Das Nachleuchten des Urknalls Die 3K-Hintergrundstrahlung/CMB
Michael Klein
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berblick Schwarzkrperstrahlung, Urknall Horizontproblem,
Inflation, Rotverschiebung, Hubble, Kosmologisches Prinzip
Friedmann-Modell CMB (Cosmic Microwave Background) und Historie der
Experimente Dipolanisotropie, Multipolentwicklung Powerspektrum +
Analyse Ableitung der kosmologischen Parameter Aktuelle
Entwicklungen Zusammenfassung & Quellen
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Schwarzkrperstrahlung Planck fr die spektrale spezifische
Ausstrahlung Stefan-Boltzmann-Gesetz Wien-Verschiebungsgesetz
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Schwarzkrperstrahlung
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BigBangTheorie Idee: Universum (Zeit, Materie, Raum) entstand
aus extrem heien und dichten Zustand Dann: Ausdehnung + Abkhlung
Beschreibung durch Einsteins Feldgleichungen (ART) + kosmologisches
Prinzip Alter: ca. 13,70,2 Mrd. Jahre Indizien: Rotverschiebung,
CMB, Hufigkeit der Elemente im Universum, Grenze der
Altersverteilung der Sterne bei 13 Mrd. Jahren Historische
Alternative: Steady-State-Modell
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Vereinigung der vier WW Energieabnahme, Zeit BB 1979 NP:
Glashow, Salam, Weinberg Starke WW Schwache WW Planckra
Expansion & Abkhlung Energiedichte Strahlung nimmt ab
abnehmender Strahlungsdruck kann Materieentstehung nicht mehr
verhindern Materie dominiert die weiteren Prozesse
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1 Mrd. Jahre: Quasare entstehen, kollabierende Gaswolken bilden
Sterne, schwere Elemente durch Kernfusion, deren Verteilung durch
explodierende Supernovae 397.000 Jahre (@3000K) Rekombination:
leichte Atomkerne + e - bilden stabile, neutrale Atome Transparenz
CMB- Strahlung entsteht last scattering surface 1 Mio. Jahren:
Abnahme der Strahlung Gravitation dominiert Bildung grorumige
Strukturen
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Entkopplung
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Horizontproblem Urknall Entkopplung wir
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Lsung: Inflation Vor Inflation: Materie und Strahlung wandeln
sich permanent ineinander um thermisches Gleichgewicht Verzgerte
Abspaltung der starken WW Unterkhlung Expansion um Faktor 10 30
Erklrt Isotropie der spter entstehenden Strahlung und Homogenitt
des Raums Erklrt Entstehung grorumiger Strukturen als
Quantenfluktuation
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Gemessen durch Analyse bekannter Spektrallinien (relative
Intensitten & Abstnde) Dehnung der Lichtwelle durch Expansion
des Universums Kein klassischer Dopplereffekt!!! Intensitt durch
z-Wert beschrieben Blauverschiebung: meistens in unserer Nhe,
Objekte bewegen sich auf uns zu, selten, z.B. Andromeda Nebel CMB
hat Kosmologische Rotverschiebung
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Hubble Edwin Hubble verma (1924/25) rumliche Verteilung und
Rotverschiebung von Galaxien Expansion des Universums
Rotverschiebung proportional zur Entfernung: Hubble-Gesetz:
Hubble-Konstante: Mpc = Megaparsec: 1pc = 3,26 Lichtjahre
Hubble-Zeit: mit der dimensionslosen Einheit
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Hubbles erste Messung 1929
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Kosmologisches Prinzip Universum ist homogen und isotrop
Robertson-Walker-Metrik Energiedichte + Druck zeitabhngig CMB ist
isotrop bis 1:10 5 Distanz > 100Mpc Universum isotrop Galaxien
Gasmolekle
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Friedmann-Lematre-Modelle basiert auf kosmologischen Prinzip
adiabatisch expandierendes Universum Einstein postulierte seine ART
und erklrt damit ein expandierendes Weltall allerdings ging man
damals noch von einem stationren Universum aus, daher fgte er seine
kosmologische Konstante ein Alexander Friedmann lie in seinem drei
Modellen (1922) allerdings u.a. expandierendes Universum zu, was
von Hubble sieben Jahre spter besttigt wurde Einstein korrigierte
sich auf Grund Hubbles Beobachtungen, entfernte kosmologische
Konstante Georges Henri Lematre entwickelt eine Urknalltheorie, die
von dem Uratom ausgeht
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Friedmann-Gleichung aus Newton Entwicklung vollstndig bestimmt
durch Zeitabhngigkeit der Entfernung zweier Galaxien Skalenfaktor:
berlegung: - auf m wirkt Gravitation aller inneren Galaxien -
R>100Mpc - Birkhoffs Theorem: durch uere Galaxien keine
gravitative Kraft
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Friedmann-Gleichung aus ART Metrischer Tensor (enthlt
Skalenfaktor) + LSG der Feldgleichung (ART) +
Robertson-Walker+Metrik
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ausfhrlich: Friedmann-Gleichung aus ART
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Diskussion Friedmann-Gleichung
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Kritische Dichte c, -Parameter
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Erste Temperaturabschtzung 1940 berechneten Gamov + Alpher die
Temperatur der CMB ber Mischungsverhltnis der leichten Elemente
(Deuterium H 2 ): T 05K also Mikrowellenstrahlung
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1965, Bell Labs Arno Penzias und Robert Wilson entdecken mit
ihrer neuentwickelten Hornantenne ein isotropes Rauschen mit
7,15cm, konnten es nicht erklren. Robert Dicke (Princeton)
identifiziertes es als CMB. Penzias + Wilson NP, 1978
Aufbau: sechs Differenz- Mikrowellen-Radiometer,
Differenzwinkel 60, je zwei quasi- identische Frequenzbnder (31,5,
53, 90 GHz), Hornantennen, Auflsung effektiv 10 perfekter
Schwarzkrper CMB hochisotrop, nur minimale Fluktuationen erstmals
Nachweis von Anisotropien DMR Differential Microwave Radiometer
1989-1996, COBE (Satellit) Cosmic Background Explorer korrigiert um
Dipolmoment
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1998, Maxima (Ballon) Millimeter Anisotropy eXperiment Imaging
Array Palestine Texas, Flughhe ca. 37km Ziel: Verbesserung der
Winkelauflsung, 10 16 Bolometer @100mK Reduzierung systematischer
Effekte Flugdauer: einige Tage
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Messverfahren Bolometer Absorber, verbunden mit einem
isolierten Wrmereservoir, FK Auftreffende Strahlung ndert die
Temperatur des Reservoirs Gemessen wird Widerstandsnderung des
Reservoirs T Reservoir 50-350mK teure und aufwendige Khlung ntig
HEMT-Radiometer HEMT (High Electron Mobility Transistor)
Feldeffekttransistor, fr Verstrker mit bis zu 200GHz
Dipolantenne
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1999-, Dasi Degree Angular Scale Interferometer Amundsen-Scott
Sdpol-Station 13 Element-Interferometer, mit Temperatur und
Polarisierungs- Anisotropien HEMT-Verstrker: 26-36GHz mit 10 Kanlen
Auflsung bis 4, Fehler max. 20%
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2001-, WMAP Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Raumsonde auf
Lagrange-Punkt L2 Winkelauflsung von 0,3 Sensibilitt von 20 K pro
0,3-Pixel Max. system. Fehler 5 K pro Pixel Spektrum: 1cm bis 3mm
Differential-Mikrowellen- Radiometer bereits nach 1 Jahr exzellente
Ergebnisse
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Abh. von Messrichtung Blau- bzw. Rotverschiebung: Universum
homogen Bewegung relativ zur CMB: Erde 365 km/s Milchstrae 550 km/s
Lokale Gruppe 630 km/s Dipolanisotropie T=3,35mK
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Multipolentwicklung
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Sachs-Wolfe-Effekt (l
Akustische Schwingungen (l>200) Schwingungen im kosmischen
Plasma nur Materiewolken kleiner 240.000 Lichtjahre knnen schwingen
(Schallhorizont) Schallhorizont definiert Grundton der
Temperaturschwankung Synchronisierung der Schwingung gleich groer
Wolken
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Silk-Dmpfung begrenzt Gre der Wolken mit akustischen
Schwingungen nach unten Photonen wechselwirken mit dem Plasma
(Rekombination + Entkopplung nicht instantan) treiben entstehende
Materiewolken wieder auseinander kleine Wolken werden zerstrt /
weggedmpft
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Analyse des Powerspektrums Groe Strukturen knnen nur durch
Sachs-Wolfe-Effekt entstehen wegen Schallhorizont nimmt Druck (also
akustische Schwingung) erst bei kleinen Strukturen Einfluss
Wellenstruktur im Powerspektrum Silk-Dmpfung erst bei kleinen
Strukturen Spektrum fllt zu kleinen Strukturen exponentiell ab
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-CDM Lambda Cold Dark Matter FLRW-Modell mit flacher Geometrie,
BBN, CMB-Anisotropien durch Gausche Massefluktuationen :
kosmologische Konstante Dunkle Energie-Term, ca. 73% der
Energiedichte CDM: Nicht-Baryonische Materie, 23% der Energiedichte
restliche 4% bilden unsere sichtbare Materie + Photonen
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Ableitung kosmologischer Parameter Bestfit fr verschiedene
Kombinationen kosmologischer Parameter fr Powerspektrum Lage der
Maxima/Minima, Abstand zueinander, absolute Hhe und Tiefe variieren
stark Beispiel: siehe: C. Grupen, Astroparticle Physics, 11.6
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Variation der kosmologischen Parameter und das Powerspektrum
Animationen: http://background.uchicago.edu/~whu/metaanim.html
Powerspektrum fr Dichteparameter 0
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Zukunft: Planck Winkelauflsung bis zu 5 Sensibilitt: bis 1
Millionstel Kelvin Start voraussichtlich Anfang 2007 Spektrum: 1cm
bis 0,3mm bessere Filtermglichkeiten fr Vordergrundstrahlung
Messung bis in Bereich der Silkdmpfung Entdeckung 10.000 bis
100.000 neuer Galaxiehaufen durch Sunyev-Zeldovich-Effekt
Folie 49
Zusammenfassung WMAP: gravierende Verbesserung in Vermessung
einiger kosmologischer Parameter Hubblekonstante: Universum besteht
aus: 4% gewhnliche Materie 23% unbekannte dunkle Materie 73% dunkle
Energie Alter: 13,7 0,2 Mrd. Jahre Besttigung des CDM-Modells Durch
Planck eine noch exaktere Bestimmung kosmologischer Parameter
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Aktuelle Daten (nach WMAP, 1. Jahr)
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Literatur Matts Roos, Cosmology Claus Grupen, Astroparticle
Physics James Rich, Fundamentals of Cosmology Astronomie +
Raumfahrt 37/2, 8 (2000) First Year WMAP Observations: The Agular
Power Spectrum, 11.2.2003 + Determination of Cosmological
Parameters 17.6.2003 Skript: de Boer www.cern.ch Wayne Hu:
http://background.uchicago.ed u/~whu/ http://background.uchicago.ed
u/~whu/ http://lambda.gsfc.nasa.gov/pr
oduct/cobe/http://lambda.gsfc.nasa.gov/pr oduct/cobe/
http://map.gsfc.nasa.gov/index. htmlhttp://map.gsfc.nasa.gov/index.
html http://www.physics.hku.hk/~nat
ure/CD/regular_e/index.htmlhttp://www.physics.hku.hk/~nat
ure/CD/regular_e/index.html http://www.mpa-
garching.mpg.de/mpa/institute/ index-en.htmlhttp://www.mpa-
garching.mpg.de/mpa/institute/ index-en.html
http://xxx.uni-augsburg.de/
