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Dunkle Materie Rotation der Milchstraße und die Vortrag im Rahmen des Seminars „Entstehung und Entwicklung der Galaxis“ Marius Halosar 11.01.2013

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Dunkle Materie

Rotation der Milchstraße

und die

Vortrag im Rahmen des Seminars „Entstehung und Entwicklung der Galaxis“

Marius Halosar 11.01.2013

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Inhalt

• Ganz kurze Geschichte der dunklen Materie (DM)

• Einige Gründe, warum sie eingeführt wurde

• Die Galaxis und ihre Parameter

• Rotationskurven

• Der Bullet Cluster und der „Beweis für DM“

• Gegenmeinungen

• Alternativen zur DM

• Analyse der DM

• Ende

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Warum „Dunkle Materie“ ?

• Schon im Jahr 1933 entdeckte Fritz Zwicky durch Anwendung des Virialtheorems auf den

Coma – Haufen, dass dieser nicht durch die Gravitationswirkung seiner sichtbaren

Bestandteile allein zusammengehalten werden kann. Er postulierte daher als erster den

Begriff „Dunkle Materie“. Seine Hypothese stieß aber auf breite Ablehnung.

• Seit ca. 1960 wurde insbesondere von der amerikanischen Astronomin Vera Rubin die

Rotationsgeschwindigkeit von Spiralgalaxien untersucht. Die Rotationskurven zeigen in den

äußeren Bereichen keine 1/r Abnahme, wie es nach Newton sein sollte, sondern laufen

flach. Dieses Verhalten konnte nur durch einen Halo aus dunkler Materie erklärt werden!

• Gravitationslinsen

• Strukturbildung im frühen Universum und Silk – Dämpfung (Joseph Silk,1968)

Die intensive Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie bei hohen Temperaturen

dämpfte nach dem Urknall effizient die Bildung von Strukturen auf kleinen Skalen im

expandierenden Kosmos. (Silk – Dämpfung)

Daher sollten auf diesen Skalen auch keine Temperatur - bzw. Dichteschwankungen in der

Hintergrundstrahlung erkennbar sein. Zum Zeitpunkt der Rekombination waren diese

Fluktuationen aber bereits vorhanden. ( δP ~ 10-5)

Da dies aber nicht auf das Klumpen von baryonischer Materie zurückgeführt werden kann,

wird angenommen, dass nicht mit Strahlung wechselwirkende dunkle Materie Potentialtöpfe

gebildet hat, um die sich die Fluktuationen herausbildeten!

• Die bisher größte N-body (Milleniums)-Simulation XXL enthält 67203 DM - Partikel mit je

8,5.109 Msun in einer Box von 4,1 Gpc Seitenlänge und umfasst 13,7 GJ. Sie verfolgt das

nichtlineare Wachstum von DM-Strukturen in einem expandierenden Universum. (2011)

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Millenium survey XXL, erstellt am Jülich Supercomputer, 2010. Jeder Zoom bringt 8 fache Vergrößerung

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Die Galaxis und ihre Parameter

• Unsere Milchstraße besteht wie alle Spiralgalaxien aus dem Bulge,

der Scheibe (dicke und dünne Scheibe), sowie dem Halo, der

näherungsweise als isotherme Kugel angesehen werden kann.

• Diesem wird die Masse der dunklen Materie zugerechnet.

• Es handelt sich um ein stoßfreies System und die Sterne und das

Gas bewegen sich im gemeinsamen Gravitationspotential.

• Das System relaxiert durch Phasenmischung.

• Die grundlegenden Parameter für das Milchstraßensystem sind nach

wie vor kontrovers, was besonders die Rotationsgeschwindigkeit am

Ort der Sonne, den Abstand zum GZ und die Oortschen Konstanten

betrifft. Mit den offiziellen Empfehlungen der IAU von :

• VR = 220 km/s und R0 = 8,5 Kpc ergibt sich für einen Sonnenumlauf

P = 240.106 Jahre

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Rotationskurven der Galaxis

• Rotationskurven sind grundlegend für die Massenverteilung

• Enorme Datenmengen wurden zu deren Ermittlung mit

verschiedenen Methoden zusammengetragen:

• HI und CO Linienmessungen für die innere Galaxis

• optische Distanz -u. Geschwindigkeitsmessungen sowohl vom

Boden aus, als auch durch Satelliten für die äußere Galaxis.

• Trotz aller dieser Anstrengungen ist die Rotationskurve der

Galaxis bislang nur annähernd bekannt, da die Messwerte

besonders außerhalb der Sonnenbahn stark streuen.

• Eine japanische Studie, die alle bekannten Messwerte an

einheitliche Ausgangsparameter anpasst, soll im Folgenden

vorgestellt werden (Y. Sofue et. al, 2008):

„Unified Rotation Curve of the Galaxy – Decomposition into the

Vaucouleurs Bulge, Disc, Dark Halo and the 9 kpc rotation Dip

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Der Aufbau der Milchstraße

• Bulge Masse: M = 1,8 . 1010 Mо

zentrale Dichte: ρ→∞

• Scheibe Masse: M = 6,5 . 1010 M0

zentrale Dichte: ρ = 8 Mо/pc3

• Balken angenommene halbe Länge: 4 kpc

• Dunkler Halo Masse:(r=20 kpc) M = 1,24. 1011 M0

zentrale Dichte: ρ = 0,03 M0/pc3

• Gesamte Masse (bei r=20 kpc)

• M = 2.07 . 1011 M0

Gesamtmasse der individuellen Komponenten

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Bemerkenswert an der Kurve sind insbesondere die beiden Minima bei 3 und 9 kpc Abstand vom Zentrum. Nachdem beide in allen Plots jüngeren Datums

ein azimutal großskaliges Phänomen zu handeln und nicht nur um lokale auftreten (HI-Dicke, C-Sterne, OB-Sterne, H II-Regionen) scheint es sich um

Abweichungen naher Sterne von einer Kreisbewegung. Die Senke bei 3 kpc könnte mit dem Balken in Verbindung stehen, die bei 9 kpc wird von den Autoren mit einem massiven Ring bei 11 kpc erklärt.

Die galaktische Rotationskurve

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Kumulierte Rotationskurven von

Spiralgalaxien

RGs naher Spiralgalaxien: Die Rotationskurven bleiben weit über die opt. Scheibe (10 kpc) hinaus flach!

Diese äußeren (Gas) - Scheiben wurde mit der HI-21 cm Linie vermessen.

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Bullet-Cluster: 1E0657−558 (z = 0.296)

Image Credit: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.overlaid with X-ray: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al.

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Merging von 2 Galaxienhaufen

• Die beiden Haufen haben sich vor 100 MJ

kollisionsfrei durchdrungen. (Entfernung ca. 1 Gpc)

• Das heiße Clustergas hingegen ist aufeinander

geprallt, geschockt, und hinkt den Haufen nach

• Die Masse des Röntgen-Plasmas ist größer als die

der baryonischen Materie in den jeweiligen Haufen

• Die Schwerpunkte der Massenkonzentrationen von

Haufen bzw. Gas sind räumlich deutlich getrennt

• Beide Haufen bewirken auf Hintergrundgalaxien einen

Lensingeffekt (Krümmung u. Verstärkung), durch den

das effekt. Potential der Linsen ermittelt werden kann

• Die Konturen des Gravitationspotentials mit ihren

Maxima entsprechen recht genau jenen der Haufen

und nicht denen des heißen Plasmas!

• Dieser Gravitationslinseneffekt kann nur durch nicht

sichtbare dunkle Materie erklärt werden, die wegen

ihrer schwachen WW mit sich selbst und dem Plasma

nichtbaryonischer Natur sei dürfte

• Eine Änderung des Gravitationsgesetzes oder der

ART kann diese Beobachtung nicht erklären!

Quelle: Clowe et al. „A DIRECT EMPIRICAL PROOF OF THE EXISTENCE OF DARK MATTER“ (2006)

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Warum keine „Dunkle Materie“ ?

• Im Paper „Local-Group tests of dark-matter concordance cosmology“ (Kroupa et al.,2010)

untersuchen die Autoren 5 unvereinbare Probleme zwischen beobachteten Eigenschaften

der Satellitengalaxien im lokalen Universum und der CDM des λ-CCM der Kosmologie:

1) CCM sagt eine Relation zwischen der CDM Masse und der Leuchtkraft der Milchstraße

voraus, die aber nicht beobachtet wird.

2) Die Massenverteilung der beobachteten DM-Halos von Satellitengalaxien ist mit der λ-CDM

Hypothese höchstens mit 4,5% Wahrscheinlichkeit verträglich.

3) Die Beobachtung von Spiralgalaxien indiziert eine Korrelation zwischen der Bulgemasse

und der Anzahl leuchtkräftiger Satelliten, die aber vom CCM nicht vorausgesagt wird.

4) Sowohl die 11 „klassischen“ Satellitengalaxien, als auch deren 13 leuchtschwache neu

entdeckte Zwerggalaxien der MS bilden eine gemeinsame schmale Scheibe, die nahezu

senkrecht auf die MS orientiert ist. Das CCM sagt eine isotrope Verteilung voraus.

5) Das „Invariant – baryonic – galaxy“ Problem.

• Der chilenische Astronom Moni Bidin verfasste (April 2012) „Kinematical and chemical

vertical structure of the galactic thick disc. A lack of DM in the solar neighborhood“, wobei

er in der Sonnenumgebung keinerlei DM entdeckte, jedoch einen prolaten Halo aus

dunkler Materie nicht ausschließen konnte.

• Bereits im Juli 2012 fanden hingegen Silvia Garbari et al. in „A new determination of the

local dark matter density from the kinematics of K dwarfs“ die lokale Dichte der DM in der

Sonnenumgebung ρ = 0,025 Mo/pc3. Die lokale Dichte extrapoliert aus der Rotationskuve

bei angenommenem sphärischem Halo liegt bei 0,005-0,013 Mo/pc3 (Weber & Boer,2010)

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„Dark matter, a debate“

zwischen: Professor Simon White, Direktor am Max-Planck Institut (links)

und Professor Pavel Kroupa von der Universität Bonn (rechts)

um die Existenz bzw. Nichtexistenz der dunklen Materie

am 18. Nov. 2010 in Bonn

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Alternativen zur dunklen Materie ?

• In den letzten Jahre ist das Konzept der DM vermehrt in Zweifel gezogen worden, was durch die beschriebene Debatte auch in der Öffentlichkeit Spuren hinterlassen hat. Doch welche Alternativen bieten sich an?

• Eine Modifikation der Newtonschen Dynamik erscheint als ketzerischer Akt.

Aber: Das Grundgesetz musste schon 3x modifiziert werden:

1) Bei kleinen Abständen (Durch die Quantenmechanik)

2) Bei hohen Geschwindigkeiten (Durch die spezielle Relativitätstheorie)

3) Bei großen Massen (Durch die ART)

• Der israelische Physiker Mordehai Milgrom schlug daher 1983 eine weitere Modifikation des Grundgesetzes bei geringen Beschleunigungen vor, um die Rotationskurven bei Scheibengalaxien ohne DM erklären zu können: „MOND“

• STVG (Skalar-Tensor-Vektor Gravity) wurde von dem Physiker John Moffat entwickelt und ist eine weitere alternative Theorie, die unter dem Namen MOG (modified gravity) bekannt geworden ist. Sie postuliert ein Vektorfeld Φμ und 3 Konstante G,μ,ω, die Skalarfeldern zugeordnet werden.

MOG konnte erfolgreich an einer Reihe von astrophysikalischen und kosmologischen Phänomenen getestet werden und löst auch das Problem des Bullet-Clusters ohne Zuhilfenahme von DM.

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MOdifizierte Newton`sche Dynamik

Grundlagen:

• aus F = m . a wird F = m . μ( a/a0 ) . a

• wobei μ( a/a0 ) = 1 für a/a0 >> 1 und μ( a/a0 ) = a/a0 für a/a0 << 1

• a0 ist eine neue Naturkonstante, die beschreibt, ab wann die Modifikation

relevant wird. Milgrom bestimmte sie zu

a0 = 1,2 . 10 -10 m / s2 bzw. a0 = 3,9 pc / Myr2

• Es gilt: F = m . G . mG . r -2 und für a /a0 << 1 erhält man G . mG .r

-2 = a2/a0 Somit wird a = (G . mG . a0 )

½ / r Kreisbahnbeschleunigung: a = v2 / r

• Damit wird: v2 = (G . mG . a0 )½

• Daraus folgt, dass die Rotationsgeschwindigkeit in weitem Abstand konstant

ist und nicht mehr vom Radius abhängt.

• Die Funktion μ( x ) wird kann aus μ( x ) = x / (1+x) oder aus μ( x ) = x /(1+x2)½

berechnet werden.

Eine relativistische MOND-Formulierung wurde 2004 von Jakob Bekenstein

vorgeschlagen und ist als „Tensor-Vektor-Skalar“ Gravitationstheorie bekannt.

(MOND – Hypothese)

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Was ist dunkle Materie?

• Im λCDM Modell beträgt der Anteil der DM aus den WMAP - Daten im

Universum 22,2%. Es ist sehr merkwürdig, dass wir dabei nicht einmal

ansatzweise wissen, woraus sie besteht. Diese Tatsache zählt neben der

Dunklen Energie zu einer der wichtigsten Fragen der modernen Kosmologie.

Geforderte Eigenschaften an die DM:

• Sie sollte nichtbaryonischer Natur sein, d.h. außer über die Gravitation nicht mit

baryonischer Materie, Strahlung oder sich selbst wechselwirken.

• Sie sollte sehr früh entkoppelt haben, sodass die Strukturbildung schon bald

nach dem Urknall einsetzen konnte.

Man unterscheidet heiße (HDM), warme (WDM) und kalte (CDM) dunkle Materie

• Als HDM kommen in erster Linie Neutrinos in Betracht. Durch ihre große freie

Weglänge kommen sie aber für das beobachtete bottom-up Szenario nicht in

Frage. (Kleinere Strukturen als Galaxienhaufen werden ausgewaschen!)

• Zur WDM zählen verschiedene supersymmetrische Teilchen z.B. das Gravitino.

• Als Kandidaten für die CDM sind die hypothetischen WIMPs (weakly interacting

massif particle) und die Axionen, die in der QCD eine Rolle spielen,im Gespräch

Für beide Teichen sind bereits aufwändige Nachweisexperimente gelaufen.

Gefunden hat man dabei bisher.....

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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

ENDE

NICHTS !