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Einsteins UniversumDas Geheimnis der Dunklen EnergieDas Geheimnis der Dunklen Energie
Andreas MüllerMax-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching
Westfälische Volkssternwarte und Planetarium
Recklinghausen17.11.2005
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ÜbersichtÜbersicht
Zeitreise zum UrsprungHistorische MeilensteineGrundlagen der KosmologieBeobachtungFormen Dunkler EnergieZukunft des Universums
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Zeitreise zum UrsprungZeitreise zum Ursprung
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Reise zum UrknallReise zum Urknall
WMAP Website, http://map.gsfc.nasa.gov/
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Zeitreise zum UrsprungZeitreise zum Ursprung
„Ein Blick an den Himmel ist eine Zeitreise“
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Historische MeilensteineHistorische Meilensteine
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Kosmologische KonstanteKosmologische Konstante
Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie1917: -Termstatisches Universum1931: „Einsteins Eselei“
Albert Einstein(1879 – 1955)
Bildquelle: Wikipedia
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Bewegter RaumBewegter Raum
Pionier dynamischer Universen1922: Entdeckung der Friedmann-GleichungenFriedmann-Modell:
= 0, k = +1 oder -1, p = 0später: pulsierende Universen mit < 0
Aleksandr A. Friedmann(1888 - 1925)
Bildquelle: http://www-history.mcs.st-andrews.ac.uk/PictDisplay/Friedmann.html
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Geburt des RaumsGeburt des Raums
1925: Entdeckung eines expandierenden Kosmos als Lösung der Feldgleichungen > 0, k = +1Friedmann-Lemaître-ModellGeburt des Raums (Nature 1931), „Vater des Urknalls“
Albert Einstein
Abbé G. Lemaître(1894 - 1966)
Bildquelle: www.holoscience.com/
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GalaxienfluchtGalaxienflucht
1929: empirischer Befund der Fluchtbewegung von Galaxien Hubble-Gesetz:
(gültig bis z ~ 0.1 bzw. 420 Mpc)
Hubble-Konstante H0 = 72 km/s/Mpc ist Maß für Expansionsgeschwindigkeit des Kosmos
Edwin Hubble(1889 - 1953)
Bildquelle: Wikipedia
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Dunkle EnergieDunkle Energie
Rückkehr der kosmologischen Konstante in die moderne Kosmologieerfand 1990 den Begriff Dunkle Energie (dark energy)
Michael S. Turner
Bildquelle: http://physics.uchicago.edu/t_astro.html
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Grundlagen der KosmologieGrundlagen der Kosmologie
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Einsteins RaumzeitEinsteins Raumzeit
2D Analogon
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Blick zurückBlick zurück
WMAP Website
z = 0
z ~ 1100 Entstehung von Sternen und Galaxien
Ursprung der Hintergrundstrahlung
Beobachter auf der Erde
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Doppler-EffektDoppler-Effekt
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Fallendes LichtFallendes Licht
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Expandierender RaumExpandierender Raum
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Gedehntes LichtGedehntes Licht
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RotverschiebungRotverschiebung
Expansion des Universums,wichtig auf großer Raumskala, Kosmologie!
wichtig bei starken Gravitationsfeldern, z.B. Schwarze Löcher, Neutronensterne
reiner Bewegungseffekt,nur lokal wichtig (Andromedagalaxie)
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mm
Dunkle MaterieDunkle Materie
zusätzliche Materieform, Natur unklar!wechselwirkt schwach, aber nicht elektromagnetischgefordert zur Klärung der Stabilität des Coma-Haufens bestehend aus 800 Galaxien (Zwicky 1933)gefordert zur Klärung des Rotationsverhaltens von Galaxien (Rubin 1960)Astroteilchenphysik: WIMPs (weakly interacting massive particles) supersymmetrische DM (Dark SUSY), z.B. leichtester Kandidat: Neutralino mit 520 GeVSpektrum kosmischer Strahlung: „Knie“ aus WIMP-Vernichtungsstrahlung?
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GravitationslinsenGravitationslinsen
Kneib & Ellis, ESA/NASA, 2004
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BeobachtungBeobachtung
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Kosmische Kosmische HintergrundstrahlungHintergrundstrahlung
Theoretisch vorhergesagt 1950 (Hoyle) und 1956 (Gamov): Wärmestrahlung des heißen Urplasmas des kleinen und jungen Universums 1965 von Penzias & Wilson per Zufall entdeckt (Nobelpreis 1978)Relikt aus prähistorischer Zeit: z ~ 1100Alter des Kosmos: 380 000 JahreDas Älteste, was Menschen messen!stark rotverschoben im lokalen Universum: Drei-Kelvin-Strahlung (Planck-Strahler)
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Kosmische Kosmische HintergrundstrahlungHintergrundstrahlung
Karte der Hintergrundstrahlung zeigt: Universum ist isotrop, viel mehr als blauer Himmel an einem sonnigen Tag!Aber: geringe Schwankung im Bereich von 10-5 Kelvin wegen ersten Strukturen: inhomogene Dunkle Materie
Schwingungen im Urplasmabestens vermessen mit COBE, WMAP, BOOMERANG, MAXIMA, ...aktuell: Polarisation, Sunyaev-Zel‘dovich-Effekt
WMAP Website
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Himmelskarte der Himmelskarte der UrstrahlungUrstrahlung
WMAP Websiterot: wärmer blau: kälter
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SN Ia: explodierende Weiße Zwerge (WDs)gute Standardkerzen: Maximalmasse eines WDs ist 1.46 M (Chandrasekhar-Masse)
fällt mehr Masse (z.B. von einem Begleitstern) auf den Zwerg, so explodiert er als Wasserstoffbombeimmer etwa gleiche absolute Helligkeit!gute Meilensteine im Kosmos zur Zuordnung Rotverschiebung Distanz
Supernovae IaSupernovae Ia
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Supernovae IaSupernovae Ia
Bildquelle: HST Website, http://hubblesite.org/newscenter/newsdesk/archive/releases/
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Hubble-Diagramm mit Hubble-Diagramm mit SternexplosionenSternexplosionen
große z: Zusammenbruch der Linearität!
Kurve beschränkt kosmologische Parameter
Bildquelle: SCP Website, http://www-supernova.lbl.gov/
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GalaxienhaufenGalaxienhaufen
Idee: räumliche Verteilung der Galaxien hängt von kosmologischen Parametern ab
Werkzeug: langbelichtete Beobachtungen, vor allem mit Röntgenteleskopen (X-ray deep surveys), liefern Galaxienverteilung
Resultat: Messung beschränkt Dichteparameter ‘s, Parameter der Zustandsgleichung w, dessen zeitliche Entwicklung dw/dz
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räumliche räumliche GalaxienverteilungGalaxienverteilung
Bildquelle: 2dF Website, http://www.mso.anu.edu.au/2dFGRS/
bis 2 Mrd. Lj Entfernung!
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Galaxien enthüllen Galaxien enthüllen Universum Universum
w = -1w = -0.6w = -0.2
m = 0.27m = 0.30m = 0.33
Haiman, Mohr & Holder 2001
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Kosmische ZutatenKosmische Zutaten
~ 0.7
m ~ 0.3Bildquelle: SCP Website
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WMAP Website
Beschleunigung!
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Standardmodell der Standardmodell der KosmologieKosmologie
~ 0.73, dominante Dunkle Energie
m ~ 0.23+0.04 = 0.27, großer Anteil Dunkler Materie, aber gewöhnliche (baryonische) Materie „kosmisch irrelevant“H0 = 72 km/s/Mpc, Hubble-Konstante
k ~ 0, flaches Universum: Euklidische Geometrie
CDM: flat cold dark matter dominated UniverseSäulen: CMB, SN Ia, LSS, Nukleosynthese, Alter
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Woody AllenWoody Allen
„If the Universe is expanding, why can‘t I find a parking space?“
Bildquelle: Web, http://www.monerohernandez.com/GALERIA/woodyallen.html
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Formen Dunkler EnergieFormen Dunkler Energie
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Parameter wParameter wDunkle Energie:negativer Druck!Antigravitation kosmische Beschleunigung
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kosmologische Konstantekosmologische Konstante
EinsteinTM keine zeitliche Entwicklung der Dunklen Energie (unabhängig von Rotverschiebung)10-29 g/cm3 Dichte; assoziiert mit dem Quantenvakuum?w = -1aktuell von astronomischen Beobachtungsdaten favorisiert!
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QuintessenzenQuintessenzen
mathematisch: Skalarfeld physikalisch: extrem leichtes TeilchenMotivation: Kleinheit von , KoinzidenzproblemLösung: sich zeitlich entwickelnde Dunkle Energie (abhängig von Rotverschiebung), die inhomogen den Raum ausfüllt mittlerweile viele Ausprägungen:Cosmon (~10-33 eV), Radion, Spintessenz, k-Essenz,...erweitere Quintessenz: Kopplung an die Krümmungw = -1/3nicht ganz ausgeschlossen, aber aktuell wenig Unterstützung von Beobachtungen!
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topologische Defektetopologische Defekte
ebenfalls ein SkalarfeldFeld verknüpft mit spontanen Symmetriebrechung (vgl. Higgs-Teilchen)im Innern der Defekte: Erhaltung der Symmetrie beobachtbar als Anisotropien in der Hintergrundstrahlungw = -2/3ebenfalls nicht ganz ausgeschlossen, aber bislang keine Evidenz: Zerstörung der topologischen Defekte durch Ausdünnung wegen Expansion?
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PhantomenergiePhantomenergie
ungewöhnlicher Ansatz (Caldwell 1999)zeitabhängige, drastischste Form Dunkler Energie, die erst sehr spät wichtig wirdExpansionsrate nimmt zu! w < -1 (super-negative Zustandsgleichung)nicht ganz ausgeschlossen durch Fehlerbalken des w-Parameters (w = -0.78....-1.22)
Big Rip: Universum endet im totalen Zerriss!Beispiel: w = -1.2 Big Rip in 50 Mrd. Jahren!
Nebeneffekt: Produktion ultrahochenergetischer Teilchen in Widerspruch mit Beobachtung kosmischer Strahlung
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Chamäleon-FeldChamäleon-Feld
2003 von Khoury & Weltman geprägtauch ein sich zeitlich entwickelndes SkalarfeldChamäleon-Effekt: Teilchenmasse abhängig von lokaler Materiedichte: hohe Dichte (Erde) hohe Teilchenmasse Verletzung des ÄP unterdrücktbisher konsistent mit Tests der ARTVorhersagen: variable Gravitationskonstante G,
Feinstrukturkonstante Verletzung des Äquivalenzprinzips schnelleres Wachstum kleiner Strukturen als CDM
Bildquelle: Saxifraga/Sytske Dijksen
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Chaplygin-GasChaplygin-Gas
erfunden von Chaplygin für Aerodynamikp = -A/, Konstante A > 0
früh: Verhalten wie Staub (materiedominierter Kosmos) spät: Verhalten wie perfekte Flüssigkeit mit negativem Druck bewirkt auch beschleunigten Kosmos
attraktiv: Entwicklung von staubdominiertem Universum zu de-Sitter-UniversumProblem: Gravitationskollaps erschwert! (cs = c)
erweitertes Chaplygin-Gas A A(a) (dark fluid)
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Alternative I: klassische Alternative I: klassische ART ART ohneohne Dunkle Energie Dunkle Energie
Strukturbildung: Ausbildung von Inhomogenitäten könnte sich wie eine kosmologische Konstante auswirken!kein breiter Konsens, aber aktuelles Forschungsgebiet doch Einsteins Eselei
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Alternative II: neue Alternative II: neue GravitationstheorieGravitationstheorie
Branenwelten und Stringtheorien haben mehr als drei räumliche Dimensionen der ART: Extradimensionenunser Universum liege auf einer 3-Bran, eingebettet in höherdimensionales Gebilde (bulk) Branen-Theorien (z.B. Dvali-Gabadadze-Porrati Branenwelt) verhalten sich auf großer Skala wie ARTgenaue Anzahl weiterer Dimensionen unklar, aber evt. am CERN (LHC 2007) zu testen
weitere Gravitationstheorie: Loop-Quantengravitation
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Zyklisches Zyklisches UniversumUniversum
kosmischer Unfall: Kollision zweier BranenGegeneinanderschwingen verursacht ein neues Skalarfeld: das RadionEine Bran: unser Vorläuferuniversumspekulativ! wie testen?aber attraktiv: Ursache für den Urknall
(Steinhardt & Turok 2001)
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Zukunft des UniversumsZukunft des Universums
![Page 48: Einsteins Universum Das Geheimnis der Dunklen Energie Andreas Müller Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching Westfälische Volkssternwarte](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062417/55204d6249795902118b67b0/html5/thumbnails/48.jpg)
Zukunft des UniversumsZukunft des Universums
eigentlich unklar!aktueller Konsens: ewige Expansion mit AuskühlenBig Whimper: kalter, dunkler Kosmos
Alternativen: Big Rip (Phantomenergie)Big Crunch (Quintessenzen) oderZyklisches Universum (Radion)philosophisch attraktiv: wiederkehrendes, pulsierendes Universum
Klar gibt es
Lammda!
Bildquelle: www.wuerzburg.de
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EinsteinEinstein
„Das Schönste, was wir erleben können, ist das Geheimnisvolle.“
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Weitere InformationenWeitere InformationenWebsite Andreas Müller
Vorträge: www.mpe.mpg.de/~amueller/astro_ppt.html
Web-Lexikon: www.mpe.mpg.de/~amueller/glossar.html
Website des Satelliten WMAP: http://map.gsfc.nasa.gov/
Publikation: Bean, Carroll & Trodden 2005, astro-ph/0510059
Buch von H. Lesch & J. Müller (2001): „Kosmologie für Fußgänger“
Kosmologie-Vorlesungsskripte:
M. Camenzind (Landessternwarte Heidelberg):http://www.lsw.uni-heidelberg.de/users/mcamenzi/CosmoVorl.html
M. Bartelmann (Institut für Theoretische Astrophysik, Heidelberg):http://www.ita.uni-heidelberg.de/~msb/Lectures/cosmology.pdf