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