Die dunkle Seite der Kosmologie Franz Embacher Fakultt

Die dunkle Seite der Kosmologie Franz Embacher Fakultät für Physik Universität Wien Vortrag im Rahmen von UNIorientiert Universität Wien, 11. September 2008

Kapitel 1 Schwarze Löcher

Nebel, Weißer. Zwerg, SL Schwarzes Loch

Video-Clip: Sterne umkreisen. . . Quelle: http: //www. mpe. mpg. de/ir/GC/images/movie 2003. gif

Video-Clip: Schwarzes Loch in M 87 Quelle: http: //www. ncsa. uiuc. edu/Cyberia/Num. Rel/Movies/Supermass. Blk. Hole. mpg

Kapitel 2 Dunkle Materie

Andromeda-Nebel M 31 mit M 32 und M 110

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 Galaxien Theoretische Betrachtung: Aus dem Newtonschen Gravitationsgesetz folgt: M v r v = GM r 4 -fache Entfernung halbe Geschwindigkeit

Dunkle Materie Theoretisch wird also ein solcher Zusammenhang zwischen Entfernung und Geschwindigkeit erwartet: normiert auf Radius = 1, v(Rand) = 1

Dunkle Materie • Vermessung von Rotationskurven:

Dunkle Materie • Rotationskurve der Galaxie NGC 3198: v (km/s) 200 150 100 50 10 20 30 40 r (kpc)

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 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 einen negativen Druck! Materie normales Verhalten Energieinhalt wird vergrößert. Energieinhalt wird verkleinert. positiver Druck Vakuum E~V Energieinhalt wird verkleinert. Energieinhalt wird 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 ist heute (fast) flach. Das Universum war früher kleiner Urknall ! a(Urknall) = 0

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 gebremste Expansion

Theoretisches Modell: Universum mit Vakuumenergie beschleunigte Expansion gebremste Expansion

Überprüfung von Weltmodellen • Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen überprüft werden? • Rotverschiebung Geschwindigkeit der Quelle nicht messbar • Hubble-Gesetz v = H 0 D Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc) • Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation Beziehung zwischen direkt messbar • z. . . Rotverschiebung des beobachteten Lichts • D. . . Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der Aussendung des Lichts indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation 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: Doppelsternsystem weißer Zwerg Materiefluss „Zündung“ bei Erreichen einer kritischen Masse Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die Entfernung abgeschätzt werden.

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation vakuumdominiertes Modell materiedominiertes Modell

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998) 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 DT = 6 T 10 -6

Danke. . . für Ihre Aufmerksamkeit! Diese Präsentation finden Sie im Web unter http: //homepage. univie. ac. at/franz. embacher/Rel/UNIorientiert 2008/