Dunkle Materie und Dunkle Energie unser aktuelles Bild

Dunkle Materie und Dunkle Energie - unser aktuelles Bild des Universums Franz Embacher Fakultät für Physik Universität Wien Vortrag im Rahmen von University Meets Public VHS Meidling, 18. 2. 2008

Andromeda-Nebel M 31 mit M 32 und M 110

HST Deep Field

Video-Clip: Zoom auf ferne Galaxien 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 • 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

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 Animation: Die Expansion des Universums

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? • 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“) • Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

Modell: Universum mit Vakuumenergie

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.

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)

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

Das moderne Standardmodell der Kosmologie • Das Universum ist auch lokal in Bewegung und von faszinierenden Objekten und Prozessen bevölkert. Hier einige abschließende Impressionen. . .

Nebel, Weißer. Zwerg, SL

Video-Clip: Sterne umkreisen. . . movie 2003. mpg

Video-Clip: Schwarzes Loch in M 87 Supermass. Blk. Hole. mpg Kleine Magellansche Wolke

HST – Einstein-Ring

Große Galaxie verschluckt kleine

Video-Clip: Zwei Galaxien durchdringen einander Cosmic. Voyage. mpg

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/dunkle. Materiedunkle. Energie/