Dunkle Materie – Überall im Weltall Elementare Kräfte Der Urknall und die Expansion des...
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Dunkle Materie – Überall im Weltall
• Elementare Kräfte
• Der Urknall und die Expansion des Universums
• Wie wiegt man das Universum?
• Sichtbare und unsichtbare Materie
• Dunkle Materie und dunkle Energie
Illustrationen: J. Bublath-Geheimnisse unseres Universums
Wolfgang Cassing
Konventionen in der Physik
• 1 mm = 0.001 m = 10-3 m• 1 m = 0.000001 m = 10-6 m• 1 nm = 0.000000001 m = 10-9 m• 1 fm = 0.000000000000001 m = 10-15 m• 1 km = 1000 m = 103 m• ------------ Länge = Geschwindigkeit x Zeit -----------------• 1 Lichtsekunde (LS) = 3.105 km • 1 Lichtminute (LM) = 1,8.107 km• 1 Lichtjahr (LJ) = 9,1.1012 km• ------------------------ Typische Skalen -------------------------• Radius des Protons: 1 fm• Radius der Erde: 6,4.103 km• Durchmesser der Milchstraße : 105 LJ = 9,1.1017 km• Lichtgeschwindigkeit c = 3.105 km/sec = 1,08.109 km/h
Albert Einstein: E = mc2
• Energie und Masse sind äquivalent!
• Strahlung und Materie können ineinander umgewandelt werden
Aufbau der Materie
Siliziumscheibe
Nukleon
Atomkern
Atom
Quarks
u d
Meteorit
Wechselwirkungen der Materie
Bei sehr kleinen Abständen gibt es nur 1 Wechselwirkung!
Astrophysikalische Beobachtungen
Satelliten messen dieLichtstärkeverteilung am Himmel und derenFarbe: Frequenz
Ausschnitt aus der Milchstraße
Geschwindigkeitsmessung
Über die ‚Rotverschiebung‘ der Strahlung von Sternen messen wir deren Geschwindigkeit und Ausbreitungsrichtung
Die Objekte des Universums
Sonne: 8.5 Lichtminuten Eta-Carinae: 8000 Lichtjahre
Galaxie M33: 2,7 Mill. Lichtjahre Galaxie: 14 Milliarden Lichtjahre
Expansion des Universums
Die Galaxien bewegen sichkontinuierlich auseinander!
Rechnet man ihre Bahnen zurück, so entsteht die Vorstellung vom
Urknall
Die ersten 10-10 Sekunden
Die Energiefluktuation expandiert exponentiell!
Nach 10-10 Sekunden überlebt ein relativer Anteil von 10-9 Elektronenund Quarks es entsteht ein Übergewicht von Materie relativ zur Antimaterie
Teilchen und Antiteilchen Strahlung
Die ersten 3 Minuten
Quarks und Gluonen werden in Nukleonen gebunden
<->
Proton+Neutron <-> Deuteron
<->
Leichte Kerne enstehen
Nach 300000 Jahren
Protonen, Neutronenund Elektronen werdenzu Wasserstoff gebunden
Die Photonen entkoppeln Hintergrundstrahlung
NASA/GSFCChuck Bennett (PI)Michael GreasonBob Hill Gary Hinshaw Al KogutMichele LimonNils OdegardJanet WeilandEd Wollack
PrincetonChris Barnes Norm Jarosik Eiichiro KomatsuMichael Nolta
UBCMark Halpern
ChicagoStephan Meyer
BrownGreg Tucker
UCLANed Wright
Science Team:
Wilkinson Microwave Anisotropy ProbeA partnership between NASA/GSFC and Princeton
Lyman PageHiranya PeirisDavid SpergelLicia Verde
WMAP
Foto des Urknalls
Die Hintergrundstrahlung ist isotrop mit Temperatur 2.726 K! Schwankungen sind kleiner als 1/100000!
Anisotropien der Hintergrundstrahlung
Winkel
Amplitude derFluktuationen
Räumlich flaches Universum: ΩΩtottot = 1 = 1
Beobachtung ( WMAP ):
Ωtot = ρtot/ρc =1.02 (+/-0.02)
Kritische Energiedichte des Universums : ρc =3 H² M²
( M = 2.44x1018 GeV: reduzierte Planck-Masse ,
H : Hubble Parameter )
•Ωb=ρb/ρc : Anteil der Baryonen an der Energiedichte ρc
~60,000 von >300,000 Galaxien
Anteil der Baryonen
• Staub, Planeten, Sonnen und ausgebrannte Sterne
• Ωb= 5%
• Nur etwa 5% bestehen aus bekannter Materie !
Ermittelt aus Elementsynthese und kosmischer Hintergrundstrahlung
Hinweise auf dunkle Materie
Verteilung der Materie
dunkel sichtbar
Galaxien rotieren zu schnell in den Spiralarmen!
Die Krümmung der Raum-Zeit
Gravitationskräfte entstehendurch eine Krümmung der Raum-Zeit.
Letztere ist wiederum durch die Verteilung der Masse (Energie) bestimmt.
Ausschnitt aus unserem Sonnensystem
Beugung von Licht durch Materie
Auch Licht wird im Gravitationsfeld abgelenkt!
Dichte Materie => Streulinsen
Aus der Verzerrungvon Bildern entfernterGalaxien kann man aufdie Massendichte zwischen Galaxie undBeobachter schliessen.
Schwarze Löcher und dunkle Materiewerden ‚sichtbar‘!
Der Gravitationslinseneffekt
Bilder von Galaxien werden verzerrt oder vervielfältigt!
Zusammensetzung des Universums
Ωb = 5 % sichtbar klumpt
Ωdm= 22 % unsichtbar klumpt
Ωh = 73 % unsichtbar homogen
Unsichtbarer klumpender Anteil: Dunkle Materie
Unsichtbarer homogener Anteil: Dunkle Energie
Spekulationen über dunkle Materie
?????????????????????????????????????Schwarze LöcherWIMPS (weakly interacting massive particles)Supersymmetrische Teilchen aus dem Urknall:Neutralinos, Axions ?????????????????????????????????????
Gibt es weitere beobachtbare Hinweise auf die dunkle Energie ?
Spekulationen über dunkle Energie
?????????????????????????????????????Kosmologische Konstante ; A. Einstein: meine größte Eselei (oder nicht?)Quintessenz: zeitabhängiges skalares Feld; impliziert ein neues ‚leichtes‘ Teilchen und eine 5. Wechselwirkung Supersymmetrische Feldenergien ?????????????????????????????????????
Conclusions.
“ There is no darkness, only ignorance.” W. Shakespeare
Zusammenfassung
Zwei Dinge sind unendlich, das Universum unddie menschliche Dummheit; aber bei dem Universum bin ich mir noch nicht ganz sicher. A. Einstein