1 Der Kosmos mit dunkler Materie und dunkler Energie Wo stehen wir im Universum ? Kalte dunkle...
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1
Der Kosmos mit dunkler Materie und dunkler Energie
• Wo stehen wir im Universum ?• Kalte dunkle Materie (DM)• Vakuum mit Energie (DE)• Strukturbildung mit DM + DE
AIP
http:/www.aip.de/groups/cosmology
Volker Müller
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2
Schwarzschild-Technologiegebäude
AIP Potsdam
Einstein-Turmteleskop
Elemente:
Gravitationstheorie
Galaxien und Strukturen
Multiobjekt-Spektroskopie
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3
Offener Sternhaufen M50 ca. 100 Sterne (15‘)
Galaxie M31 mit Begleitern (Durchmesser 3°)
Region des galaktischen Zentrums (60° x 40°)
Lokale Sternsysteme
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4
Planeten:
Erde - Sonne: 150 Mill. Km
Astron. Einheit AE
8 Lichtminuten
Erde - Saturn: 10 AE ≈ 1 Lh
Vergrößerung: 1 : 100 Tausend
Fixsterne nahe der Sonne:
1 - Centauri (4.3 Lj entfernt)
2 - proxima Centauri
3 - Sirius
Vergrößerung: 1 : 10 Tausend
Milchstraße als unsere Heimat
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5
Internationale Raumstation ISS:
340 Km Höhe
Wilkinson Anisotropie Map (WMAP) Satellite:
Lagrange-Punkt 2
1.5 Mill. km von Sonne weg
Astronomie vom erdnahen Raum
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6
3.26 Lj = 1 Parsec (pc)
Welt der Galaxien
nahe Fixsterne: einige pc
Nachbargalaxien: über ein Millionen Parsec (Mpc)
Weltradius: 4 500 Mpc
Lokale Gruppe
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7
Dunkle Materie
„Wo ist die dunkle Materie?“
Konzept ähnlich fundamental wie die Expansion des Universums
Ohne dunkle Materie halten Galaxien nicht zusammen.
Ohne dunkle Materie sind Galaxienhaufen Zufallsprodukte.
Ohne dunkle Materie würden wir keine Gravitationslinsen beobachten!
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8
Jan Hendrik Oort (1900 - 1992)
Dunkle MaterieTitel: „Die Kraft des Sternsystems senkrecht zur Milchstraßenebene und damit verwandte Probleme“
1932
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9
Dunkle MaterieOort bestimmte die Massendichte in der Milchstraßeneben: 0.15 Sonnenmassen pro pc3 und damit vergleichbar mit der Leuchtdichte
Damit kaum dunkle Materie in der Milchstraßenebene (max. Anteil 50%)
Oortsche Grenze
in Galaxien ist Masse pro Leuchtkraft etwa konstant
bemerkenswert: leuchtschwächere Sterne in Sonnenumgebung machen 75 % der Masse aus, leuchtkräftigere dagegen ca. 95 % der Leuchtkraft
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10
Dunkle MaterieOorts Paper von 1932 war erste Bestimmung der Massendichte des Milchstraßensystems
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11
Fritz Zwicky (1898 - 1974)
Messung der Masse von Sternsystemen durch relative Bewegung (viel Masse verursacht schnelle Bewegung):
Paper von 1933
“Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln”
Messung von Radialgeschwindigkeiten in Galaxienhaufen von 700 km/s
DM mit einem Faktor 100 über der Leuchtkraft
Dunkle Materie
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12bei z=0.05, d.h. ca. 100 Mpc Entfernung
in Galaxiencluster der Shapley-Region
Dunkle Materie
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13cp. Thesis Martins, Trieste, 2009
Dunkle Materie
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14
M51
M51: radiale Komponente der Zirkulargeschwindigkeit von Gaswolken
Rotationskurven von Spiralgalaxien
Dunkle Materie
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15
NGC 240
Dunkle Materie wichtig für Rotationskurven:
steiler Anstieg im Zentrum
und flach außen
Messung des neutralen Gases
Dunkle Materie
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16
Coma-Haufen: 60 Mpc Entfernung (Boehringer)
Gastemperatur ist Maß für die Masse (hydrostatisches Gleichgewicht)
Einstein-Satellit
XMM-Newton
Röntgengas bildet DM-Verteilung ab
Dunkle Materie
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Sjurn Refsdal (1935-2009) war Pionier in der Forschung von Gravitationslinsen als Dektektoren in der Astronomie, hier 2005 mit der King’s Medal of Merit in Gold
Dunkle Materie
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18
A1689 Broadhurst et al.
Verzerrung von Hintergrundgalaxien und Doppelbilder durch dunkle Materie in Galaxienhaufen: Gravitationslinseneffekt
benutzt zur Massenbestimmung in Galaxiencluster und damit zur Messung von DM
Dunkle Materie
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Cl0024 (HST)
Verstärkung des Lichtes von fernen Galaxien
Dunkle Materie
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20
Rätselhafte Vierfachbilder:
Weg zur Massenverteilung in Zentrum von Galaxien
Vierfachbild des Quasars Q 2237+030
G. Lewis & M. Irvine
Einstein-Kreuz in Zw 2237+030
J.Rhoads et al.
Dunkle Materie
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kommt aus der Massenbestimmung von Sternsystemen
dunkle Halos um Galaxien: Rotationskurven
Gas in Galaxienhaufen: hydrostatisches GleichgewichtLichtablenkung durch dichte enge Objekte: Gravitationslinsen
Begriff seit etwa 1975 im Gebrauch (zuvor vermisste Materie)
heute: kalte dunkle Materie = CDM
KandidatenNeutrinos (vom Beta-Zerfall): nein!
häufigste Teilchen im Kosmos, aber nicht kalt
Photinos (oder Axionen, Gravitinos) WIMPs
über 100 mal so schwer wie Proton
Braune Zwerge, Planeten, Schwarze Löcher - MACHOS
nicht nachgewiesen, es gibt dafür nicht genug Baryonen
Dunkle Materie
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kommt aus der Messung der Expansionsrate des Universums
Begriff 1999 von Michael Turner
Ursprung geht auf Einsteins Erweiterung seiner Feldgleichungen 1917 zurück: kosmologische Konstante
Einstein bezeichnete dies bald als “größten Plunder seines Lebens”
Dunkle Energie
Einstein, Eddington, Ehrenfest, Lorentz, deSitter: Leiden 1920
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Expansion des Universums ist mit der Rotverschiebung gemessen
z=1 heißt Halbierung der Abstände zwischen Galaxien
Dunkle Energie
Messung mit der Rotverschiebung:
z=0.2 Tiefe von Rotverschiebungskatalogen von Galaxien
z=1 halbes Weltalter (7 Milliarden Jahre)
z=2 Maximum der Quasaraktivität
ca. z=6 Rekord für Galaxien (1 Milliarde Jahre)
z=1000 Tiefe des sichtbaren Universums (200 Tausend Jahre)
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Dunkle Energie
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25
Häufigkeit der Mehrfachbilder:
Vakuumenergie notwendig für Lichtweg von über 7 Mrd. Lj bis Rotverschiebung z=1
Anteil der Vakuumenergie über 70%:
1. Nachweis 1992 (Carroll, Press, Turner)
Einstein-Kreuz in Zw 2237+030
J.Rhoads et al.
Dunkle Energie
seit 2003: Nachweis von DE durch Grad der Verzerrung von Hintergrundgalaxien
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Beobachtung einer Supernova in einer nahen wechselwirkenden Galaxie
Typisch eine SN alle 50 Jahre in einer Galaxie
Kosmische SN-Projekte: Überwachung einer großen Zahl von Galaxien
SN1a sind explodierende Weiße Zwerge: physikalische Modellierung relativ gut möglich
Dunkle Energie
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27
Lichtkurve bestimmt absolute Helligkeit: ferne SN sind schwächer als erwartet - Raum größer durch Dunkle Energie
Dunkle Energie
Erwartung ohne DE
mit 75% Dunkle Energie
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28
Dunkle Energie = VakuumenergieOtto von Guericke erzeugte 1657 Vakuum in Magdeburger Halbkugeln:
Kugel von 1m Durchmesser trägt Gewicht von 10 Tonnen
kein ‘Horror Vacui’ nach Aristoteles
Stich von Caspar Schotts
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29
VakuumenergieHendrik Casimir berechnete 1948 Vakuumenergie zwischen Leiterplatten
1957 gemessen
1998 Leipzig: Symposium zur Vakuumenergie
entspricht für d= 0.1 mm das 10-15 fachedes Luftdrucks, oder 10-5 N/m2
€
P =πhc
480d4
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30
Vakuumenergie1965 Zeldovich + Sacharov: ‘Steifheit’ des leeren Raumes (aber kein Äther)
erste Vakuumenergieberechnung durch Walter Nernst 1926 (Unschärfterelation)
beobachtet:
erwartet:
wenn
€
ρv =10−26kg /m3
€
ρv =h
2π 2c
k 3
20
kmax
∑ =hπ 2
c
1
λmin4=1097kg /m3
€
λmin =1.6∗10−35m
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31
Dunkle Energiedynamische Messung (Bahnen von astronomischen Objekten)?
Beschleunigung = Gravitationsanziehung - Hubble-Expansion2 x Abstand
Vakuumenergieeffekt auf Erdbahn um Sonne: 10-22
Galaxie im Cluster: 1%
wirklich nur im kosmischen Rahmen zu messen
kosmische Beschleunigung:
€
q =Ωm −ΩΛ 2 ≈ −0.55
Vakuumenergie 75%
Materie 25%
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32
Materie dominiert
Dunkle Energie
Expansion dominiert
Materie und Vakuum gleichen Expansionsrate aus
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33
3K-Photonen erreichen uns von der Zeit der letzten Streuung
Dunkle Energie im 3K-Hintergrund
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34
Blick ins frühe Universum:
Antennenrauschen
COBE-Satellit misst Gravitationsfeld vom Urknall
WMAP misst Intensitätsverteilung und (indirekt) Geometrie des Universums
Dunkle Energie
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35
LSS
Dunkle Energie1. Messung Boomerang-Ballon (2002) am Südpol
Messung der Größe von tyischen Schwankungen der Temperatur
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36
Dunkle EnergieMessung der Temperatur auf der ganzen Himmelskugel: Abbild der Zeit der ‘letzten Streuung’
Harmonie der Obertöne vermißt Kosmos
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37
Strukturbildung mit DM und DE
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Jarrett et al. (2003): ca. 1 Millionen nahe Galaxien, Struktur naher Superhaufen
Strukturbildung mit DM und DE
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39
Dichtemaxima markieren 5000 Gruppen: feine Filamentstruktur
Irreguläre Strukturen mit 40 Superhaufen
Strukturbildung mit DM und DE
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40
Kleine Dichteschwankungen vom Frühkosmos wachsen unter eigenen Gravitationsfeld an (Gravitationskollapse), es bilden sich anisotrope Strukturen.
Die Strukturbildung verläuft von kleinen zu großen Skalen, typisch für kalte DM.
Die Filamentstrukturen sind stark ausgeprägt und stabil, die kosmischen Geschwindigkeitsfelder sind gross gegen unregelmäßige Bewegungen:
Beschleunigung der Expansion durch DE.
density field δ(x,t)
gravity field g(x,t)
displaced masspeculiar velocity v(x,t)
:
structure forming
Strukturbildung mit DM und DE
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41
● Kollaps längs einer Achse Schicht (pancake)
● Kollapse längs zweier Achsen Filament
● 3-dimensionaler Kollaps Klumpen (Halo)
Strukturbildung mit DM und DE
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42
Kompakte Gruppe HCG40 (z=0.01, Subaru)
simulierte Gruppe in 20 Mpc Box, Zoom auf 1 Mpc
Strukturbildung mit DM und DE
Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „Microsoft Video 1“
benötigt.
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43
Abell-Cluster A1689 (HST)
simulierter Cluster, Faltenbacher
Strukturbildung mit DM und DE
Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „Microsoft Video 1“
benötigt.
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44
simulierte Void-Region Gottlöber
Strukturbildung mit DM und DE
Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „Microsoft Video 1“
benötigt.
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45
typische Galaxien: heute
Rotverschiebung
z = 2
z = 3
Hubble Deep Field
C. Driver
Strukturbildung mit DM und DE
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46
Leuchtkraft von Superhaufen: braucht Leistung auf grossen Skalen (DM + DE)
2DFGRS-Analyse (Benda v. Beckmann, Müller)
Strukturbildung mit DM und DE = LCDM
Größe von Leerräumen: braucht Beschleunigung für Bildung
Baryonen-Oszillationen messen Energie des Vakuum Mare-Nostrum
Simulation (Gottlöber, Wagner)
Modellierung
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Hobby-Eberly-Teleskop mit 9.2 m Spiegeldurchmesser (segmentiert)
im Primärfokus 20 Virus-Spektrographen mit je 132 Integral Field Units
VirusP seit 2007 im Test
Spektrographen gebaut am AIP, Software entwickelt in Texas und München
Simulationsrechungen am AIP
Experiment HETDEX
PI: P. Gebhardt
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Experiment HETDEX
Prototyp-Beobachtungen: schwach und rech deutlicher Nachweis
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Vergleich der erwarteten (schwarz) und der ersten Prototypverteilung
Experiment HETDEX
Messempfindlichkeit unter 1%
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Baryonische akustische Oszillationen: Rekonstruktion verbessert Signal um Faktor 2
Experiment HETDEX
Simulationen: Wagner, Müller, Steinmetz
Oszillationen (5% des Signals) sind Eigenschwingungen des kosmischen Plasmas vor der Rekombination
Experiment gefördert durch Mittel im Wettbewerb: Pakt für Exzellenzförderung
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Z-Cosmos Survey 2009:
Kovac, Lilly et al.
1.7 deg2
tiefe Strukturen bis einige Tausend Mpc!
Strukturen bei grossen z
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Strukturbildung mit DM und DE
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Einladung zur „Langen Nacht der Sterne“ ins AIP: Samstag 4. April 18 - 1 Uhr
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Dunkle Materie dominiert StrukturbildungDunkle Energie die kosmische Entwicklung - in den ersten Sekundenbruchteilen und in den letzten Milliarden Jahren
Strukturbildung mit DM und DE
Wir brauchen Hilfe bei der Theorie der dunklen Energie - und bei der Beobachtung von veränderlichen Quellen!
www.aip.de/groups/cosmologyIch wünsche Ihnen einen guten Heimweg!