TRR 33:  Das Dunkle Universum

• Fachliche Zuordnung: Physik
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 15499703

• Erstellungsjahr: 2018

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Erforschung des Ursprungs und der Entwicklung des Universums gehört zu den ältesten und auch heute noch drängendsten Fragen der Menschheit. Selbst Phänomene in unserer unmittelbaren kosmischen Umgebung – wie die Entstehung des Sonnensystems und des Lebens – hängen mit der Geschichte und der Struktur des gesamten Kosmos zusammen. Allgemein steht die Bildung von Sternen und die Anreicherung chemischer Elemente im direkten Bezug zur kosmischen Evolution. Zum ersten Mal nach Jahrhunderten der philosophischen Spekulation über das Universum haben Wissenschaftler auf der Basis zahlreicher astronomischer Beobachtungen und erdbasierter Experimente eine solide und wachsende Datenbasis erarbeitet. Parallel dazu gab es eine Vielzahl an neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen über Elementarteilchen und die zwischen ihnen wirkenden starken, schwachen und elektromagnetischen Grundkräfte. Die Strukturen im Kosmos werden dagegen vor allem durch die Schwerkraft gestaltet. Den neuen Erkenntnissen über Teilchen, Grundkräfte und Strukturbildung ist es zu verdanken, dass wir auf einer soliden experimentellen Datenbasis eine kohärente wissenschaftliche Beschreibung der Entwicklung des Universums über einen Zeitraum von fast 14 Milliarden Jahren entwickeln konnten: von einer anfänglich beschleunigten Expansion von Raum und Zeit über die Entstehung von Elementarteilchen, Atomen und Gasen zur Bildung von Sternen und Galaxien. Dieses generelle Muster der wissenschaftlichen Beschreibung wurde mittlerweile durch vielfältige und sich ergänzende Beobachtungen bestätigt. Vor zwei Jahrzehnten entdeckte man anhand von Supernova-Beobachtungen, dass sich die Ausdehnung des Universums seit geraumer Zeit wieder beschleunigt. Unabhängige Experimente konnten das Phänomen bestätigen und die Wissenschaftler mussten die gängige Theorie des expandierenden Universums neu überdenken. Diese beschleunigte Expansion wird ausgelöst durch eine sogenannte dunkle Energie, die von Albert Einstein 1917 anhand einer kosmologischen Konstante in den Feldgleichungen der Gravitation zunächst eingeführt, dann aber wieder verworfen wurde. Sie stellt eines der drei großen Probleme der Kosmologie dar, die immer noch nicht komplett verstanden sind. Ein weiteres offenes Problem betrifft die dunkle Materie, welche nicht direkt sichtbar ist und nur über Veränderungen der Schwerkraft zu orten ist. Die dritte offene Frage bezieht sich auf das sogenannte Inflaton: ein Feld, das für die anfängliche, stark beschleunigte Expansion im frühen Universum verantwortlich ist, aber kurze Zeit später wieder zerfällt und dabei neue Teilchen entstehen lässt. Das Forschungsprogramm Das dunkle Universum (“The Dark Universe”) wurde so konzipiert, dass alle drei Wissenschaftsgebiete abgedeckt werden. Um die drei Probleme der dunklen Energie, dunklen Materie und des Inflatons anzugehen, haben wir Expertenwissen in Theorie, astronomischen Beobachtungen und numerischen Simulationen gebündelt. Daraus entstand ein Netzwerk von Wissenschaftlern und Instituten, mit dem wir erhebliche Fortschritte in allen drei Gebieten erzielen konnten. Insbesondere hat die Kollaboration zu zahlreichen Beobachtungsstudien aktiv beigetragen (Planck, SDSS, DES, South Pole Telescope, CHFTLens, KiDS, etc.), und dabei die Quantität und Qualität von astronomischen Daten maßgeblich verbessert. Weiter waren und sind wir an der Fertigstellung von internationalen Satellitenmissionen beteiligt (eROSITA, Euclid), und haben durch umfangreiche Analysen von Daten robuste Messungen von kosmologischen Parametern erhalten – eine wesentliche Grundvoraussetzung für langfristige Antworten auf die kosmologischen Fragestellungen. Bisher wurden unsere Ergebnisse in mehr als 1100 wissenschaftlichen Publikationen veröffentlicht. Das Transregio-Projekt hat intensive und fächerübergreifende Kollaborationen eingeleitet und unterhalten. Die inzwischen erzielten wissenschafltichen Ergebnisse und das so entstandene Netzwerk aus Instituten und Wissenschaftlern sind ein wichtiges Fundament für zukünftige Arbeiten in der Kosmologie.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Galaxy cluster X-ray luminosity scaling relations from a representative local sample (REXCESS),” Astron. Astrophys. 498 (2009) 361
  G. W. Pratt, J. H. Croston, M. Arnaud and H. Boehringer
  
• "On Abelian Gauge Symmetries and Proton Decay in Global F-theory GUTs,” Phys. Rev. D 82 (2010) 086009
  T. W. Grimm and T. Weigand
  
• “Hydrodynamical N-body simulations of coupled dark energy cosmologies,” Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 403 (2010) 1684
  M. Baldi, V. Pettorino, G. Robbers and V. Springel
  
• “Two-component spinor techniques and Feynman rules for quantum field theory and supersymmetry,” Phys. Rept. 494 (2010) 1
  H. K. Dreiner, H. E. Haber and S. P. Martin
  
• “G-Bounce,” JCAP 1111 (2011) 021
  D. A. Easson, I. Sawicki and A. Vikman
  
• “A measurement of gravitational lensing of the microwave background using South Pole Telescope data,” Astrophys. J. 756 (2012) 142
  A. van Engelen et al.
  
• “CFHTLenS: The Canada-France-Hawaii Telescope Lensing Survey,” Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 427 (2012) 146
  C. Heymans et al.
  
• “Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble (CLASH): An Overview,” Astrophys. J. Suppl. 199 (2012) 25
  M. Postman et al.
  
• “Non-Geometric Fluxes in Supergravity and Double Field Theory,” Fortsch. Phys. 60 (2012) 1150
  D. Andriot, O. Hohm, M. Larfors, D. Lust and P. Patalong
  
• “Normal Type Ia supernovae from violent mergers of white dwarf binaries,” Astrophys. J. 747 (2012) L10
  R. Pakmor, M. Kromer, S. Taubenberger, S. A. Sim, F. K. Roepke and W. Hillebrandt
  
• “Scaling relations for galaxy clusters in the Millennium-XXL simulation,” Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 426 (2012) 2046
  R. E. Angulo, V. Springel, S. D. M. White, A. Jenkins, C. M. Baugh and C. S. Frenk
  
• “The X-ray cluster survey with eROSITA: forecasts for cosmology, cluster physics, and primordial non-Gaussianity,” Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 422, 44 (2012)
  A. Pillepich, C. Porciani and T. H. Reiprich
  
• "Mimetic Dark Matter,” JHEP 1311 (2013) 135
  A. H. Chamseddine and V. Mukhanov
  
• “Black Hole’s Quantum N-Portrait,” Fortsch. Phys. 61 (2013) 742
  G. Dvali and C. Gomez
  
• “CFHTLenS: Combined probe cosmological model comparison using 2D weak gravitational lensing,” Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 430 (2013) 2200
  M. Kilbinger et al.
  
• “Cosmological Constraints from Sunyaev-Zel’dovich-Selected Clusters with X-ray Observations in the First 178 Square Degrees of the South Pole Telescope Survey,” Astrophys. J. 763 (2013) 147
  B. A. Benson et al.
  
• “Dilaton Quantum Gravity,” Phys. Lett. B 727 (2013) 298
  T. Henz, J. M. Pawlowski, A. Rodigast and C. Wetterich
  
• “Galaxy clusters discovered via the Sunyaev-Zel’dovich effect in the first 720 square degrees of the South Pole Telescope survey,” Astrophys. J. 763 (2013) 127
  C. L. Reichardt et al.
  
• “Spectrophotometric time series of SN 2011fe from the Nearby Supernova Factory,” Astron. Astrophys. 554 (2013) A27
  R. Pereira et al.
  
• “Aligned Natural Inflation: Monodromies of two Axions,” Phys. Lett. B 737, 124 (2014)
  R. Kappl, S. Krippendorf and H. P. Nilles
  
• “Anisotropic Stress as a Signature of Nonstandard Propagation of Gravitational Waves,” Phys. Rev. Lett. 113 (2014) no.19, 191101
  I. D. Saltas, I. Sawicki, L. Amendola and M. Kunz
  
• “Black Holes as Critical Point of Quantum Phase Transition,” Eur. Phys. J. C 74 (2014) 2752
  G. Dvali and C. Gomez
  
• “Cosmic degeneracies - I. Joint N-body simulations of modified gravity and massive neutrinos,” Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 440 (2014) no.1, 75
  M. Baldi, F. Villaescusa-Navarro, M. Viel, E. Puchwein, V. Springel and L. Moscardini
  
• “D7-Brane Chaotic Inflation,” Phys. Lett. B 737, 16 (2014)
  A. Hebecker, S. C. Kraus and L. T. Witkowski
  
• “Improved Primordial Non-Gaussianity Constraints from Measurements of Galaxy Clustering and the Integrated Sachs-Wolfe Effect,” Phys. Rev. D 89 (2014) no.2, 023511
  T. Giannantonio, A. J. Ross, W. J. Percival, R. Crittenden, D. Bacher, M. Kilbinger, R. Nichol and J. Weller
  
• “Resolving Witten‘s superstring field theory,” JHEP 1404 (2014) 150
  T. Erler, S. Konopka and I. Sachs
  
• “Stable and unstable cosmological models in bimetric massive gravity,” Phys. Rev. D 90, 124014 (2014)
  F. Koennig, Y. Akrami, L. Amendola, M. Motta and A. R. Solomon
  
• “The clustering of galaxies in the SDSS-III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: cosmological implications of the full shape of the clustering wedges in the data release 10 and 11 galaxy samples,” Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 440, no. 3, 2692 (2014)
  A. G. Sanchez et al.
  
• “CheckMATE: Confronting your Favourite New Physics Model with LHC Data,” Comput. Phys. Commun. 187 (2015) 227
  M. Drees, H. Dreiner, D. Schmeier, J. Tattersall and J. S. Kim
  
• “Galaxy formation in the Planck cosmology I. Matching the observed evolution of star formation rates, colours and stellar masses,” Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 451, no. 3, 2663 (2015)
  B. M. B. Henriques, S. White, P. Thomas, R. Angulo, Q. Guo, G. Lemson, V. Springel and R. Overzier
  
• “Planck 2015 results. XIV. Dark energy and modified gravity,” Astron. Astrophys. 594 (2016) A14
  P. A. R. Ade et al. [Planck Collaboration]
  
• “Winding out of the Swamp: Evading the Weak Gravity Conjecture with F-term Winding Inflation?,” Phys. Lett. B 748 (2015) 455
  A. Hebecker, P. Mangat, F. Rompineve and L. T. Witkowski
  
• “Cosmological Constraints from Galaxy Clusters in the 2500 square-degree SPT-SZ Survey,” Astrophys. J. 832, no. 1, 95 (2016)
  T. de Haan et al. [SPT Collaboration]
  
• “Cosmology from cosmic shear with Dark Energy Survey Science Verification data,” Phys. Rev. D 94 (2016) no.2, 022001
  T. Abbott et al. [DES Collaboration]
  
• “Graviton fluctuations erase the cosmological constant,” Phys. Lett. B 773 (2017) 6
  C. Wetterich
  
• “KiDS-450: Cosmological parameter constraints from tomographic weak gravitational lensing,” Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 465 (2017) 1454
  H. Hildebrandt et al.
  
• “Monodromy Dark Matter,” JCAP 1701 (2017) no.01, 036
  J. Jaeckel, V. M. Mehta and L. T. Witkowski
  
• “The clustering of galaxies in the completed SDSS-III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: cosmological analysis of the DR12 galaxy sample,” Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 470 (2017) no.3, 2617
  S. Alam et al. [BOSS Collaboration]
  
• “The clustering of galaxies in the completed SDSS-III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: cosmological implications of the configuration-space clustering wedges,” Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 464 (2017) no.2, 1640
  A. G. Sanchez et al. [BOSS Collaboration]
  
• “Cosmology and fundamental physics with the Euclid satellite,” Living Rev. Rel. 21 (2018) no.1, 2
  L. Amendola et al.