Die Kosmische Hintergrundstrahlungekptkuhr/HauptseminarSS09/Wayand.… · von Stefan Wayand 4 Vor der Entdeckung George Gamow (1904-1968) Ralph Alpher (1921-2007) Robert Herman (1914-1997)

Die Kosmische Die Kosmische

HintergrundstrahlungHintergrundstrahlung

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Übersicht● Zeit vor der Entdeckung● Die Entdeckung ● Genaue Messung● Auswertung ● Ausblick● Neutrinohintegrund

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Vor der Entdeckung

● statisches Universum● Temperatur des

Universums ● Robert Dicke (1916-

1997) T

von Stefan Wayand 4

Vor der Entdeckung● George Gamow

(1904-1968)● Ralph Alpher

(1921-2007) ● Robert Herman

(1914-1997)

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Vor der Entdeckung● 1948 αβγ-Theorie● Urknall● Protonen, Neutronen, Elektronen Ursuppe● Hintergrundstrahlung vorhergesagt 50 K - 5 K

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Die Entdeckung

● Arno Penzias (1933)● Robert Woodrow

Wilson (1936)

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Die Entdeckung ● 1964 Test der neuen

Hornantenne ● Rauschsignal lies sich

nicht beseitigen ● Messung über längeren

Zeitraum Juli 1964 – April 1965

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Die Entdeckung

Messung bei 7.3 cm Ergebnis:● Totale Antennentemperatur 6.7 K● 2.3 K durch atmosphärische Absorption● 0.9 K durch Ohmsche Verluste (Rauschen)● 3.5 K +/- 1.0 K

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Die Entdeckung ● 1964 Test der neuen

Hornantenne ● Rauschsignal lies sich

nicht beseitigen ● Messung über längeren

Zeitraum Juli 1964 – April 1965

● Princeton hat Erklärungsvorschlag

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Die Entdeckung

Robert Dicke(1916-1997), Jim Peebles (1935), Peter Roll, David Wilkinson (1935-2002)


Die Entdeckung


Die Entdeckung ● Aktuelle

Messung FIRAS

● Planck Spektrum für T=2.73 K

● Fehlerbalken kleiner als Strichdicke


Die Entdeckung


Die Entdeckung ● Es gibt den Big Bang● Viele Theoretische Arbeiten● Doch zur Überprüfung genaue Messung

notwendig● Satellitenmission benötigt


Genaue Messung ● COBE Cosmic

Background Explorer

● Start 18.11.1989● Dauer: 4 Jahre● 3 Instrumente● FIRAS● DIRBE● DMR


Genaue Messung


Genaue Messung ● FIRAS Far-InfraRed

Absolute Spectrophotometer

● Michelson-Interferometer mit Vergleichsquelle

● Nach 9 min schon Ergebnis


Genaue Messung ● DMR Differential Microwave

Radiometer● Vergleich zwischen zwei um

30° Gedrehten Antennen● Mit Vergleichsquellen sehr

genau Unterschiede auflösbar

● Bei drei verschiedenen Wellenlängen 10mm, 5.7mm, 3.3mm vermessen


Genaue Messung ● Auf mK Skala

kommt es zu einer Dipol-Verschiebung

● Lösung CMB und Erde sind nicht im selben Bezugssystem


Genaue Messung

rel. Bewegung der Erde zum CMB v=368 km/s


Genaue Messung ● DIRBE Diffuse

Infrared Background Experiment

● Vermessung im Infrarotem der Störquellen


Genaue Messung

● George Smoot (1945) ● John Mather (1946)


Genaue Messung ● WMAP Wilkinson

Microwave Anisotropy Probe

● 30.01.2001 7 Jahre● Instrument ähnlich wie

DMR● Kann noch Polarisation

Messen


Genaue Messung


Genaue Messung ● 5 Verschiedenen

Frequenzen vermessen (23GHz, 33GHz, 41GHz, 61GHz, 94GHz)

● Messung der Polarisation (17% der CMB) lässt auf frühere Reionisation schließen


Genaue Messung ● WMAP, COBE und noch ein paar

Ballonexperimente liefern Daten● Dipol-Verschiebung lässt sich

korrigieren● Messung anderer Strahlungsquellen in

diesem Wellenlängenbereich


Genaue Messung


Genaue Messung

Bild 380 000 Jahre (z=1100 T=3000K) nach dem Uhrknall

µK-Skala


Auswertung


Auswertung ● Kosmische

Varianz C● Alles Numerisch

berechenbare Größen

● WMAP Winkelauflösung von 0.9° bis 0.23°

● l


Auswertung


Auswertung ● Sachs-Wolfe Effekt ● Quantenfluktuationen● Inflation friert diese ein● Auf große Abstände

(Winkel > 1°) konstante Verteilung

● Hinweis auf dunkle Materie


Auswertung ● Zur Zeit der Entkopplung

(Rekombination z=1100) ● Höhere Energie vor der

Entkopplung● Nach der Entkopplung

muss das Photon wieder aus dem Potenzialtopf

● Nettoeffekt Rotverschiebung


Auswertung


Auswertung

● Photonen+Baryonen bilden Plasma● Alle möglichen Schallwellen werden angeregt● Schallgeschwindigkeit v=c/ 3


Auswertung


Auswertung

● Die Wellen breiten sich bis zur Rekombination aus● Die Größe ist absolut● Bei kleinen Wellenlängen kommt es zur Silk-Dämpfung

v s∗t dec=


Auswertung ● Silk-Dämpfung● Photonen

„zerschießen“ kleine Materialsammlungen

● Führt zu exponentiellen Dämpfung


Auswertung


Auswertung ● Winkel ca. 1°

entspricht Multipol l ca. 200

● ● Damit k=0


Auswertung


Auswertung ● ISW-Effekt Peakt bei Multipol l=20 ● ISW-Effekt ist ein weiter Hinweis auf die

Dunkle Energie● 50 Voids und 50 Cluster wurden

ausgemacht


Auswertung ● Integrierter Sachs-

Wolfe-Effekt● Photon fällt in

Potenzialtopf● Beschleunigte

Expansion hat eine Abflachung des Potenzialtopf zugrunde

● Photon gewinnt Energie


Auswertung ● Daten passen

gut zu BBN● l=2 wird

diskutiert● Galaktische

Ebene wird diskutiert

● Mehr (bessere) Messungen Notwendig


Ausblick ● Planck gestartet

14.05.2009● Messung bei 9

verschieden Frequenzen 30-857 GHz

● Winkelauflösung von 5'


Ausblick


Ausblick ● Genauere

Bestimmung möglich,

● 6 Monate einmal komplett, 15 Monate insgesamt

● Neue Phänomene


Neutrinohintegrund● Neutrinos entkoppeln bei 1MeV ●

● =1.95 K aus Thermodynamik ● Noch näher am Urknall ● In absehbarer Zeit nicht detektierbar

nneutrino=340cm−3

T neutrino


Zusammenfassung● Seit der Entdeckung ->Big Bang● Existenz der Dunkeln Materie ● Parameter bestimmbar● Existenz der Dunklen Energie● Genauere Messung bald


DANKEbesonderen Dank

an Herrn Profesor Guido Drexlinund Herrn Dr. Klaus Eitel


Quellen:Skript ATP Guido DrexlinTeilchenastrophysik Hans V. Klapdor-Kleingrothaus, Kai ZuberPhysical Review Spektrum der Wissenschaft Physik JournalVortrag von Herrn Zellerhttp://www.weltderphysik.de/http://background.uchicago.edu/~whu/http://www.rssd.esa.int/index.php?project=Planckhttp://map.gsfc.nasa.gov/ http://en.wikipedia.org/http://de.wikipedia.org/


Bildquellen:Skript ATP Guido Drexlinhttp://www.rzuser.uni-heidelberg.de/~q61/sgb10.gifhttp://www.wissenschaft-online.de/astrowissen/images/obs/WMAP/all-sky-CMB-globes_sm.jpghttp://www.esa.int/images/09Feb2009-3108_H.jpghttp://map.gsfc.nasa.gov/media/020622/020622_m.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8a/Firas_spectrum.jpghttp://www.takimo.de/lexikon/urknall2.htmlhttp://www.ias.u-psud.fr/website/modules/content_mic/images/local/Image/cobe.jpghttp://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe/about_firas.cfmhttp://people.na.infn.it/~barbarin/MaterialeScientifico/Astroparticelle/fig_astrpartcle/FIRAS_BLOCK_DIA.GIFhttp://www.phys.ncku.edu.tw/~astrolab/mirrors/apod/image/9906/dip_cobe.jpghttp://zebu.uoregon.edu/2004/a321/wmap1.jpghttp://background.uchicago.edu/http://www.ichthus.info/BigBang/PICS/Big-Bang.jpghttp://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1978/http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/f/f7/Horn_Antenna-in_Holmdel,_New_Jersey.jpeg http://www.redactions.com/images/Ylem.gif

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