutrinos („hot dark matter“, HDM)?

Zu wenige, zu schnell!• Materie in einem Paralleluniversum?

Würde kondensieren!• Schwach wechselwirkende Teilchen (WIMPs)

• Supersymmetrie (leichtestessupersymmetrisches Teilchen) wird vielleicht am LHC entdeckt!?

• Axionen? wird vielleicht am LHC entdeckt!?

Doch damit nicht genug…

Die „dunkle Energie“• Was ist das „Vakuum“? Könnte es eine

Energiedichte besitzen?• Kosmologische Kontante (Einsteins „größte

Eselei“)• Aus den Grundgleichungen der Kosmologie

folgt: Eine nichtverschwindende (positive)Energiedichte des Vakuums beschleunigt dieExpansion! Dies war jahrzehntelang eine reintheoretische Spekulation, bis…

Weltmodelle

Expansion des Universums• Kosmologisches Prinzip: das Universum

ist auf großen Skalen homogen und isotrop(zumindest näherungsweise erfüllt).

• Auf großen Skalen wird das Universum„gleichmäßig aufgeblasen“.

• Skalenfaktor

• Rotverschiebung des Lichtsa(t) =

Entfernung zur Zeit t

Entfernung heute

z = l beobachtet l emittiert

l emittiert

-a =

1

1 + z

Weltmodelle

Materiedominiertes Universum

2 4 6 8 10t M rd J ah re0 .0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

at

Weltmodelle

Universum mit Vakuumenergiedichte

2 4 6 8 10 12 14t M rd J ah re0 .0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

at

Wie kann ein Weltmodell überprüft werden?

Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation

0 1 2 3 4 5 6z0

500

1000

1500

2000

D Mpc Vakuumdominiertes Modell: Energiedichte des Vakuums = 73% der gesamten Energiedichte

Materiedominiertes Modell: Energiedichte des Vakuums = 0Linearer Bereich: D = z

cH0

Wie kann ein Weltmodell überprüft werden?

Supernovae vom Typ Ia als „Standardkerzen“

Doppelsternsystem

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen einer kritischen Masse

weißer Zwerg

Supernovae dieses Typs sind alle (ungefähr)gleich hell!

Beobachtung von Supernovae vom Typ Ia

Supernova-Daten (seit 1998)

0 1 2 3 4 5 6z0

500

1000

1500

2000

D Mpc

Richtungs-Korrelationen in der Hintergrundstrahlung

Bestimmung des Anteils der Materie an der„kritischen Dichte“ des Universums

Das heutige Standardmodell der Kosmologie

Energieinhalt des Universums:• 73% dunkle Energie• 27% Materie und Strahlung:

• 23% dunkle Materie• 4% gewöhnliche (baryonische) Materie:

• 0.5% leuchtend• 3.5% nicht leuchtend

• 0.3% Neutrinos• 0.005% Photonen (v. a. Hintergrundstrahlung)

Energie = Masse c2

Das heutige Standardmodell der Kosmologie

Energieinhalt des Universums:

0.5 %sichtbar

3.5 %dunkel

27 %dunkel

73 %dunkel

baryonischeMaterie

nicht-baryonischeMaterie

dunkle Energie(kosmologische Konstante)

0.3 %Neutrinos

Danke

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Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/ Antares2011/