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 • Andererseits: Festhalten am Sphärenmodell – Trägheit wissenschaftlicher Paradigmen
GLIEDERUNG • Handwerkszeug: Messen und Wiegen im Weltall • Phänomene: Warum brauchen wir dunkle Materie? • Diskussion möglicher Kandidaten: Methoden und Ausschlusskriterien • MOND: Kraft statt Masse
„Abzählen“ der sichtbaren Masse aus Flächenhelligkeit
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Masse aus Dynamik eines Objekts am Rand: 𝑀 = 𝑉²𝑅/𝐺
BEOBACHTUNG DER MILCHSTRAßE
FEHLENDE MASSE: DER COMA-CLUSTER • Berechnung der „dynamischen Masse“ • 30er: Hohe Diskrepanz zu sichtbarer Materie • Abgeschwächt durch heißes Gas (später)
FLACHE ROTATIONSKURVEN
• Im Außenbereich sollte: 𝑣 ~ 1/ 𝑅
• Tatsächlich beobachtet: 𝑣 → 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡.
FLACHE ROTATIONSKURVEN II •
Gut messbar durch Gas (Zufallskomponenten der Sterne)
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Wichtig: Trend über die sichtbare Galaxie hinaus!
•
Interpretation: • Masse nimmt radial zu • Galaxie wird nach außen hin „dunkler“
INSTABILITÄT VON SPIRALGALXIEN •
Simulationen:
• Rein rotationsgestützte Systeme sind instabil! • Elliptische Bahnen → höheres Trägheitsmoment → niedrigere kin. Energie bei gleichem Drehmoment
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
BULLET CLUSTER
FOLGERUNGEN AUS DER STRUKTUR DER CMB • Ω0 = 𝜌/𝜌𝑐 ≈ 1, 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
HEIßE VS KALTE DUNKLE MATERIE •
Heiß (Bsp. Neutrino)
• Niedrige Ruheenergie • Relativistisch bei Entkopplung • „Top-Down“ Szenarium
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Kalt: • Hohe Ruheenergie • „Bottom-up“ (tatsächlich beobachtet)
ANFORDERUNGEN AN DM-TEILCHEN •
Stabil
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Keine Ladung
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Kalt
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Nicht-baryonisch
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„vernünftiger“ Annihilations-Wirkungsquerschnitt
STANDARDMODELL UND SUPERSYMMETRIE Standardmodell
Superymmetrische Partner
KANDIDATEN II – NICHT BARYONISCH •
WIMP (weakly interacting massive particle)
• Neutralino/LSP •
Axion (spekulativ aus QCD)
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Majorana-Fermionen („zuständig“ für Masse der Neutrinos)
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Kaluza-Klein Teilchen (bei mehr Dimensionen)
DETEKTIONSVERSUCHE •
Streuung an Nukleonen direkte Detektion • Aufheizung eines Halbleiters • Jahresschwankungen im „Teilchenwind“
Sehr mächtig in der Beschreibung von Spiralgalaxien
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Reproduktion des Tully-Fisher Gesetzes 𝐿~𝑣 𝛼
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ABER: • kann DM beim Bullet Cluster nicht ersetzen • Erklärt nicht die Strukturbildung aus der CMB heraus
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
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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...
LITERATUR/ WEITERFÜHRENDES •
Robert H. Sanders: The Dark Matter Problem, A Historical Perspective
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Alain Mazure, Vincent Le Brun: Matter, Dark Matter and Anti-Matter