13.7 billion years Kosmologie 95% of energy in universe of ... Gesetz: v=Hd ... Karlsruhe...

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Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung, 10.6.2009 1 Dunkle Materie, was ist das? Urknall Teilchenphysik Astroteilchenphysik Astronomie Kosmologie 13.7 billion years 10 -34 s 95% of energy in universe of unknown nature Elementarteilchen 10 -12 s 10 2 s

Transcript of 13.7 billion years Kosmologie 95% of energy in universe of ... Gesetz: v=Hd ... Karlsruhe...

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Dunkle Materie,was ist das?

Urknall

Teilchenphysik

AstroteilchenphysikAstronomie

Kosmologie13.7 billion years

10-34 s

95% of energy in universe of unknown nature

Elementarteilchen

10-12 s

102s

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Literatur

1. Vorlesungs-Skript/Folien:http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/

2. Matts Roos: An Introduction to CosmologyWiley, 3th Edition, 2004

3. Lars Bergström and Ariel Goobar: An Introduction to Cosmology

Springer, 2nd Edition, 2004

4. Bernstein: An Introduction to CosmologyPrentice Hall, 1995

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LiteraturPopuläre Bücher:

Weinberg: Die ersten drei Minuten

Silk: A short history of the universe

Hawking: A brief History of Time

Fang and Li: Creation of the Universe

Parker: CreationVindication of the Big Bang

Ledermann und Schramm: Vom Quark zum Kosmos

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Literatur

Bibel der Kosmologie:

Börner: The early Universe

Kolb and Turner: The early Universe

Gönner: Einführung in die Kosmologie

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Temperaturentwicklung des Universums

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Hubble mit dem 2.5m Teleskop in Palomar (CA) (ca. 1920)und der heutige Hubble Space Telescope (HTS)

Palomar, Kalifornien, USA

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Unsere Galaxie ist hier

Sloan Sky Survey: ⅓ million galaxiesDoppler Verschiebungen ->

Geschwindigkeiten der Galaxien

Universum: 1011 Galaxien1 Galaxie: 1011 Sterne

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Das Universum

(entdeckt von Hubble vor ca. 80 Jahren!)

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Hubblesche Gesetz: v=Hd

Je weiter die Galaxien voneinander entfernt sind,je schneller fliegen sie aus einander: v=Hd

(v=Geschwindigkeit zwischen 2 Galaxien auf Abstand d,H=Hubblesche Konstante=Expansionsrate)

Dies ist das Hubblesche Gesetz und wurde bestätigt.Gesetz gilt nur wenn es einen Urknall gab.

D1= v1 t=Sd1 D2=v2 t=Sd2

D2/D1=v2/v1=d2/d1v2=(v1/d1) v2=d2/tOder v=Hd (H=1/t)

A

B

C

d2d1

D2A

B

C

D1Ballon wird umSkalenfkt S

aufgebläht, d.h.Abstände S x so groß

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Altersabschätzung des Universum

Richtige Antwort:

tuni≈ 1/H0 ≈ 13,7 . 109 a,da durch Vakuumenergienicht-lineare Termeim Hubbleschen Gesetzauftreten (entsprechendabstoßende Gravitation).

τ0=1/H0, τuni=2/3 τ0

d=vt odert=d/v≈1/H

≈ Zeit der Ausdehnung≈ Alter des Universums≈ 13,7 Milliarden Jahre

S ∝1/T ∝ t2/3

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Vakuumenergie ⇒abstoßende Gravitation

Vakuumenergie and cosmological constant both produce repulsive gravity ⇒ equivalent!

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Wie groß ist das (sichtbare) Universum?

Es ist gut möglich, dass es schon sehr vielältere Universen gibt, denn vermutlich gab es viele “Big Bangs”

Licht ist die schnellste Kommunikation (Lichtgeschwindigkeit c), so einLichtstrahl kann maximal 13,7 Milliarden Lichtjahre zurückgelegt haben.

Dies entspricht einem Abstand D=ct=3.108 m/s x 13.7 109 Jahre x 3,15 x107 s/Jahr= ca. 1026m

Dieses sichtbare Teil ist vermutlich ein sehr kleiner Teilunseres Universums

Zum Vergleich: unsere Galaxie ist ca. 6.1020 m groß,Das sind ca 60.000 Lichtjahre.

Raumschiff mit Lichtgeschwindigkeit braucht also 60.000 Jahreum durch unsere Galaxie zu fliegen!

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http://www.youtube.com/watch?v=hVApTLE7Csc&eurl=http://echnorati.com/videos/youtube.com%2Fwatch%3Fv%3DhVApTL

E7Csc&feature=player_embedded

Viele interessante Filme auf Youtube

Hier Link für Hubble Film:

http://www.youtube.com/watch?v=FhfnqboacV0&eurl=http://technorati.com/videos/youtube.co

m%2Fwatch%3Fv%3DFhfnqboacV0

Hier Link für Redshift:

http://technorati.com/videos/youtube.com%2Fwatch%3Fv%3DMan9ulEYSgk

Hier Link für Dopplershift:

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Dunkle Materie,was ist das?

Urknall

Teilchenphysik

AstroteilchenphysikAstronomie

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10-34 s

95% of energy in universe of unknown nature

Elementarteilchen

10-12 s

102s

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Schwarzkörperstrahlung: ein Thermometer des Universums

Erwarte Plancksche Verteilungder CMB mit einer Temperatur

T= 2.7 K, denn T∝ 1/S ∝ 1/1+z.Entkoppelung bei T=3000 K , z=1100.

T jetzt also 3000/1100 =2.7 K Dies entspricht λmax≈2 mm (Mikrowellen)

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WMAP satellite(2003)

Bell Labs(1963)

Observing the CosmicMicrowave Background (CMB)

COBE satellite(1992)

Mather and SmoothNobel prize 2006

Penzias and WilsonNobel prize 1967

2003:WMAP: universe is flat, which implies an energy density ρcritical=2.10-29 g/cm3

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Licht des frühen Universums sichtbarals kosmischer Hintergrundstrahlung (CMB)

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Dichtefluktuationen zeigen Wellencharakter, sowohl im Ozean als in der CMB

WMAP

http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=4724Blick vom Satelliten auf die ErdeBlick vom Satelliten ins Universum

Temperatur des Universum: 2.725±0,001K mit kleinen Schwankungen von einigen μK durch akustische Wellen im Plasma des Urknalls

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Entwicklung des Universums

Early Universe

Present Universe

The Cosmic screen

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c) Es komprimiert wieder nach Abkühlung

dunkelhell

a) Gas wird durch Gebiete mit Überdichte angezogen

b) Es expandiert nach Kompression durch Überhitzung

Diese oszillierende Dichteschwankungen SIND akustische Wellen

Die ersten akustischen Wellen des Urknalls

Verdünnung

Verdichtung dunkelVerdünnung

dunkelVerdünnung

hellVerdichtung

hellVerdichtung

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Akustische Wellen SIND Dichteschwankungen

Moderne Flöte

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Line

weav

er 2

003

Frequency (in Hz)

A220 Hz

Klang des Urknalls nach 380.000 Jahren (transponiert um 50 Oktaven nach oben)

Click forsound

acoustic

non-acoustic

Beachte:am Anfang gabes keinen Knall,

sondernabsolute Ruhe!

©Mark Whittle

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Spread of tones~200 Hz range

Single tonePure sine wave

A “broad” note sounds quite different from a pure toneThe difference seems greatest for the lowest note.

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WEIL DAS UNIVERSUM SO GROß IST!

Warum sind Töne des Urknalls so tief?

©Mark Whittle

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Licht wird gekrümmt wenn Energiedichte ≠ 0

Nach Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie: Licht wird in einem Gravitationsfeld abgebogen.

Mond

Earth

MoonSunStars

This picture made Einstein famous

Nur wenn die gesamte Gravitationsenergie gleich Null, bewegt sich Licht auf gerade Linien (“flat universe”)

Beachte: wenn Masse des Sterns so groß ist, dass Licht gefangen wird, dann hat man ein schwarzes Loch.

Entsteht nur wenn Stern ausgebrannt ist und Masse auf ein kleinesVolumen zusammenstürzt (nach Supernovae Explosion)

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Position des ersten akustischen Peaksbestimmt Krümmung des Universums

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Berechnung der kritische Dichte nach Newton

DimensionsloseDichteparameter:

M mv

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Das Universum war am Anfang unglaublich heiss(wegen der hohen Intensität der heutigen CMB: 400 Photonen/cm3)

Schlussfolgerungen aus Beobachtungen der kosmischenHintergrundstrahlung (CMB=Cosmic Microwave background)

Position des ersten akustischen Peaks zeigt:

Licht geht gerade aus, d.h. keine gekrümmte Bahnen, d.h.

Gesamtenergiedichte entspricht kritische Dichte vonca. 2.10-29 g/cm3

Dies ist MEHR als die bekannte Materie, die nur4% der kritischen Dichte ausmacht!

Daher 96% der Energie ist unbekannter Natur!!!!

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Energieinhalt des Universums

Nur Atome gut verstanden, d.h.96% der Energiedes Universumsvöllig unbekannt!

„Dark Energy“ sindQuantenfluktuationen?

„Cold Dark Matter“ sindsupersymmetrische

Partner der Photonen?LHC wird diese produzieren?

WIMP=Weakly InteractingMassive Particle

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8% atoms

4% atoms

2% atoms

Low pitch High pitch

Long wavelength Short wavelength

Atomic content of the Universe

©Mark Whittle

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Lösung:Druck gering: δ=aebt ,

d.h. exponentielle Zunahme von δ(->Gravitationskollaps)Druck groß: δ=aeibt , d.h. Oszillation von δ

(akustische Welle)

Definiere: δ=Δρ/ρ

Newton: F=maδ``+ (Druck-Gravitation) δ=0

Warum akustische Wellen im frühen Universum?

FG

PF=ma

Rücktreibende Kraft: GravitationAntreibende Kraft: Photonendruck

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Center of the Coma Cluster by Hubble space telescope ©Dubinski

Entdeckung der DM in 1933 von Zwicky (1898-1974)

Zwicky beobachtete in 1933 dass Galaxien im Coma Cluster sich mit Geschwindigkeiten oberhalb der Fluchtgeschwindigkeit

bewegten, wenn es nur sichtbare Materie gibt.

Schlussfolgerung: ca. 90% der Masse besteht aus dunkler Materie!

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Teilchenphysik

AstroteilchenphysikAstronomie

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Elementarteilchen

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One half is observed! One half is NOT observed!

SUSY Shadow World

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Vorhergesagte Teilchen der SUPERSYMMETRIESymmetrie zwischen

Fermionen ↔ Bosonen(Matter particles) (exchange particles)

SUSY Massen: 100 - 2000 GeV !

= WIMP

Leichteste Supersymmetrische Teilchen stabil, schwer und schwach wechselw.⇒Exzellenter Kandidat für DM

⇒LSP meistens “photinolike” in MSSM ⇒ DM ist SUSY-Partner der CMB

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Gauge Coupling Unification in SUSY

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Indirekte Suche nach Dunkler Materie

AnnihilationsprodukteDunkler Materie:

Gamma rays(EGRET, FERMI)

Positronen (PAMELA)

Antiprotonen (PAMELA)

e+ + e-(ATIC, FERMI, HESS, PAMELA)

Neutrinos (Icecube, no results yet)

e-, p ertrinken in kosmischer Strahlung

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G.F. 5000 cm2 srExposure > 3 yrs

dP/P2 ~ 0.004 2.5 TV, p rejection = 10-5 (ECAL +TRD); Δx=10µm; Δt=100ps

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AMS to be launched in 2010

AMS

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AMS on ISS

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The AMS superconducting Magnet at CERN (2008)

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Coils

He Tank

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Magnet inside vacuum tank

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Current Status (May 2009)

The magnet is at 1.7 KThe system is fully leaktight to superfluid helium

The magnet is being commissionedand other detector components will beintegrated in 2009. Flight to ISS 2010.

Note: all components have been integrated in2008 inspare vacuum vessel and have been thoroughly

tested. They worked as expected.

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The Alpha Magnetic Spectrometer on ISS

AMS

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Model of AMS-02 on ISS

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Dunkle Materie,was ist das?

Urknall

Teilchenphysik

AstroteilchenphysikAstronomie

Kosmologie13.7 billion years

10-34 s

95% of energy in universe of unknown nature

Elementarteilchen

10-12 s

102s

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Zum Mitnehmen

a) Der Urknall experimentell bewiesen u.a. durch

• die Hubble Expansion der Galaxien mit v=Hd• die kosmische Hintergrundstrahlung aus dem

frühen Universum mit akustischen Peaks des Urknalls,d.h. man hat den Urknall “gehört”.

b) Große Fragen der Kosmologie und Teilchenphysik:

• Woraus besteht 95% der unbekannte Energie des Universums?(dunkle Materie, dunkle Energie, ….)

• Antworten erhofft vom LHC und Raumfahrtexperiment AMS