DARK MATTER – DOES IT MATTER?

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Eine phänomenologische Diskussion der dunklen Materie

Philipp Gohlke – Universität Bielefeld 2013

DARK MATTER – DOES IT MATTER?

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ANGENOMMENE ANTEILE DER MASSE

UND ENERGIE IM UNIVERSUM

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VORLÄUFER

• Theoretische Vorhersage des Planet Neptun aus der Umlaufbahn von Uranus

• Andererseits: Festhalten am Sphärenmodell – Trägheit

wissenschaftlicher Paradigmen

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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

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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:

•

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BEOBACHTUNG DER MILCHSTRASS

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• Berechnung der

„dynamischen Masse“

• 30er: Hohe Diskrepanz zu sichtbarer Materie

• Abgeschwächt durch heißes Gas (später

)

FEHLENDE MASSE: DER COMA-

CLUSTER

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• Im Außenbereich sollte:

• Tatsächlich beobachtet:

•

FLACHE ROTATIONSKURVEN

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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“

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• Simulationen:

• Rein rotationsgestützte Systeme sind instabil!

• Elliptische Bahnen höheres

Trägheitsmoment

niedrigere kin. Energie bei gleichem

Drehmoment

•

INSTABILITÄT VON SPIRALGALXIEN

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DUNKLER HALO

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KANDIDATEN I

• Kaltes Gas

• Kalte Staubwolken

• Neutrinos

• MACHOS (Massive Compact Halo Objects)

• Braune Zwerge, Planeten

• Erloschene Sterne

• Schwarze Löcher

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GRAVITATIONSLINSENEFFEKT (STARK)

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GRAVITATIONSLINSENEFFEKT II – ABELL

2218

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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

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BULLET CLUSTER

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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

•

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HEISSE VS KALTE DUNKLE MATERI

• Heiß (Bsp. Neutrino)

• Niedrige Ruheenergie

• Relativistisch bei Entkopplung

• „Top-Down“ Szenarium

• Kalt:

• Hohe Ruheenergie

• „Bottom-up“ (tatsächlich beobachtet)

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ANFORDERUNGEN AN DM-TEILCHEN

• Stabil

• Keine Ladung

• Kalt

• Nicht-baryonisch

• „vernünftiger“ Annihilations-Wirkungsquerschnitt

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STANDARDMODELL UND SUPERSYMMETRIE

Standardmodell Superymmetrische Partner

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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)

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• 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

DETEKTIONSVERSUCHE

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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

•

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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...

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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