Post on 27-May-2020
Dunkle Materie Dunkle Energie
Dunkle Materie und Energie
Christoph Smaczny
6. Juli 2017
Christoph Smaczny
Dunkle Materie und Energie
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Zusammenhalt von Galaxienhaufen
I 1933: Fritz Zwicky untersucht Coma-Galaxienhaufen
I Galaxien bewegen sich zu schnell in Relation zur sichtbaren
Masse
I Virialsatz: T = −U/2T = 1
2MV 2, U = −GM2/R
⇒ M = R V 2/G
I Zwicky errechnet für M 3 · 1014 Sonnenmassen von denen nur
1012 durch sichtbare Galaxien erklärbar
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Heiÿes Gas in Galaxienhaufen
I 1970er: Röntgenemission von Galaxienhaufen gemessen
I Ursprung: Heiÿes Gas
I Bestimmung von Temperatur und Verteilung des Gases
möglich
I Gesamtmasseverteilung im Galaxienhaufen durch
Hydrostatische Gasgleichung bestimmbar:
M(r) ≈ kTµmp
rG
∆ρρ
I Masse des Gases 4 bis 5 mal so groÿ wie die der Sterne
I Diskrepanz zwischen detektierbarer und erforderlicher Masse
verringert sich auf einen Faktor von ca. 6
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Stabilität von Scheibengalaxien
I 1960er: Computer werden hinreichend leistungsfähig für
N-Körpersimulationen (N ≈ 100 000)
I Miller und Prendergast (1968) und unabhängig davon Hohl
(1969) wollen Spiralgalaxien simulieren
I Anfangsbedingungen der Simulation: Runde Scheibe aus
Teilchen im Gleichgewicht (Gravitation ≈ Zentrifugalkraft)
⇒ Erwartung: Globale Struktur sollte sich nicht ändern
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I Frank Hohl (1971)
I 100 000 Sterne
I Schlieÿlich wieder ungefähr
rund, jedoch
Teilchenbahnen nicht mehr
Kreisförmig
I Instabil
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I Verschiedene Ansätze zur Behebung des Problems wurden
probiert
I Ein Ansatz: Künstliches Kühlen einiger Teilchen
I Sinnvoll, da Gaswolken kollidieren und dabei Energie verlieren
können
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I Miller, Prendergast and Quirk (1970)
I links: gekühlte Teilchen (Gas), rechts: ungekühlte Teilchen
(Sterne)
I Sterne zeigen auch leichte (hier nicht gut erkennbare)
Spiralstruktur
I Nach längerer Zeit jedoch auch hier Instabilität
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Dunkle-Materie-Halos
I 1973, Ostriker und Peebles: Simulation von Galaxien mit
Dunkle-Materie-Halos
I Virialsatz: 2T + U = 0
mit T = Trot + Tran
⇒ t + r = 1/2 mit t = Trot/(−2U) und r = Tran/(−2U)
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Abbildung: Einuss von Halos auf die Entwicklung von Galaxien (Ostrikerund Peebles, 1973).
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Rotationskurven von Spiralgalaxien
I Rotation um Massepunkt M:GmMr2
= FG = FZ = mV 2
r ⇒ V =√
GMR
I Rotationsgeschwindigkeit nimmt mit 1/√r ab
I Wenn Masse ausgedehnt, kugelsymmetrisch: M → M(r)
I V (r) = p√
GM(r)r
I p zur Korrektur von nicht-kugelsymmetrischer Verteilung
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I 21-cm-Emissionslinie von
neutralem Wassersto, auch
in groÿer Entfernung von
Zentrum, wo kaum sichtbare
Sterne: keine 1√r-Abnahme.
I M(r) ∝ r
I Aber Oberächenhelligkeit
nimmt exponentiell ab:
I (r) = I0e−r/h
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Gravitationslinsen
I ART: Licht wird im Gravitationsfeld abgelenkt
I Massenverteilung eines als Gravitationslinse wirkenden
Galaxienhaufens bestimmbar
I Ergebnisse i. d. R. vergleichbar mit denen aus Messung der
Röntgenemission
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Abbildung: Quasar QSO 2237+0305 hinter dem Kern einer etwa 400Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie, die als Gravitationslinse wirkt(NASA, ESA)
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Zusammensetzung dunkler Materie
I Vermutungen bis in 80er: kaltes Gas, leichte Sterne,
Neutronensterne, leichte schwarze Löcher ⇒ Baryonische
dunkle Materie
I Nicht-Baryonische dunkle Materie die nur schwach mitBaryonen und Photonen interagiert
I Teilchen aus der Theorie der Supersymmetrie
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Alternative Theorien
I MOND-Theorie: 1983 von Mordehai Milgrom als Alternative
zum Postulat der Dunklen Materie vorgeschlagen
I F = m µ(|a|/a0) amit µ(x) = 1 für x 1 und µ(x) = x für x 1
I Gute Voraussage von Rotationskurven
I Anwendung auf Galaxienhaufen: Diskrepanz verringert, aber es
bleibt ca. Faktor 2 bis 3
I Mond ist nicht relativistisch ⇒ z. B. keine Aussagen zu
Gravitationslinseneekt
I Relativistische Erweiterung: TeVeS (Tensorvectorscalar
gravity)
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Beschleunigte Expansion des Universums
I 1917: Einstein bemerkte, dass Universum laut ART nicht
stabil; führte Kosmologische Konstante Λ ein, um Universum
statisch zu machen
I 1929: Hubbel'sches Gesetz ⇒ Einstein verwarf Kosmologische
Konstante
I 1934, Lemaître: Kosmologische Konstante als Vakuumenergie
auassen ⇒ Beitrag ρΛ = Λ8πG zur Energiedichte
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I Kritische Dichte: ρc = 3H2
8πG
I Dichteparameter ΩΛ = ρΛρc, ΩM = ρM
ρc
I Leuchtkraftentfernung dL =√
L4πl
I Rotverschiebung z = λobs−λemλem
I dL(z ;H0,ΩM ,ΩΛ) = 1+zH0
∫ z0
dz ′√ΩM(1+z ′)3+ΩΛ
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I Erste systematische Suche nach weit entfernten Typ Ia
Supernovae in 1980ern → geringer Erfolg, da Supernovae
selten
I 1988: Saul Perlmutter initiiert Supernova Cosmology Project
um gebremste Expansion zu zeigen
I ab 1994: parallele Forschung von Brian Schmidt und Adam
Riess im High-z Supernova Search Team
I Licht schwächer als erwartet ⇒ Beschleunigte Expansion
I Nobelpreis 2011 für Perlmutter, Schmidt und Riess
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I Perlmutter (1999)
I Best-Fit:
ΩM = 0, 28, ΩΛ = 0, 72
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Erklärungsansätze
I QuantenuktuationI In relativistischer Quantenphysik ist das Vakuum mit
Quantenuktuationen gefülltI Die sich ergebende Energiedichte weicht jedoch um 122
Gröÿenordnungen vom erwarteten Wert ab
I Quintessenz: ähnlicher Eekt wie während Ination könnte
wirken
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Sanders, Robert H. (2010): The Dark Matter Problem, A
Historical Perspective.
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/
laureates/2011/advanced-physicsprize2011.pdf
https://arxiv.org/pdf/astro-ph/9812133.pdf
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