Kosmologi II

Mørk Energi Og Mørkt StofAf Ole Bjælde

Cand. scient & ph.d. studerende ved Århus Universitet

Universets indhold

Normalt Stof

EVIDENS FOR MØRKT STOF

Første Hint i 1933

Fritz Zwicky – virialsætningen

For meget masse – dunkle Materie!

Rotationskurver af Galakser

Gravitationslinser

Mørkt stof vil ikke kun påvirke stof – det vil også påvirke lys!

b

M

Lys fra en fjern stjerne som akkuratstrejfer Solens overflade 1.7”

Gravitationslinser

Gravitationslinser

Gravitationslinser

Strukturdannelse

• Ikke baryonisk stof• Kun gravitation (+svag

vekselvirkning)• Danner haloer før alle

andre typer af stof som er påvirket af tryk

• Uden mørkt stof villle strukturdannelse ske senere

Bullet Cluster

MØRKT STOF

What’s The Matter?

Stor variation i forslag!

Forslag # 1: AxionerMasse=10-5eV~10-41kgForslag # 2: Primordiale sorte hullerMasse=105 MSOL~1035kg

Krav: Kun vekselvirkning ved tyngdekraftenog den svage vekselvirkning

Weakly Interacting Massive ParticlesWIMPs

NeutrinoerDannet i universets begyndelse

Neutrino baggrund N=113 cm-3 I virkelighedenDet passer hvis

Mørkt Stof

• I øvrigt er neutrinoer hot dark matter• Udvisker små tæthedsfluktuationer• Maksimalt 30% hdm• Top-down strukturdannelse

• Cold dark matter• Hierarkisk bottoms-up strukturdannelse• Ikke-relativistiske partikler

• Warm dark matter

WIMPs

• Masser i GeV området

• Supersymmetrisk partikel

• Dannes i par med R-paritet +1,-1

• Henfalder i processer som bevarer R

• Ender som den letteste(LSP) – kaldet • Neutralino – mix photino, 2 higgsino, zino

• Hverken EM eller stærk vekselvirkning

• Mange fri parametre

DETEKTION AF MØRKT STOF

To Muligheder

1. Direkte detektion – dvs. observation af spredning af WIMPs indeni en detektor

2. Indirekte detektion – dvs. observation af annihilationsprodukter i fx den galaktiske halo eller måske gravitationel indfangning i solen eller jorden.

Direkte Detektion

• Kan afhænge af vinkel og tid• Daglig modulation – jordens rotation• Årlig modulation – jordens bane om solen

• Detektion ved rekyleffekt på kerner• WIMP hastigheder på ca. v~220 km/s• Estimat for raten af detektioner

(afhængig af masse og tværsnit)Rekyl

Neutralino

DAMA/LIBRA i Gran Sasso

DAMA/LIBRA

• Direkte detektion fra galaktisk halo

• Large sodium Iodide Bulk for RAre processes

• 250 kg NaI

• Modulationseffekter

December30 km/s

~ 232 km/s

60°

June30 km/s

DAMA/LIBRA

DAMA/LIBRA (4 years)total exposure: 0.53 tonyr

Bernabei, et al. 2008 Resultater

DAMA/LIBRA

DAMA/NaI (7 years) + DAMA/LIBRA (4 years)

2-6 keV

6-14 keV

2-6 keV

6-14 keV

Kun single-hit events viser modulation!

DAMA/LIBRA

R(T)=S0+Ymcos[(t-t*)]

Lille forskel fra 2. juni pga. temperatureffekter

DAMA/LIBRA

• Klar årlig modulation

• Kun eksisterende for 2-6 keV

• Kun eksisterende for single-hit events

• Konsistent med 2. juni

• Svært at finde alternativer

Mit arbejde med CDM

Moore et al, 1999

Mit arbejde med CDM

Moore et al, 1999

Pause

EVIDENS FOR MØRK ENERGI

Supernovae

• Dobbeltstjernesystem• Hvid dværg• Rød gigantstjerne

• Masseoverførsel

• Chandrasekhar-masse=1.4Msol

• Supernovaeksplosion(SNIa)

• Afstandsmål

Supernovae

Supernova 2002bo

Supernova 2004aw

Andre typer af supernovae

Type II

Eksplosioner af stjerner indeholdende brint

Type I (a,b,c)

Eksplosioner af stjerner ikke indeholdende brint

Supernovae Type Ia

1. Stjernen når Mch og kollapser2. Fusion i næsten hele stjernen3. Stjernen eksploderer pga. den

enorme energi4. Chokbølge udsendes med 3% af c5. Signifikant stigning i lysstyrke6. Henfald af tunge grundstoffer

Supernovae Type Ia

Korrigere for afstand

Nikkel

Kobolt

Supernovae

• Analysere mange lyskurver for SN1a med z<2

• Svagere end i et univers med konstant udvidelse

MØRK ENERGI

Mørk energiDer bliver ikke mindre af det mens

universet udvider sig

Alm. stofDer bliver mindre af det mens universet

udvider sig

Mørk energi vil i sidste ende dominere!

Einstein

• Einsteins feltligninger• Løst af A. Friedmann i 1922• Friedmann-ligningen• Accelerationsligningen

EinsteinStatisk Univers

Einsteins trick

Ny type energi

Positivt krummet univers+1

Galakserne flytter sig!

Kosmologisk Konstant

Vakuum-energiNegativt tryk

Forklarer universets accelererende ekspansion

Koincidens-problem

Kosmologisk konstant-problem

10.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000

Når vi udregner tætheden tager vi fejl med en faktor

Andre Kandidater?

Quintessence (Kvintessens)

Dynamisk, rum- og tidsafhængig type af energi med negativt tryk

tilstrækkelig til at styre den accelererende ekspansion

Alm. stof, mørkt stof og stråling har positivt tryk

Quintessence

Kan løse koincidensproblemet

Nyt kosmologisk konstant problem =0 ??

Tryk = Kinetisk – PotentielEnergi per volumen = Kinetisk + Potentiel

Neutrinoer med varierende masse

Femte kraft

Mørk energi = Neutrinoer + Quintessence

Kosmologisk Perturbations- teori

• Strukturudvikling fra Big Bang

• Perturbationer gror pga. tyngdekraften

Skæbne

Frosset univers T ! 0

Univers som trækker sig sammen igen

Big Rip slutning?

Alternative Forklaringer

• Universet er fyldt med en slags gas med de rigtige egenskaber

• Newtons tyngdelov er forkert!?

• Vi har mere end 3 rumlige dimensioner og 1 tids-dimension

• Observationerne af SNIa er forkerte!?

DETEKTION AF MØRK ENERGI

SNAP

Observationer af mange supernovae vil fortælle hvordan universet har

udvidet sig

• 1.8-meter teleskop med en CCD detektor med en milliard pixels

• 2000 SNIa/år – nære og fjerne

SuperNova/Acceleration Probe

w=w0+wa(1-a)

Åbne Spørgsmål

• Hvor kom de første inhomogeniteter fra?

• Hvad er mørkt stof?

• Hvad er mørk energi?

Svarene skal findes ved hjælp af fysik ved meget høj energi!

The EndSlideshow på www.phys.au.dk/~oeb

Email:oeb@phys.au.dk

Higgs MekanismenHvis et systems samlede energi ikke ændrer sig underforskydning i rum, er der ingen ydre kræfter som virkerpå systemet og den samlede impuls ændrer sig ikke i tid.

Euler-Lagrange

Klein-Gordon ligning

Frie skalare partikler

Higgs MekanismenSkalare partikler som vekselvirker med hinanden

Minimum af potentialet V når

2>0 2<0

Higgs Mekanismen

Men vi er interesseret i små forskydninger fra minimum!Løsning: Vi ekspanderer omkring et af vores minima

Higgs Mekanismen

Masse-led er opstået!!

Slideshow på www.phys.au.dk/~oeb