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Dark Matter – Does it matter?

Dark Matter – Does it matter?. Eine phänomenologische Diskussion der dunklen Materie Philipp Gohlke – Universität Bielefeld 2013. Angenommene Anteile der Masse und Energie im Universum. Vorläufer. Theoretische Vorhersage des Planet Neptun aus der Umlaufbahn von Uranus

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Dark Matter – Does it matter?

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Presentation Transcript

  1. Dark Matter – Does it matter? Eine phänomenologische Diskussion der dunklen Materie Philipp Gohlke – Universität Bielefeld 2013

  2. Angenommene Anteile der Masse und Energie im Universum

  3. Vorläufer • Theoretische Vorhersage des Planet Neptun aus der Umlaufbahn von Uranus • Andererseits: Festhalten am Sphärenmodell – Trägheit wissenschaftlicher Paradigmen

  4. Gliederung • Handwerkszeug: Messen und Wiegen im Weltall • Phänomene: Warum brauchen wir dunkle Materie? • Diskussion möglicher Kandidaten: Methoden und Ausschlusskriterien • MOND: Kraft statt Masse • DM konkret: Detektionsversuche • Zusammenfassung

  5. Messungen im Universum • Abstände: Parallaxe, Standardkerzen • Geschwindigkeiten: Dopplereffekt aus Rotverschiebung z=∆λ/λ • Hubble-Gesetz: • Kosmologisches Prinzip: Universum isotrop und homogen für jeden Beobachter • Wichtiges Konzept: M/L (Masse-zu-Licht Verhältnis) • „Abzählen“ der sichtbaren Masse aus Flächenhelligkeit • Masse aus Dynamik eines Objekts am Rand:

  6. Beobachtung der Milchstraße

  7. Fehlende Masse: der Coma-Cluster • Berechnung der „dynamischen Masse“ • 30er: Hohe Diskrepanz zu sichtbarer Materie • Abgeschwächt durch heißes Gas (später)

  8. Flache Rotationskurven • Im Außenbereich sollte: • Tatsächlich beobachtet:

  9. Flache Rotationskurven II • Gut messbar durch Gas (Zufallskomponenten der Sterne) • Wichtig: Trend über die sichtbare Galaxie hinaus! • Interpretation: • Masse nimmt radial zu • Galaxie wird nach außen hin „dunkler“

  10. Instabilität von Spiralgalxien • Simulationen: • Rein rotationsgestützte Systeme sind instabil! • Elliptische Bahnen höheres Trägheitsmoment niedrigere kin. Energie bei gleichem Drehmoment

  11. Dunkler Halo

  12. Kandidaten I • Kaltes Gas • Kalte Staubwolken • Neutrinos • MACHOS (Massive Compact Halo Objects) • Braune Zwerge, Planeten • Erloschene Sterne • Schwarze Löcher

  13. Gravitationslinseneffekt (stark)

  14. Gravitationslinseneffekt II – Abell 2218

  15. Gravitationslinsen und DM • Bekanntes System im Hintergrund: • Ermöglicht „Profil“ der Masse im Inneren • Gesamtmasse aus Stärke der Verzerrung • Vergleich mit Massenprofil aus Gasverteilung: • Berechnung aus hydrostatischem Gleichgewicht

  16. Bullet Cluster

  17. Folgerungen aus der Struktur der CMB • , da ungekrümmt • Sehr geringe Dichteschwankungen • Expansion erlaubt nur geringen Zuwachs • Strukturen müssen sich bereits vorher gebildet haben • Nicht-baryonische Materie entkoppelt früher von der Strahlung • Baryonen fallen erst bei Entkopplung in die Potentialtöpfe

  18. Heiße VS Kalte Dunkle Materie • Heiß (Bsp. Neutrino) • Niedrige Ruheenergie • Relativistisch bei Entkopplung • „Top-Down“ Szenarium • Kalt: • Hohe Ruheenergie • „Bottom-up“ (tatsächlich beobachtet)

  19. Anforderungen an DM-Teilchen • Stabil • Keine Ladung • Kalt • Nicht-baryonisch • „vernünftiger“ Annihilations-Wirkungsquerschnitt

  20. Standardmodell und SUpersymmetrie Standardmodell Superymmetrische Partner

  21. Kandidaten II – nicht baryonisch • WIMP (weakly interacting massive particle) • Neutralino/LSP • Axion (spekulativ aus QCD) • Majorana-Fermionen („zuständig“ für Masse der Neutrinos) • Kaluza-Klein Teilchen (bei mehr Dimensionen)

  22. Detektionsversuche • Streuung an Nukleonen  direkte Detektion • Aufheizung eines Halbleiters • Jahresschwankungen im „Teilchenwind“ • Annihilation  indirekte Detektion (z.B. ICECUBE) • Messung von Zerfallsprodukten (z.B. Hochenergetische Neutrions) • Abschirmungsproblematik

  23. Alternative: MOND • Modified Newtonian Dynamics • Rotationskurven erklärt durch für Beschleunigungen kleiner • Sehr mächtig in der Beschreibung von Spiralgalaxien • Reproduktion des Tully-Fisher Gesetzes • ABER: • kann DM beim Bullet Cluster nicht ersetzen • Erklärt nicht die Strukturbildung aus der CMB heraus

  24. Zusammenfassung Dunkle Materie • Notwendigkeit/Erfolge: • Rotationskurven, Gravitationslinsen, Simulationen etc.: beobachtbare Masse reicht nicht • Die Strukturbildung des Universums lässt sich zum Teil auf kalte DM zurückführen • Anteile der DM an gesamter Masse aus verschiedenen Berechnungen sind konsistent • Probleme: • Nie direkt detektiert • Kandidaten: konzeptionielle Probleme oder sehr sprekulativ • Kaum falsifizierbar • Bieten keine Erklärung für Tully-Fischer Gesetz, Form der Rotationskurven von Galaxien mit niedriger Masse...

  25. Literatur/ weiterführendes • Robert H. Sanders: The Dark Matter Problem, A Historical Perspective • Alain Mazure, Vincent Le Brun: Matter, Dark Matter and Anti-Matter • G.F. Giudice: A Zeptospace Odyssey • Wikipedia • http://www.br.de/fernsehen/br-alpha/sendungen/alpha-centauri/index.html

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