Nachweis dunkler Energie

class: center, middle, inverse

.title[Dunkle Energie - schwarze Magie?]

.subtitle[Von kosmologischen Beobachtungen zur Postulierung dunkler Energie]

.author[Chris Byrohl]
    
.institution[Universität Göttingen]

.date[<p>30. Juni 2017<p>]

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## Eine neue Formulierung der Gravitation

<figure style="width:25%;float: left;display:block;"><img style="width:100%;" src="../figures/Sir_Isaac_Newton_by_Sir_Godfrey_Kneller,_Bt.jpg"></img>
    <figcaption>Isaac Newton<div id="attribution"><img style="width:0.8em; text-align:center;" src="../figures/Cc-by_new.png">Godfrey Kneller</div></figcaption>
 </figure>

<p>
 ↻ Masse bestimmt wie Gravitation eine Kraft auswirkt.</p>
 <p>
 ↺ Kraft bestimmt wie Masse beschleunigt.</p>

<figure style="width:25%;float: right;display:block;"><img style="width:100%;" src="../figures/Einstein1921_by_F_Schmutzer_2.jpg"></img>
    <figcaption>Albert Einstein<div id="attribution"><img style="width:0.8em; text-align:center;" src="../figures/Cc-by_new.png">Ferdinand Schmutzer</div></figcaption>
 </figure>

<p>
 ↻ Masse/Energie bestimmt die Struktur der Raumzeit.</p>
 <p>
 ↺ Struktur der Raumzeit bestimmt wie Masse/Energie sich bewegt.</p>

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## Postulierung und Nachweis der Expansion des Universums

<figure style="width:23%;float: left;display:block;"><img style="width:100%;" src="../figures/Lemaitre.jpg"></img>
    <figcaption>Georges Lemaitre<div id="attribution"><img style="width:0.8em; text-align:center;" src="../figures/Cc-by_new.png">Public Domain, Wiki Commons</div></figcaption>
 </figure>

<p>
 • Lemaitre wendet Einsteins Theorie auf das Universum auf großen Skalen an und präsentiert die Idee eines
 expandierenden Universums.</p>

<figure style="width:23%;float: right;display:block;"><img style="width:100%;" src="../figures/Studio_portrait_photograph_of_Edwin_Powell_Hubble.JPG"></img>
    <figcaption>Edwin Hubble<div id="attribution"><img style="width:0.8em; text-align:center;" src="../figures/Cc-by_new.png">Johan Hagemeyer</div></figcaption>
 </figure>

<p>
 • Hubble misst die Hubble-Konstante, nach der sich Galaxien proportional zu der Entfernung voneinander wegbewegen.</p>

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## Postulierung und Nachweis der Expansion des Universums

<figure style="text-align: center;">
    <img style="display:block;  width:75%;margin-left: auto;margin-right: auto;"  src="../figures/Hubble_constant.JPG">
    <figcaption>Die Hubble Konstante<div id="attribution"><img style="width:0.8em; text-align:center;" src="../figures/Cc-by_new.png">„Brews ohare” Wiki Commons</div></figcaption>
</figure>

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## Postulierung und Nachweis der Expansion des Universums

<figure style="text-align: center;">
    <img style="display:block;  width:75%;margin-left: auto;margin-right: auto;"  src="../figures/Expansioncake.png">
    <figcaption>Das Universum als Kuchen<div id="attribution"><img style="width:0.8em; text-align:center;" src="../figures/Cc-by_new.png">angepasst; „Raude” Wiki Commons</div></figcaption>
</figure>

* Wie entwickelt sich die Expansion über die Zeit? Materie und Raum sollten sich durch Schwerkraft zusammenziehen...
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<span style="color:red">falls die meiste Energie im Universum durch Materie gegeben ist. </span>

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## Standardmodell der Kosmologie

<figure>
    <img  style="width:100%;margin:0px auto;" src="../figures/Expansion_des_Universums.png">
    <figcaption>Geschichte des Universums<div id="attribution"><img style="width:0.8em; text-align:center;" src="../figures/Cc-by_new.png">WMAP Science Team, Wiki Commons</div></figcaption>
</figure>

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## Standardmodell der Kosmologie

<figure>
    <img  style="width:100%;margin:0px auto;" src="../figures/Expansion_des_Universums-verlangsamt.png">
    <figcaption>Geschichte des Universums<div id="attribution"><img style="width:0.8em; text-align:center;" src="../figures/Cc-by_new.png">WMAP Science Team, Wiki Commons</div></figcaption>
</figure>

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## Standardmodell der Kosmologie

<figure>
    <img  style="width:100%;margin:0px auto;" src="../figures/Expansion_des_Universums-beschleunigt.png">
    <figcaption>Geschichte des Universums<div id="attribution"><img style="width:0.8em; text-align:center;" src="../figures/Cc-by_new.png">WMAP Science Team, Wiki Commons</div></figcaption>
</figure>

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## Nachweis der Beschleunigung des Universums

<figure style="display:block;  margin-left: auto; margin-right: auto;">
    <img  style="width:31%;margin:0px auto;" src="../figures/perlmutter.jpg">
    <img  style="width:31%;margin:0px auto;" src="../figures/schmidt.jpg">
    <img  style="width:31%;margin:0px auto;" src="../figures/riess.jpg">
    <figcaption>Nobelpreisträger Physik 2011<div id="attribution"><img style="width:0.8em; text-align:center;" src="../figures/Cc-by_new.png">U. Montan, The Nobel Foundation</div></figcaption>
</figure>

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## Nachweis der Beschleunigung des Universums

<figure style="width:40%;float:left;display:block;">
<img style="width:100%;" src="../figures/astro-ph0303428-fig4-arrows.png"></img>
    <figcaption>Nachweis der Beschleunigung des Universums<div id="attribution"><img style="width:0.8em; text-align:center;" src="../figures/Cc-by_new.png">Saul Perlmutter, Brian Schmidt</div></figcaption>
</figure>

<p>Was sind Supernovae (Typ 1a)?</p>

<p> Was ist die Leuchtkraftentfernung?</p>

<p> Was ist die (kosmologische) Rotverschiebung? </p>

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## Was sind Supernovae (Typ 1a)?

<div style="text-align:center"> 
<iframe  style="margin: 0 auto;" width="640" height="360" src="https://www.youtube.com/embed/TY6Y5_7xQ8o?playlist=TY6Y5_7xQ8o&autoplay=0&loop=1&rel=0&controls=1&showinfo=0" frameborder="0" allowfullscreen></iframe>
    Veranschaulichung der Leuchtstärke einer Supernova <div id="attribution"><img style="width:0.8em; text-align:center;" src="../figures/Cc-by_new.png">CAASTRO/Swinburne Astronomy Productions</div>
</div>

* Eigenschaft von Typ 1a Supernovae: Geringe Variation der abgestrahlten Energie

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## Was ist die Leuchtkraftentfernung?

<figure style="text-align: center;">
    <img style="display:block;  width:100%;margin-left: auto;margin-right: auto;"  src="../figures/Inverse_square_law.png">
    <figcaption>Helligkeitsabfall über die Distanz<div id="attribution"><img style="width:0.8em; text-align:center;" src="../figures/Cc-by_new.png">„Borb”, Wiki Commons</div></figcaption>
</figure>

* Das Verhältnis von Leucktkraft und beobachteter Leuchtkraft liefert ein Distanzmaß.

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## Was ist die Leuchtkraftentfernung?

<figure style="text-align: center;">
    <img style="display:block;  width:100%;margin-left: auto;margin-right: auto;"  src="../figures/standardcandle_far.png">
    <figcaption>Helligkeit beim Betrachter...<div id="attribution"><img style="width:0.8em; text-align:center;" src="../figures/Cc-by_new.png">erstellt; Nutzung von Teilgrafiken von Public Domain/„Elembis”, Wiki Commons</div></figcaption>
</figure>

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## Was ist die Leuchtkraftentfernung?

<figure style="text-align: center;">
    <img style="display:block;  width:100%;margin-left: auto;margin-right: auto;"  src="../figures/standardcandle_close.png">
    <figcaption>... abhängig von der Entfernung<div id="attribution"><img style="width:0.8em; text-align:center;" src="../figures/Cc-by_new.png">erstellt; Nutzung von Teilgrafiken von Public Domain/„Elembis”, Wiki Commons</div></figcaption>
</figure>

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## Was ist die kosmologische Rotverschiebung?

<figure style="text-align: center;">
    <img style="display:block;  width:70%;margin-left: auto;margin-right: auto;"  src="../figures/cosmological-redshift.png
">
    <figcaption>Kosmologische Rotverschiebung<div id="attribution"><img style="width:0.8em; text-align:center;" src="../figures/Cc-by_new.png">erstellt;</div></figcaption>
</figure>

* Rotverschiebung enthält Informationen über die Expansion des Raumes seit Ausstrahlung des Lichts.

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## Nachweis der Beschleunigung des Universums

<figure style="text-align:center;">
    <img style="display:block;  width:60%;margin-left: auto;margin-right: auto;"  src="../figures/astro-ph0303428-fig4-arrows-importantregion.png">
    <figcaption>Nachweis der Beschleunigung des Universums<div id="attribution"><img style="width:0.8em; text-align:center;" src="../figures/Cc-by_new.png">Saul Perlmutter, Brian Schmidt</div></figcaption>
</figure>

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## Zusammensetzung des Universums

<figure style="text-align: center;">
    <img style="display:block;  width:50%;margin-left: auto;margin-right: auto;"  src="../figures/WMAP_2008_universe_content_de.png">
    <figcaption>Bestandteile des Universums<div id="attribution"><img style="width:0.8em; text-align:center;" src="../figures/Cc-by_new.png">NASA / WMAP Science Team</div></figcaption>
</figure>

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## Was ist Dunkle Energie?

* Beobachtungen sind konsistent (und sind nur) mit einem zusätzlichen Term in Einsteins Gravitationstheorie.
* Die Einsteinschen Feldgleichungen:
<p style="text-align:center;font-size:2.0em"> \(G = T\)</p>
--

* Kandidaten für Dunkle Energie:
<p style="text-align:center;font-size:2.0em"> \(G-\Lambda = T\) <span style="font-size:0.6em">(modifizierte Gravitation)</span></p>

--
<p style="text-align:center;font-size:2.0em"> \(G= T+\Lambda \) <span style="font-size:0.6em">(Vakuumsenergie)</span></p>

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## Unabhängige Messung der Beschleunigung des Universums?

→ Weitere Methode der Distanzbestimmung benötigt.
--

<figure style="text-align: center;">
    <img style="display:block;  width:100%;margin-left: auto;margin-right: auto;"  src="../figures/standardcandle_far.png">
    <figcaption>Helligkeit beim Betrachter abhängig von der Entfernung<div id="attribution"><img style="width:0.8em; text-align:center;" src="../figures/Cc-by_new.png">erstellt; Nutzung von Teilgrafiken von Public Domain/„Elembis”, Wiki Commons</div></figcaption>
</figure>

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## Unabhängige Messung der Beschleunigung des Universums?

→ Weitere Methode der Distanzbestimmung benötigt.

<figure style="text-align: center;">
    <img style="display:block;  width:100%;margin-left: auto;margin-right: auto;"  src="../figures/standardruler_far.png">
    <figcaption>Länge beim Betrachter...<div id="attribution"><img style="width:0.8em; text-align:center;" src="../figures/Cc-by_new.png">erstellt; Nutzung von Teilgrafiken von Public Domain/Luigi Chiesa, Wiki Commons</div></figcaption>
</figure>

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## Unabhängige Messung der Beschleunigung des Universums?

→ Weitere Methode der Distanzbestimmung benötigt.

<figure style="text-align: center;">
    <img style="display:block;  width:100%;margin-left: auto;margin-right: auto;"  src="../figures/standardruler_close.png">
    <figcaption>... abhängig von der Entfernung<div id="attribution"><img style="width:0.8em; text-align:center;" src="../figures/Cc-by_new.png">erstellt; Nutzung von Teilgrafiken von Public Domain/Luigi Chiesa, Wiki Commons</div></figcaption>
</figure>

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## Ein kosmologisches Lineal

<figure style="text-align: center;">
    <img  style="width:100%;margin:0px auto;" src="../figures/Expansion_des_Universums.png">
    <figcaption>Geschichte des Universums<div id="attribution"><img style="width:0.8em; text-align:center;" src="../figures/Cc-by_new.png">WMAP Science Team, Wiki Commons</div></figcaption>
</figure>

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## Ein kosmologisches Lineal

<figure style="text-align: center;">
    <img  style="width:100%;margin:0px auto;" src="../figures/cover_blake_BAO_pic.jpg">
    <figcaption>Baryonische Akustische Oszillationen<div id="attribution"><img style="width:0.8em; text-align:center;" src="../figures/Cc-by_new.png">Chris Blake/Sam Moorfield</div></figcaption>
</figure>

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## Zusammenfassung

* Das Universum expandiert beschleunigt.

* Die Beschleunigung ist innerhalb Einsteins Gravitationstheorie erklärbar durch die Einführung einer weiteren Variable
 * verschiedene Kanditaten: modifizierte Gravitation, Vakuumsenergie, (...)

* Es gibt verschiedene Methoden zum indirekten Nachweis der dunklen Energie: Supernovae, Baryonische Akustische Oszillationen, (...)