P.Gohlke - Universität Bielefeld

March 20, 2018 | Author: Anonymous | Category: N/A
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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

• DM konkret: Detektionsversuche • Zusammenfassung

MESSUNGEN IM UNIVERSUM •

Abstände: Parallaxe, Standardkerzen



Geschwindigkeiten: Dopplereffekt aus Rotverschiebung z=∆λ/λ



Hubble-Gesetz: 𝑣~𝑟



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:  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)



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

DUNKLER HALO

KANDIDATEN I •

Kaltes Gas



Kalte Staubwolken



Neutrinos



MACHOS (Massive Compact Halo Objects) • Braune Zwerge, Planeten

• Erloschene Sterne • Schwarze Löcher

GRAVITATIONSLINSENEFFEKT (STARK)

GRAVITATIONSLINSENEFFEKT II – ABELL 2218

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



Kalt: • Hohe Ruheenergie • „Bottom-up“ (tatsächlich beobachtet)

ANFORDERUNGEN AN DM-TEILCHEN •

Stabil



Keine Ladung



Kalt



Nicht-baryonisch



„vernünftiger“ Annihilations-Wirkungsquerschnitt

STANDARDMODELL UND SUPERSYMMETRIE Standardmodell

Superymmetrische Partner

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)

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

ALTERNATIVE: MOND •

Modified Newtonian Dynamics 𝑚𝑎 2 𝑎0



Rotationskurven erklärt durch 𝐹 =

für Beschleunigungen kleiner 𝑎0



Sehr mächtig in der Beschreibung von Spiralgalaxien



Reproduktion des Tully-Fisher Gesetzes 𝐿~𝑣 𝛼



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



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



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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