Arno Penzias, Robert Wilson;

Bell Laboratories, Holmdel, NJ; Experimente mit Radioantenne

Gruppe Dicke, Peebles, Wilkinson u.a. in Princeton liefert Erklärung:

→ Störeffekt: Rauschen bei 3,5 K aus allen Richtungen, zu jeder Tages- und Jahreszeit

Kosmische Hintergrundstrahlung

Seminar: Der Unknall und seine Teilchen, WS 07/08

Markus Hötzel

cosmic microwave background (CMB)

Übersicht

1. Einführung

- Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

2. Geschichte

3. Bedeutung für die Kosmologie

- Stütze des Big-Bang-Modells

4. Wiederholung: Schwarzkörperspektrum

5. Entstehung der kosmischen Hintergrundstrahlung

6. Experimente, Anisotropien

- COBE → Dipolanisotropie

- WMAP→ Multipolanisotropie, Leistungsspektrum

7. Ausblick

2. Geschichte

- 40er Gamov, Alpher, Herman: Falls Big Bang stattfand, sollte noch Strahlung bei T≈5 K vorhanden sein.

- 60er Princeton: Gruppe Dicke, Peebles, Wilkinson planen Experiment zum Nachweis der CMB.

- 1964 Penzias und Wilson experimentieren mit Radio-antenne und entdecken CMB;

Interpretation durch Dicke

- 1978 Nobelpreis für Penzias und Wilson

- 1989 COBE-Mission → Dipolanisotropie

- 2001 WMAP → Multipolanistropie

- geplant 2008 Planck-Surveyor

3. Bedeutung für die Kosmologie❍ Stütze des Urknalls, zeigt dass Universum heiß war!

❍ Bestimmung wichtiger kosmologischer Parameter, wie Hubble-Konstante, Materie-Dichte, …

❍ Entstehung von Sternen und Galaxien

❍ Erkenntnisse über Dunkle Energie

❍ Inflation?

4. Schwarzkörperspektrum

Ein Schwarzer Körper absorbiert jede auftreffende elektro-magnetische Strahlung. Er emittiert Strahlung nach dem Planckschen Strahlungsgesetz:

1

8)(

/

2

3

kThe

d

cdn

1

8)(

/5

kThce

dhcdI

HIER: BBS

4. Schwarzkörperspektrum

3

20

404,2)()(

ckT

dnN

3/411 cmN

Anzahl Photonen im Einheitsvolumen:

Für T=2,725K:

Stefan-Boltzmann: 4TAPges

Wiensches Verschiebungsgesetz: mKT 8,2897max

4. Schwarzkörperspektrum

Das Spektrum der Photonen im heißen Plasma (therm. Gleich-gewicht) ist das eines Schwarzen Körpers. Bei Expansion/ Abkühlung des Universums bleibt die Form des Spektrums erhalten, es verschiebt sich zu größeren Wellenlängen.

zS

T 11

1100

1

)1(

)1( 00

recrec z

z

T

TKTrec 3000

für heutiges 2,7K-Spektrum:

z

1

1 1

8)(

/5

kThce

dhcdI

zur Erinnerung:

5. Entstehung der CMB

Big Bang

…

Heißes, dichtes Plasma: Protonen, Elektronen, He-Kerne, Photonen im thermischen Gleichgewicht.

Thomson-Streuung:

Bildung von Wasserstoff ist aufgrund der hohen Temperaturen noch nicht möglich, hochenergetische Photonen spalten ihn sofort.

T

0,1 MeV

Zeit

0

3 min

ee

5. Entstehung der CMB

Rekombination

Energie der Photonen reicht nicht mehr aus, um H zu spalten.

Dichte der freien Elektronen nimmt ab

Zeit

300000 a

380000 a

heute

T

0,3 eV

0,25 eV

2,725 K

Hep

Entkopplung

Mittlere freie Weglänge für Photonen nimmt zu, Photonen entkoppeln von der Materie, Universum wird transparent für Licht

Expansion führte zu einer Rotverschiebung der Photonen, so dass wir heute ein 2,7K-Schwarzkörperspektrum messen

5. Entstehung der CMB

Photonen streuen an freien Elektronen im Plasma

durch Bildung von neutralem H ent-koppeln Photonen

letzte Streuung

5. Entstehung der CMB

LSS (Last Scattering Surface)

Die Schicht, in der die Photonen zum letzten mal gestreut wurden, ist für uns beobachtbar.

analog:

Beobachtung von Wolken,

Sonnenoberfläche

6. Experimente, Anisotropien

- Messungen der CMB an der Erdoberfläche

→ Störeffekte (Atmosphäre, Störsignale)

- Verbesserung durch Messungen auf Bergen oder Ballonexperimente (Wilkinson)

- Satelliten-Experimente: COBE, WMAP

→ kleinere systematische Fehler

Rückblick: Penzias/Wilson: „CMB ist isotrop.“

Präzisere Messungen zeigen: „CMB besitzt Anisotropie!“

COBE-Mission

Cosmic Background Explorer

Verlauf

18.11.1989

bis 1993

Start auf Delta-Trägerrakete

Messungen der CMB

FIRAS: zur Messung des Spektrums

DMR: zur Bestimmung von kleinen Temperaturfluktuationen

DIRBE: zur Untersuchung von Infrarot-Strahlung

23.4.1992 Veröffentlichung: CMB besitzt Anisotropie

COBE-Mission: Ergebnisse

FIRAS: perfektes Schwarzkörperspektrum T=2,726 ± 0,001 K

COBE-Mission: Ergebnisse

DMR: Fluktuationen der Temperatur zwischen verschiedenen Raumbereichen, 1:100000

Anisotropie der Hintergrundstrahlung

Dipolanisotropie

Erklärung für Anisotropie:

Bewegung der Erde „durch“ CMB (beachte Bewegung des Sonnen-systems, der Milchstraße, usw.)

Blauverschiebung der CMB zu höheren Temperaturen in Bewegungsrichtung,

Rotverschiebung entgegen Bewegungsrichtung.

aber: Relativbewegung kann alleine nicht gesamte Anisotropie erklären!

WMAP

Wilkinson Microwave Anisotropy Probe

Verlauf

30.06.2001

01.10.2001

Feb. 2003

Start der Mission

WMAP erreicht Lagrange-Punkt L2

Veröffentlichung der ersten Daten

Ziel: genaue Messung der Anisotropien, bessere Winkelauflösung (<1°)

WMAP: Ergebnisse

Karte der CMB mit hoher Winkelauflösung

Fluktuationen sind gut sichtbar

Multipolanisotropie

Allgemein: beliebige Funktion T(θ,Φ) lässt sich entwickeln

0

),(),(l

l

lm

mllmYaT

Laplace-Entwicklung

Multipolentwicklung:

l=0 Monopol →

l=1 Dipol →

l=2 Quadrupol usw.

31023,1 T

T

KT 001,0725,2

Anpassung der Koeffizienten alm an Messwerte

Multipolanisotropie

Leistungsspektrum (Power Spectrum)

l

lmlml a

lC

2

12

1

beschreibt, welche Winkelseparation man betrachtet:

l

180

Leistungsspektrum

1tot1tot

aus Lage des ersten Peaks: Dichteparameter tot

aus Höhe der Peaks: Baryonendichte

1. Peak

2. Peak, usw.

b

Sachs-Wolfe-Effekt

Skaleninvarianz: Sachs-Wolfe-Effekt

Silk-Dämpfungkausal zusammenhängend

Leistungsspektrum

bei welchem Winkel der erste Peak liegt, bestimmt die Krümmung des Universums

1tot 1tot 1tot

flachgeschlossen offen

Vergleich des berechenbaren Winkels (unter welchem Winkel erscheint ein zur Zeit der Entkopplung kausal zusammenhängendes Gebiet heute) mit der Lage des ersten Peaks

1 → flaches Universum

Akustische Oszillationen

Gravitation vs. Strahlungsdruck

Gebiete höherer Dichte zieht die Gravitation zusammen, Strahlungsdruck wird größer und führt zu einer Expansion, Gravitation, Strahlungsdruck, …

Akustische Oszillationen

Sachs-Wolfe Effekt:

dichtere Gebiete sind heißer → Blauverschiebung

aber: höheres zu überwindendes Gravitationspotential → Rotverschiebung

Rotverschiebung überwiegt: „dichtere Gebiete sind kälter“, sie erscheinen als Cold Spots der CMB

wenn Photonen entkoppeln:

außerdem: integrierter Sachs-Wolfe-Effekt:

nach Entkopplung durchquert CMB Gravitationspotentiale (z.B. Galaxien), die sich durch die Expansion verändern können → Energiegewinn oder –verlust

lässt Rückschlüsse auf Struktur des Universums zu!

kosmologische Parameter

bestimmt mit WMAP:

04,003,071,0

h

02,002,1

103,02,0 101,6

04,073,0

04,027,0 m

Hubble-Parameter

Baryon-Photon-Verhältnis

Dichte/kritische Dichte

Anteil Baryonen

Anteil Materie

Anteil dunkle Energie

004,0044,0 b

(aus Grupen: Astroparticle Physics)

6.Experimente, Zusammenfassung

7.Ausblick

Planck Surveyor geplanter Start: August 2008

Messungen bis Dezember 2010

noch präziser als WMAP, Winkelauflösung 5‘, wodurch höhere Multipolmomente messbar werden

6102 T

T

großer Frequenzbereich

Untersuchung auf Polarisation

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit.

Quellen:-Bergström, Goobar: Cosmology and Particle Astrophysics, 2004

-Bryson: A Short History of Nearly Everything, 2003

-Grupen: Astroparticle Physics, 2005

-Klapdor-Kleingrothaus, Zuber: Particle Astrophysics, 2000

-Roos: Introduction to Cosmology, 2003

-Vorlesungsfolien Prof. de Boer, Einführung in die Kosmologie 06/07

-Vorlesungsfolien Prof. Drexlin, Astroteilchenphysik I 07/08

-http://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe

-http://map.gsfc.nasa.gov

-http://www.rssd.esa.int

-http://en.wikipedia.org