Dunkle Materie

1. Dunkle Materie Astronomiefreifach HS 2002/2003 Stefan Leuthold

2. Astronomiefreifach - Dunkle Materie.

3. Was ist dunkle Materie? • «Vor 50 Jahren erkannte Fritz Zwicky, dass Galaxienhaufen hauptsächlich aus Materie in irgendeiner nichtleuchtenden Form bestehen. Die Suche nach dieser dunklen Materie beherrscht seit einem halben Jahrhundert die Kosmologie.» (Silk, 134) • Zwicky (1898-1974)ein echter Glarner Astronomiefreifach - Dunkle Materie.

4. Unsere Galaxie: Milchstrasse. • Durchmesser: etwa 100‘000 ly (≈ 30 kpc) • Abstand Sonne-Zentrum: ≈ 8 kpc • Bahngeschwindigkeit der Sonne: ≈ 250 km/s Astronomiefreifach - Dunkle Materie.

5. Astronomiefreifach - Dunkle Materie.

6. Galaxiencluster • Fritz Zwicky untersuchte Coma Cluster und Virgo Cluster. • Er fand, dass die Geschwindigkeiten der einzelnen Galaxien um 10 bis 100 mal grösser waren als erwartet. • Das einzige, wovon die Geschwindigkeit der Galaxien abhängt, ist die Masse im Zentrum des Clusters – dies ist ein deutlicher Hinweis auf dunkle Materie. Astronomiefreifach - Dunkle Materie.

7. This image from NASA's Hubble Space Telescope shows hundreds of galaxies in an area of the sky as small as President Roosevelt's eye on a dime held at arm's length. The brightest galaxy in the field, called NGC 4881, lies in the outskirts of a really large cluster of galaxies called the Coma Cluster.

8. Virgo Cluster

9. Nachweis: Rotation von Galaxien. Während die Leuchtkraft vom Zentrum gegen aussen in einer Galaxie rasch abfällt, bleibt die gemessene Rotations-geschwindigkeit vieler Galaxien hoch – dies ist nur möglich, wenn innerhalb der Materie eine grosse Masse die Rotation aufrechterhält. P.J.E. Peebles mass als einer der ersten Rotationskurven von Galaxien aus. Rechts ein berühmtes seiner Bücher. Astronomiefreifach - Dunkle Materie.

10. Wieviel dunkle Materie gibt es? • Man definiert > 1 geschlossenes Universum = 1 flaches Universum < 1 offenes Universum • Der Omega-Parametergibt also an, wievieldunkle Materie vor-handen ist: Man schätzt heute bis zu 90% oder 95%der Gesamtmasse des Universums! Astronomiefreifach - Dunkle Materie.

11. Was kann dunkle Materie sein? • Planeten • Weisse Zwerge • WIMPs: Weakly interacting massive particles. • «Exotische Materie» Astronomiefreifach - Dunkle Materie.

13. Baryonische dunkle Materie • Weisse Zwerge • Neutronensterne • Schwarze Löcher • MACHOs (massive compact halo objects) Sternüberreste Astronomiefreifach - Dunkle Materie.

14. Endstadien von Sternen Brauner Zwerg Roter Riese He-Kern Weisser Zwerg 1 MSonne Protostern 10-30 MSonne Überriese Neutronen-stern He-Kern > 30 MSonne Schwarzes Loch Astronomiefreifach - Dunkle Materie.

15. Entwicklung im HR-Diagramm. Entwicklung eines Sternes mit etwa 5 Sonnen-massen: Vom Kern- ins Schalenbrennen aufgeheizt, Sternradius wächst auf 100faches an (roter Riese). Ausdehnung kühlt Hülle ab (L ~ T4, L ~ r2, bei L = konst. folgt Abkühlung). Kontrahierung der Kernregion => T steigt auf über 100 Mio. K, danach «Triple-a-Prozess» (3 He => C). Alles ausgebrannt, T genügt nicht für Brennen schwererer Elemente: Kontraktion => Weisser Zwerg. Astronomiefreifach - Dunkle Materie.

16. Entstehung von Neutronensternen • Bei Kerntemperaturen T > 109 K geht das nukleare Brennen weiter bis zu Eisen (noch schwerere Elemente können in Sternen nicht erzeugt werden). • Masse der Kernregion > 1,4 MSonne: Beim Zusammenfallen des Kern nach dem Ausbrennen werden p+ und e– zu n und n zusammengedrückt. • Der Radius eines Neutronensterns beträgt einige Kilometer, seine Dichte r ≈ 1012 kg/cm3 ! Astronomiefreifach - Dunkle Materie.

17. Supernovae • Der Kollaps der Kernregion eines angehenden Neutronensterns treibt eine Druck-welle nach aussen, welche die äusseren Schichten des roten Überriesen in einer gewaltigen Explosion in den Raum hinausschleudert := Supernova. Astronomiefreifach - Dunkle Materie.

18. Pulsare • Neutronensterne, welche schnell pulsieren (z. T. mit Frequenzen im ms-Bereich)nennt man «Pulsare». • Die Perioden von Pulsaren gehen bis zu 10-14 s genauim Zeitraum eines Jahres(vergleichbar mit Atom-uhren). Astronomiefreifach - Dunkle Materie.

19. MACHOs: Gravitationslinsen. Vgl. Kopie aus «Metzler Physik» Astronomiefreifach - Dunkle Materie.

20. Astronomie ist schön. Literaturangaben Silk, Joseph. Die Geschichte des Kosmos. Spektrum Akademischer Verlag. Deutsche Ausgabe 1996. Astronomiefreifach - Dunkle Materie.