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von wilfried » 12. Sep 2013, 17:17
Guten Tag
na dann, muss ich halt noch mal ran....
Die DM wurde 1844 erstmals erwähnt. Die Uranus Bahn erwies sich als nicht korrekt beschrieben und man fand keinen Fehler in der Bahnberechnung. Erfunden wurde darauf zuerst einmal ein neuer Planet, aber diese Idee stiess auf Ungnade beim Astronomen Airy. Unter DM verstand man schon damals eine über Gravitationswirkung wahrnembare aber nicht optisch beobachtbare Masse.
Experimentell wurde die DM von Zwicky 1933 untersucht: Virialtheorem angewandt auf einen Galaxienhaufen in COMA Berenices. Er unterscuhte den haufen mit Hilfe der Rotverschiebung der Sterne. Zwicky entdeckte dabei eine Inskonsistenz der Leuchtkraftbeziehung. Der Umrechnungsfaktor ergab sich als vile zu hoch und damit erhielt er eine deutlich zu grosse Masse. Er führte dies auf eine noch nicht entdeckte Materieansammlung in diesem Haufen zurück, konnte diese aber nie nachweisen.
DM kann auch mit Hilfe von Rotationsspektren ermittelt werden, denn rotierende Körper rotieren im Allgemeinen im Kernbereich schneller als in ihren Rändern. Dummerweise scheinen das aber Galaxien nicht zu wissen. Demzufolge muss irgendetwas da sien, was eben diese Rotationsanomalität beeinflusst. Auch hier wieder ein Hinweis auf nicht sichtbare Materie. Tun wir mal so, als wäre solche eine unsichtbare Materie vorhanden. Dann wäre eben diese Galaxienrotation erklärbar mit einem zusätzlichen Halo aus der DM.
Leider lässt sich die Gesamtmasse solch eines Halos aber nicht bestimmen, denn das Dumme daran ist, dass man diese eben nicht sieht. Folglich weiss man auch nicht, ob diese über die Galaxis hinausreicht, ob sie ringförmig über die äusseren Galaxisteile verteilt oder ungleichförmig verteilt ist. Fragen ohne Antwort ...
Daher schaut man sich Gravitationslinsen an. Das sind Effekte, die sich aus der ART ableiten lassen und die die Beugung von Lichtstrahlen an Masseansammlung beschreiben. Vereinfacht: Viel Masse hohe Lichtablenkung, sichtbarer Effekt.
Auch hierhin kam Zwicky 1937. Er fragte damals: geht das, funktioniert das? Und heute weiss man: ja es funktioniert. Im Universum zeigen sich tatsächlich abstruse Flecken, die bogenförmig aussehen und die, wenn man sie näher ansieht ein Abbild einer weit dahinter liegenden Galaxis darstellen. Ablenkung ist Masse abhängig. Demzufolge: DM => grösserer Effekt. Man muss also „nur“ noch einen Standard für diesen Effekt definieren, um eine Anomalität beschreiben zu können.
Dazu müssen wir aber auch Wissen über die DM aufbauen. Heisst wir müssen Aussagen über den Materiehaushalt des Universums bilden. Nun das ist nicht so einfach, denn hier muss die ART wieder herhalten mit Raumkrümmung und Raumzeit und den nichtlinearen Einstein Feldgleichungen. Das führt zur sogenannten Robertson-Walker Metrik (lokales Koordinatensystem, bleibt unverändert bei Expansion). Daraus folgt als Lösung das Paar der Friedmann-Lemaitre Gleichungen. Enthalten sind darin zwei interessante Parameter: die Hubbel Konstante und der Skalenparameter, welcher bei Vergrösserung zunehmende Expansion erklärt. Erschwerend kommen einige Zusatzdetails, wie Raumkrümmung k und Materie als auch Energiedichten. Mit dem k-Parameter hat men es „in der Hand“ dem Universum eine Expansion, einen Stillstand oder eine Implosion zuzuordnen. Der dritte Beitrag ist von Einstein eingeführte kosmologische Konstante (seine „grösste Eselei“, wie er einstens selber vermerkte).
Dieses wird angewandt um über den Energiehaushalts des Universums Aussagen treffen zu können. Dazu wird die Materie aufgeteilt in Komponenten:
- Baryonische materie
- Neutrinos
- Photonen
- Dunke Materie
Die bayonische Materie hat man dann als „leuchtenden“ und als „nicht leuchtenden oder dunklen“ Materieanteil aufgefasst.
Mit diesen Ansätzen theoretischer Art und den dazu durchgeführten Experimenten / Beobachtungen sind so folgende Dinge zu durchforsten:
- Kosmische Hintergrundstrahlung (CMB)
- Supernovae (Massebeziehungen)
- Nukleonische Beziehungen
- Strukturbildung
Kosmische Hintergrundstrahlung ist das Ergebnis des noch nicht beendeten Entwicklungsstadiums unseres Universums. Wir hören den Klang der Glocke vom ersten Berühren des Klöppels an der Glocke ...
Penzias und Wilson arbeiteten 1964 an ihrem neuen Radioteleskop und ärgerten sich über Rauschen. Sie untersuchten ihre Antennen und fanden: Taubenmist. Also weg mit dem Mist, neu messen: es rauschte immer noch. Wieder und wieder reinigen und suchen: Rauschen.
Also musste das Rauschen eine Ursache haben. Gefunden hat diese Ursache ein anderes team, jedoch ging damals der Nobelpreis an das Entdeckerteam. Die ksomische Hintergrundstrahlung war gefunden und heute mittels WMAP bestens bekannt.
Ein weiterer Punkt für das Verständnis DM ist die Energiedichte. Diese wird über Spektren also letztlich über Temperaturaussagen gefunden. Aus der Temperatur kann demnach die Dichte der Energie von eben der beobachteten Strahlungquelle bestimmt werden. Aus der heute vorhandenen Energiedichte ist der Beitrag der Strahlung vernachlässigbar gering.
Mit dem COBE Experiment wurden von Smoot nach Anisotorpien gefahndet. Nach Fluktuationen der Hintergrundstrahlung. Eine Strahlung fluktuiert stets dann, wenn Dichteschwankungen vorhanden sind, also anisotrope Verteilungen. Die gemessenen kleinen Fluktuationen zeigen Strukturen im Universum, welche durch Gravitation entstanden sind. Auch das war nicht so einfach, denn es musste sowohl der Dopplereffekt des Satelliten auf Grund seiner Bahngeschwindigkeit als auch unsere eigene Milchstrasse mit ihren Emissionen herauskalibriert werden. Aber das hat manmit moderner Technik geschafft. Ein Hoch auf uns Ingenieure (darf ich doch auch mal sagen oder?)
Was man nun bekam waren Leistungsmoden. Moden werden gewisse Schwingungsmuster genannt, die auf Grund des schwingenden Körpers und seiner geometrischen Eigenschaften zustande kommen. Auch hier mussten einige Negativdinge nahkorrigiert werden (Sachs-Wolfe Effekt bei grossen Messwinkeln sei genannt). Daneben hat man aber auch sogenannte akustische Schwingungen entdeckt (Andrei Sacharow). Akustische Materieschwingungen haben im frühen Stadium des Universums zu beonders auffälligen Moden geführt und können so im Spektrum als maxima entdeckt werden. WMAP hat 0.2° Auflösung, diese Moden zeigen ihren ersten Peak bei 1° und diese sind lt. Theorie mit ihren Parametern abhängig von der Materie. Also: kommt DM ins Spiel ändert sich der Mode.
Als weitere Quelle des Wissensaufbau über DM werden Supernovae insbesoonder die des Typs SN1a untersucht. Warum tut man das? Man hat schnell und früh entdeckt, dass in einem Raumsegment des Himmels in recht regelmässigen Abständen eine Supernova explodiert. Dann hat man festgestellt, dass sich SNs aus besonnderen Sternen bilden und stets die gleiche Lebensgeschichte haben. Auch deren Helligkeit ist konstant. Also kann man damit eine Eichungszahl gewinnen: die Standardkerze. Schaut man sich eine Kerze (standardformat) in verschiedenen Entfernungen an und trägt deren Helligkeit über der Entfernung auf, dann erkennt man eine Gesetzmässigkeit. Das macht man sich zunutze und hat das auf diesen SN Typ angewandt. Und siehe es gab Unstimmigkeiten, denn mit der erwarteten Disanz muss auch eine erwartete Geschindigkeit weg von uns als Rotverschiebung gemessen werden. Und einige Werte stimmten nicht. Da hier die Expansiongeschwindigkeit betroffen ist muss also eine energie vorhanden sien, welche diese SN schneller nach aussen treibt. Auch diese Energie ist nicht bekannt, sie ist unsichtbar und wird daher Dunkle Energie DE genannt.
Die Expansion kann aber reduziert werden, indem zur Normalmaterie ein entsprechneder Anteil an Dunkler Materie hinzugepackt wird.
Folglich: ein höherer anteil an DE kann durch einen höheren Anteil an Materie kompensiert werden. Massgebilch ist die Differenz aus DE und Materie.
Dann schaut man sich an, was in „grauer Vorzeit“ geschah, in den ersten 3 Minuten des Universums: man schaut auf die Nukleosythese. Her wird die Dentwicklung der leichten Elemente dargestellt. Es entstehen Protonen, Neutronen und stehen bei diesen hohem Temperaturen über die schwache Wechselwirkung im Gleichgewicht. Sinkt die Temperatur bei weiterer Ausdehnugn des Universums, dann ändert sich das. Die Neutronen zerfallen (Beta). Fällt die Temperatur noch weiter, dann setzt die Nuklesynthese ein, es bilden sich Helium Deuterium, Lithium in einem festen Verhältnis zum Wasserstoff. Die Geburt der Baryonen.
Nun der Blick auf die Strukturbildung: Es wurden 220000 Galaxiebn vermessen um eine Verteilung der Materie im Raum zu ermitteln. Das hat man gemacht und diese Daten zeigten hervorragende Übereinstimmung mit den vorhergesagten Dichten.
Die sich so entwickeldne Theorie der Strukturbildung gab dann einige Details bekannt:
Namentlich dass die DM offensichtlich zum Zeitpunkt der Galaxienbildung nichtrelativistisch, also klat war. Damit müsste diese DM die Dichtefluktuation beriets ausgebügelt haben, so dass das Universum keine gehabt hätte Strukturen zu bilden.
Das ist ein wenig Kontrapruduktiv und passt irgendwie nicht zum Szenario...
So wie es jetzt aussieht, was die jetzigen Erkenntnisse sind werden 2/3 des Materiehaushalts (Energiesicht) durch die DE dargestellt. Materiemässig haben wir offensichtlich eine Mischung von 4% baryonisch und 24% DM- Die 4% können weiter aufgeschlüsselt werden in „leuchtend“ mit ca. ½ % und nicht sichtbar 3.5%. Dieser nichtsichtbare Anteil ist sehr sicher intergalaktische Gas.
Als aussichtsreichster Kandidat für die DM wird der WIMP (weakly interacting massive particle) angesehen. Er soll eine Masse zwichen 10 Gev bis einge TeV haben und einen Wirkubngsquerschnitt von dem der schwachen Wechslewirkung als auch das Gleichgewicht der normalen Materie verlassen haben (freeze out effect).
Es gibt ihn, diesen Kandidaten, auch an derer Stelle: es ist das leichteste Teilchen der supersymmetrsiche Teilchen (SUSY).
Mal sehen was mit DM und De noch passiert, es wird in absehbarer zeit, so denke ich, eine Erklärung für beide geben.
Netter Gruß
Wilfried
Die Symmetrie ist der entscheidende Ansatz Dinge zu verstehen:
-rot E - dB / (c dt) = (4 pi k ) / c
rot B - dE/ / (c dt) = (4 pi j ) / c
div B = 4 pi rho_m
div E = 4 pi rho_e
