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
Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
Diese Präsentation finden Sie im Web unter
http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/ Antares2011/