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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
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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
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Albert Einstein: E = mc2
• Energie und Masse sind äquivalent!
• Strahlung und Materie können ineinander umgewandelt werden
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Aufbau der Materie
Siliziumscheibe
Nukleon
Atomkern
Atom
Quarks
u d
Meteorit
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Wechselwirkungen der Materie
Bei sehr kleinen Abständen gibt es nur 1 Wechselwirkung!
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Astrophysikalische Beobachtungen
Satelliten messen dieLichtstärkeverteilung am Himmel und derenFarbe: Frequenz
Ausschnitt aus der Milchstraße
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Geschwindigkeitsmessung
Über die ‚Rotverschiebung‘ der Strahlung von Sternen messen wir deren Geschwindigkeit und Ausbreitungsrichtung
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Die Objekte des Universums
Sonne: 8.5 Lichtminuten Eta-Carinae: 8000 Lichtjahre
Galaxie M33: 2,7 Mill. Lichtjahre Galaxie: 14 Milliarden Lichtjahre
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Expansion des Universums
Die Galaxien bewegen sichkontinuierlich auseinander!
Rechnet man ihre Bahnen zurück, so entsteht die Vorstellung vom
Urknall
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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
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Die ersten 3 Minuten
Quarks und Gluonen werden in Nukleonen gebunden
<->
Proton+Neutron <-> Deuteron
<->
Leichte Kerne enstehen
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Nach 300000 Jahren
Protonen, Neutronenund Elektronen werdenzu Wasserstoff gebunden
Die Photonen entkoppeln Hintergrundstrahlung
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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
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Foto des Urknalls
Die Hintergrundstrahlung ist isotrop mit Temperatur 2.726 K! Schwankungen sind kleiner als 1/100000!
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Anisotropien der Hintergrundstrahlung
Winkel
Amplitude derFluktuationen
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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
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~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
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Hinweise auf dunkle Materie
Verteilung der Materie
dunkel sichtbar
Galaxien rotieren zu schnell in den Spiralarmen!
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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
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Beugung von Licht durch Materie
Auch Licht wird im Gravitationsfeld abgelenkt!
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Dichte Materie => Streulinsen
Aus der Verzerrungvon Bildern entfernterGalaxien kann man aufdie Massendichte zwischen Galaxie undBeobachter schliessen.
Schwarze Löcher und dunkle Materiewerden ‚sichtbar‘!
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Der Gravitationslinseneffekt
Bilder von Galaxien werden verzerrt oder vervielfältigt!
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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
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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 ?
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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 ?????????????????????????????????????
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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