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
Danke...
... für Ihre Aufmerksamkeit!
Diese Präsentation finden Sie im Web unter
http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UNIorientiert2008/