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Woraus besteht das Universum?
Dominik J. Schwarz
Universitat Bielefeld
Herbstakademie 2004
5% Atome, 25% dunkle Materie & 70% dunkle Energie
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Woraus besteht”unsere“ Welt?
75% Wasserstoff, 24% Helium, 1%”Metalle“
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Welche Teilchen gibt es?
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Geschichte des Universums
1010101010 18 12 6 0 −6
10 −12
sssss s
Hubble Deep Field
?
today
galaxies3K radiation
nucleosynthesishadronsmasses
geometry &fluctuations
radiation matter
infla
tion
RHIC−event (STAR) Sky from WMAP
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Was beobachten wir?
Hubble Ultra Deep Field - Infrared
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Galaxien: Elliptische und Spiral-Systeme
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Galaxien-Gruppen und Haufen (cluster)
HCG87 - Gemini Observatory
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Woraus bestehen Galaxien?
Ist (M/L)Sterne = (M/L)Galaxie?
M/L . . . Masse-Leuchtkraft Verhaltnis; (M/L)Sterne ≈ (M/L)Sonne
Betrachte dazu Bewegungen von Sternen und Gaswolken
v(r) =
√
GM(r)
r
v . . . Geschwindigkeit
r . . . Abstand vom Zentrum
G . . . Newtonsche Gravitationskonstante
M(r) . . .Masse innerhalb r
typische Masse einer Spiral-Galaxie 1012M�
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Rotationskurven
NGC 2403
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Dunkle Materie
• massive Teilchen (v < vFlucht)
• keine elektromagnetischen und starken Wechselwirkungen
• Teilchen mussen stabil sein
• (M/L)Spiral−Galaxien > 20
Standardmodell der Teilchenphysik hat keinen Kandidaten
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Suche nach dunkler Materie
Large Hadron Collider (CERN)
supersymmetrische Teilchen?
direkte (Untergrund) und indirekte (kosmische Strahlung) Suche
Wieviel dunkle Materie gibt es?
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Galaxienhaufen: heißes Plasma, T = 107K bis 108K
Temperatur- und Dichteprofil ⇒ Masse und deren Gasanteil
typischer Gasanteil 15%, typische Masse 1015M�
Virgo-Haufen: sichtbares Licht
Rontgenstrahlung
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Wieviel Masse/Energie gibt es im Universum?
• Planeten & Sternen: Atomkerne & Elektronen
• Galaxien & Galaxienhaufen: 15% Atome, 85% dunkle Materie
• Universum: betrachte kosmische Mikrowellenstrahlung
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Geschichte des Universums
1010101010 18 12 6 0 −6
10 −12
sssss s
Hubble Deep Field
?
today
galaxies3K radiation
nucleosynthesishadronsmasses
geometry &fluctuations
radiation matter
infla
tion
RHIC−event (STAR) Sky from WMAP
![Page 15: Dominik J. Schwarz Universit at Bielefelddschwarz/ha2004.pdf · Woraus besteht das Universum? Dominik J. Schwarz Universit at Bielefeld Herbstakademie 2004 5% Atome, 25% dunkle Materie](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062912/5d004d3088c993c93d8b857b/html5/thumbnails/15.jpg)
Kosmische Mikrowellenstrahlung
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe 2003
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Messung der Geometrie des Universums
Allgemeine Relativitatstheorie: Krummung = G·Massendichte
beobachte einen Winkel, alle Seitenlangen bekannt
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Multipol-Analyse (` = 180◦/θ)
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Energie-Budget
• 5% Atome
• 25% kalte dunkle Materie (Druck ≈ 0)
• 70% dunkle Energie
Was ist dunkle Energie?
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Messung der Beschleunigung des Universums
Supernovae vom Typ 1a: explodierende weiße Zwerge
alle Explosionen etwa gleich hell (Standardkerzen)
bestimme Abstand aus scheinbarer Helligkeit
Zeitpunkt der Explosion aus Rotverschiebung
⇒ Beschleunigung > 0
[Science Magazine 1998: Revolution in Cosmology]
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Eigenschaften dunkler Energie
Allgemeine Relativitatstheorie:
−Beschleunigung = G·(Energiedichte +3·Druck)
Druck der dunklen Energie ist negativ!
Beispiel: Kosmologische Konstante (Vakuumsenergie) hat negativen Druck
∆Energie = ∆(Energiedichte · Volumen) = Energiedichte · ∆Volumen = −Druck · ∆Volumen
aus dem ersten Hauptsatz der Warmelehre
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Offene Fragen
• 5% Atome
Woher kommt die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie?
• 25% kalte dunkle Materie (Druck ≈ 0)
Was ist die kalte dunkle Materie? Neue Teilchen?
• 70% dunkle Energie (Druck = - Energiedichte?)
Was ist die Physik dieser Komponente?
95% der Masse/Energie im Universum sind unverstanden
DAS IST IHRE CHANCE!