Kosmologi II Mørk Energi Og Mørkt Stof Af Ole Bjælde Cand. scient & ph.d. studerende ved Århus Universitet

Universets indhold

Normalt Stof

EVIDENS FOR MØRKT STOF

Første Hint i 1933 Fritz Zwicky – virialsætningen For meget masse – dunkle Materie!

Rotationskurver af Galakser

Mørkt stof vil ikke kun påvirke stof – det vil også påvirke lys! Gravitationslinser Mørkt stof vil ikke kun påvirke stof – det vil også påvirke lys!  b M Lys fra en fjern stjerne som akkurat strejfer Solens overflade =1.7”

Gravitationslinser

Gravitationslinser

Gravitationslinser

Strukturdannelse Ikke baryonisk stof Kun gravitation (+svag vekselvirkning) Danner haloer før alle andre typer af stof som er påvirket af tryk Uden mørkt stof villle strukturdannelse ske senere

Bullet Cluster

MØRKT STOF

What’s The Matter? Stor variation i forslag! Forslag # 1: Axioner Masse=10-5eV~10-41kg Forslag # 2: Primordiale sorte huller Masse=105 MSOL~1035kg Krav: Kun vekselvirkning ved tyngdekraften og den svage vekselvirkning Weakly Interacting Massive Particles WIMPs

Neutrinoer Dannet i universets begyndelse    Neutrino baggrund N=113 cm-3 I virkeligheden Det passer hvis

Mørkt Stof I øvrigt er neutrinoer hot dark matter Cold dark matter Udvisker små tæthedsfluktuationer Maksimalt 30% hdm Top-down strukturdannelse Cold dark matter Hierarkisk bottoms-up strukturdannelse Ikke-relativistiske partikler Warm dark matter

WIMPs Masser i GeV området Supersymmetrisk partikel Dannes i par med R-paritet +1,-1 Henfalder i processer som bevarer R Ender som den letteste(LSP) – kaldet  Neutralino – mix photino, 2 higgsino, zino Hverken EM eller stærk vekselvirkning Mange fri parametre

DETEKTION AF MØRKT STOF

To Muligheder Direkte detektion – dvs. observation af spredning af WIMPs indeni en detektor Indirekte detektion – dvs. observation af annihilationsprodukter i fx den galaktiske halo eller måske gravitationel indfangning i solen eller jorden.

Direkte Detektion Kan afhænge af vinkel og tid Daglig modulation – jordens rotation Årlig modulation – jordens bane om solen Detektion ved rekyleffekt på kerner WIMP hastigheder på ca. v~220 km/s Estimat for raten af detektioner (afhængig af masse og tværsnit) Neutralino Rekyl

DAMA/LIBRA i Gran Sasso

DAMA/LIBRA Direkte detektion fra galaktisk halo Large sodium Iodide Bulk for RAre processes 250 kg NaI Modulationseffekter December 30 km/s ~ 232 km/s 60° June

total exposure: 0.53 tonyr DAMA/LIBRA Bernabei, et al. 2008 Resultater DAMA/LIBRA (4 years) total exposure: 0.53 tonyr

DAMA/LIBRA Kun single-hit events viser modulation! DAMA/NaI (7 years) + DAMA/LIBRA (4 years)

Lille forskel fra 2. juni pga. DAMA/LIBRA R(T)=S0+Ymcos[(t-t*)] Lille forskel fra 2. juni pga. temperatureffekter

DAMA/LIBRA Klar årlig modulation Kun eksisterende for 2-6 keV Kun eksisterende for single-hit events Konsistent med 2. juni Svært at finde alternativer

Mit arbejde med CDM Moore et al, 1999

Mit arbejde med CDM Moore et al, 1999

Pause

EVIDENS FOR MØRK ENERGI

Supernovae Dobbeltstjernesystem Masseoverførsel Hvid dværg Rød gigantstjerne Masseoverførsel Chandrasekhar-masse=1.4Msol Supernovaeksplosion(SNIa) Afstandsmål

Supernovae Supernova 2004aw Supernova 2002bo

Andre typer af supernovae Type II Eksplosioner af stjerner indeholdende brint Type I (a,b,c) Eksplosioner af stjerner ikke indeholdende brint

Supernovae Type Ia Stjernen når Mch og kollapser Fusion i næsten hele stjernen Stjernen eksploderer pga. den enorme energi Chokbølge udsendes med 3% af c Signifikant stigning i lysstyrke Henfald af tunge grundstoffer

Supernovae Type Ia Nikkel Korrigere for afstand Kobolt

Supernovae Analysere mange lyskurver for SN1a med z<2 Svagere end i et univers med konstant udvidelse

MØRK ENERGI

Der bliver ikke mindre af det mens universet udvider sig Mørk energi Der bliver ikke mindre af det mens universet udvider sig Alm. stof Der bliver mindre af det mens universet udvider sig Mørk energi vil i sidste ende dominere!

Einstein Einsteins feltligninger Løst af A. Friedmann i 1922 Friedmann-ligningen Accelerationsligningen

Positivt krummet univers Einstein Ny type energi Statisk Univers Einsteins trick Positivt krummet univers =+1

Galakserne flytter sig!

accelererende ekspansion Kosmologisk Konstant Negativt tryk Vakuum-energi Forklarer universets accelererende ekspansion

Koincidens-problem

Kosmologisk konstant-problem Når vi udregner tætheden tager vi fejl med en faktor 10.000.000.000.000. 000.000.000.000.000. 000.000

Andre Kandidater? Quintessence (Kvintessens) Alm. stof, mørkt stof og stråling har positivt tryk Quintessence (Kvintessens) Dynamisk, rum- og tidsafhængig type af energi med negativt tryk tilstrækkelig til at styre den accelererende ekspansion

Quintessence Kan løse koincidensproblemet Nyt kosmologisk konstant problem =0 ?? Tryk = Kinetisk – Potentiel Energi per volumen = Kinetisk + Potentiel

Neutrinoer med varierende masse Mørk energi = Neutrinoer + Quintessence Femte kraft   

Kosmologisk Perturbations- teori Strukturudvikling fra Big Bang Perturbationer gror pga. tyngdekraften

Univers som trækker sig sammen igen Skæbne Frosset univers T ! 0 Univers som trækker sig sammen igen Big Rip slutning?

Alternative Forklaringer Universet er fyldt med en slags gas med de rigtige egenskaber Newtons tyngdelov er forkert!? Vi har mere end 3 rumlige dimensioner og 1 tids-dimension Observationerne af SNIa er forkerte!?

DETEKTION AF MØRK ENERGI

SNAP SuperNova/Acceleration Probe w=w0+wa(1-a) 1.8-meter teleskop med en CCD detektor med en milliard pixels 2000 SNIa/år – nære og fjerne Observationer af mange supernovae vil fortælle hvordan universet har udvidet sig

Åbne Spørgsmål Hvor kom de første inhomogeniteter fra? Hvad er mørkt stof? Hvad er mørk energi? Svarene skal findes ved hjælp af fysik ved meget høj energi!

The End Slideshow på www.phys.au.dk/~oeb Email: oeb@phys.au.dk

Higgs Mekanismen Hvis et systems samlede energi ikke ændrer sig under forskydning i rum, er der ingen ydre kræfter som virker på systemet og den samlede impuls ændrer sig ikke i tid. Euler- Lagrange Frie skalare partikler Klein-Gordon ligning

Higgs Mekanismen 2>0 2<0 Skalare partikler som vekselvirker med hinanden Minimum af potentialet V når 2>0 2<0

Higgs Mekanismen Men vi er interesseret i små forskydninger fra minimum! Løsning: Vi ekspanderer omkring et af vores minima 

Higgs Mekanismen Masse-led er opstået!!

Slideshow på www.phys.au.dk/~oeb