KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft Anna Weigel Der Urknall und seine Teilchen

KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft Anna Weigel

Der Urknall und seine Teilchen

Kosmische HintergrundstrahlungEin Blick in die Vergangenheit

[1]

2/53 27.05.2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

Überblick

1. Einführung

2. Geschichte & Entdeckung

3. Mathematische Beschreibung

4. Anisotropie

5. Messung

6. Zusammenfassung


1. Einführung

Was ist kosmische Hintergrundstrahlung?•

• Strahlung im Mikrowellenbereich

• entstand bei der Rekombination, 380 000 Jahre nach dem Urknall

• CMB = Cosmic Microwave Background

• Schwarzkörperstrahlung

•

• Anisotropien in Größenordnung KT 510

KTCMB )002,0725,2(

[26]

KT 200

3/400 cm


1. Einführung

Darstellung des CMB:

[16]


1. Einführung

Wie kam es zur Rekombination?• Kurz nach Urknall:

Strahlungsdominiertes Universum

dichtes Plasma aus Elektronen, Protonen, Neutronen & Photonen

undurchsichtig für Photonen

• Weitere Expansion:

Energiedichte Strahlung nimmt

schneller ab als Energiedichte Materie

• Etwa 10 000 Jahre nach Urknall: Übergang zum

Materiedominierten Universum

[36]


1. Einführung

Wie kam es zur Rekombination?• Weitere Expansion:

Energie der Photonen sinkt weiter

• Etwa 380 000 Jahre nach Urknall:

Rekombination

Bildung von Wasserstoff

• Weitere 10 000 Jahre:

Alle Protonen & Elektronen gebunden

„durchsichtiges“ Universum

Vollständige Entkopplung von Strahlung & Materie

Strahlung & Materie im thermodynamischen Gleichgewicht

[9]


1. Einführung

Wolkenanalogon: • CMB:

- Protonen & Elektronen:

→ undurchsichtig für Photonen- Wasserstoff

→ durchsichtig für Photonen

• Analog: Wolkendecke- Wasserstropfen

→ reflektieren Licht- Wasserdampf

→ durchsichtig für Licht

[2]



George Gamow, Ralph Alpher, 1946:

Vorhersage des CMB

Berechnete Temperatur: 3-10K

Georg Gamow, [3]



Robert Dicke, James Peebles,1964:Systematische Suche nach CMB

Parallel:

Arno Penzias, Robert Wilson:Auftrag: Optimierung Hornantenne

für Radioastronomie

Zufällige Entdeckung des CMB

Nobelpreis 1978

Robert Dicke, [4]

Arno Penzias & Robert Wilson, [5]



„Die einen sagten sie voraus, die anderen suchten sie und die dritten wussten nichts von beiden und fanden sie.“ „Licht vom Rande der Welt“, Rudolf Kippenhahn

[6]



• Weitere erdgebundene Messungen

Problem: Atmosphäre

Erste Messung von Anisotropien

• 1989: NASA startet COBE

Planck-Verteilung

Projektleiter: John Mather & George Smoot

Nobelpreis 2006

• 2001: NASA startet WMAP

• 2009: ESA startet PLANCKGeorge Smoot, [8]

John Mather, [7]



Theoretisch Experimentell

[10]

[11]



Schwarzer Körper → Planksches Strahlungsgesetz:

Energiedichte:

Temperatur T abhängig von der Größe des Universums:

Hzm

WM

ec

hTM

Tk

h

B

2

2

3

][

1

12),(

)(STT



Schwarzer Körper → Planksches Strahlungsgesetz:Temperatur abhängig vom Skalenfaktor S:

mit

• Energiedichte:

mit:

1)( 0 tS att heute9

0 107,13

4

3 ,

S

SSV

V

ch

V

h

V

E

.1

4

constSTST

T



Schwarzer Körper → Planksches Strahlungsgesetz:

Temperatur abhängig vom Skalenfaktor S:

wenn bekannt: Temperatur CMB heute & Größe Universum zur Zeit der Entkopplung

→ Temperatur CMB zur Zeit der Entkopplung

KK

S

STT

STST

Entk

heuteheuteEntk

heuteheuteEntkEntk

300010

33

..

..

.constST



Maximum → Wiensches Verschiebungsgesetz:

• Messe Intensitätsverteilung des CMB

• Suche Maximum

→ Temperatur der Strahlung

z.B.: Sonne:

mKT 3max 10898,2

Km

mKT

nm

5800105,0

10898,2

500

6

3

max



Entwicklung nach Kugelflächenfunktionen:

• l = 0 : Monopolterm → keine weitere Bedeutung

• l = 1 : Dipolterm → Dipolanisotropie

• l ≥ 2 : Quadrupolterm & höher → intrinsische Anisotropie

0

0

0

),(),(

),(),(

l

lm

lmlmlmYa

T

T

T

TT

T

T


4. Anisotropie

Einteilung:• Dipolanisotropie

• Anisotropie auf großen Winkelskalen:- Ausdehnung > 1°- zum Zeitpunkt der Rekombination kausal nicht

verknüpft- z.B. Sachs-Wolfe-Effekt

• Anisotropie auf kleinen Winkelskalen:- Ausdehnung < 1°- zum Zeitpunkt der Rekombination kausal verknüpft- z.B. akustische Schwingungen, Silk Dämpfung

Intrinsische Anisotropie


4. Anisotropie

Dipolanisotropie:

• dominant auf großen Skalen

• Entwicklung nach

Kugelflächenfunktionen:

Dipolterm, l = 1

• Dopplereffekt durch unsere

Relativbewegung zum

Mikrowellenhintergrund

•

s

kmv

mKT

Erde

D

600

)017,0346,3(

[12]


4. Anisotropie

Leistungsspektrum: Temperaturfluktuationen ∆T in Abhängigkeit von ihrer

Winkelgröße

[25]

l

180

T

Großwinklige intrinsische Anisotropie Kleinwinklige intrinsische Anisotropie


4. Anisotropie

Anisotropie auf großen Winkelskalen:

Zur Zeit der Rekombination:

keine Wechselwirkung zwischen

Teilchen außerhalb des Ereignis-

horizonts

Aber beobachtbar:

Temperaturdifferenz durch Sachs-

Wolfe-Effekt

[13]


4. Anisotropie

Anisotropie auf großen Winkelskalen, Sachs-Wolfe-Effekt:

• Rekombination:Fluktuationen in der Energiedichte des Plasmas → Gravitationspotentiale = Punkte hoher Dichte / Temperatur- Photon „fällt“ in Potential

→ gewinnt an Energie

→ Blauverschiebung- Austritt aus Potential

→ muss Arbeit leisten

→ Rotverschiebung

[25]

Sachs-Wolfe-Plateau


4. Anisotropie

Anisotropie auf großen Winkelskalen, Sachs-Wolfe-Effekt:

• Woher kommen Fluktuationen?

Vor Rekombination Strahlungsdruck zu groß für Bindung von Baryonen & Leptonen

→ Indiz für dunkle Materie, die schon vor Rekombination von Strahlung entkoppelte

• Indiz für dunkle Energie: Eigenschaft der Antigravitation:

Potentiale werden schwächer

[27]


4. Anisotropie

Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen:

• Vor der Entkopplung:

heißes Plasma aus Photonen,

Baryonen & Elektronen,

vergleichbar mit Gas

• Fluktuationen in der Energiedichte (dunkle Materie):

Gravitation übt Druck auf Plasma aus,

dem wirkt der Strahlungsdruck ( = Photonen ) entgegen

→ Dichteschwankungen im Plasma

→ Akustische Oszillationen

[14]


4. Anisotropie


• Durch Inflation im frühen Universum: Dichteschwankungen in allen Größenordnungen

• Größte schwingende Plasmawolke:

→ genau einmal durchlaufen

kleinere Wolken: höhere Schwingungsfrequenz

→ öfter durchlaufen

größere Wolken: können keinen Strahlungsdruck aufbauen → keine Schwingung


4. Anisotropie


• Durch den Urknall alle Schwingungen in Phase

• Nach der Entkopplung: Strahlungsdruck entfällt, aktueller Schwingungszustand der Photonen wird „eingefroren“

→ Gebiete hoher Strahlungsdichte = heiße Gebiete

→ Gebiete niedriger Strahlungsdichte = kalte Gebiete

→ heute beobachtbar im CMB


4. Anisotropie

Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen:• Größte schwingenden Plasmawolke (Grundschwingung):

→ Weg den Welle bis zur Rekombination zurücklegen kann

• Analog zu Schallwelle in Röhre:

Oberschwingungen

→ verschiedene Peaks im

Leistungsspektrum

rekrekSchallGrund tc

tc 30

.3

12

1

.2

.1

usw

GrundOber

GrundOber

[15]


4. Anisotropie


Was lernen wir aus den akustischen Oszillationen?

Geometrie des Universums bestimmt durch Dichteparameter der verschiedenen Materie- und Energiekomponenten:

• Dunkle Energie:

• Materie (dunkle + baryonische):

• Strahlung: → vernachlässigbar

Wenn:

• Ωtot >1→ geschlossenes, sphärisches Universum

• Ωtot <1→ offenes, hyperbolisches Universum

• Ωtot =1 → flaches, euklidisches Universum

M

410rad

Mtot

?tot


4. Anisotropie


Berechnung: Wellenlänge Grundschwingung sichtbar unter 1°

Annahme: flaches Universum, Winkelsumme im Dreieck 180°

t

t

tc

ztc

tc

zrekrek

heute

Grund

23

)11100(

23

)1()1(2

2tan

0

0

0

)1( zGrund

0ctheute

1


4. Anisotropie


Messung: 1.Peak bei ≈1°→ flaches Universum

geschlossen

offen

flach

[17]


4. Anisotropie


Flaches Universum →

Aus Supernovaedaten: Expansionsbeschleunigung des Universums →

1tot

M

Mtot

1

1

Mba


4. Anisotropie


Genaue Bestimmung der Dichte der Dunklen Energie & der Materiedichte!

Materie ≈ 30% der EnergieDunkle Energie ≈ 70 % der Energie

M 1

Mba

[37][29]


2. Akustischer Peak

1. Akustischer Peak

3. Akustischer Peak

2. Akustischer Peak

[25]

4. Anisotropie


Warum nimmt Amplitude der Peaks ab?

→ Gravitation und Silk Dämpfung

• Dunkle Materie entkoppelte

vor Rekombination von Strahlung

→ Fluktuationen in Energiedichte

• Aber Baryonen: massebehaftet!

üben zusätzlichen Druck auf Plasma aus

→ Baryon Loading


4. Anisotropie


• Grundschwingung & ungerade Peaks: Gravitation & akustische Oszillation verstärken sich, konstruktive Überlagerung

[28]


4. Anisotropie


• 1. Oberschwingung & gerade Peaks: Gravitation dämpft akustische Oszillation, destruktive Überlagerung

[28]


4. Anisotropie


• Baryonen haben vernachlässigbare Masse:

→ symmetrische Schwingung um Nulllage

[34]


4. Anisotropie


• Mehr Baryonen im Plasma:

→ „Masse an der Feder“, „Schwere Kugeln“

→ stärkere Kompression des Plasmas in Potentialtöpfen

→ asymmetrische Schwingung

→ Peaks „Verdichtung“ > Peaks „Auseinanderdrücken“

[34]


4. Anisotropie


• Im Leistungsspektrum:

Auftragung des Betrags des Temperaturunterschieds

→ 1. & 3. Peak > 2. Peak

[34]


4. Anisotropie

Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Silk Dämpfung:Warum ist der 3. Peak < als der 2. Peak?

Exponentielle Dämpfung der

akustischen Peaks auf kleinen Winkelskalen:

→ Entkopplung: nicht instantan

→ Photonen führen Zufallsbewegung aus

Wenn zurückgelegte Strecke > Wellenlänge akustische Schwingung:

→ mischen heißer und kalter Regionen

→ Dämpfung

Exponentielle Dämpfung

[30]


4. Anisotropie

Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Silk Dämpfung:

Mischen heißer und kalter Regionen:

Aus ersten drei Peaks: Form des Universums, Dichte der Baryonen & der dunklen Materie → Berechnung der Strecke

→ Vergleich mit Dämpfung in Leistungsspektrum → Test der Werte

[33]


4. Anisotropie

Leistungsspektrum:

Sachs-Wolfe-Plateau → Indiz: Dunkle Energie

1. Akustischer Peak → flaches Universum

2. & 3. Akustischer Peak → Materiedichte

Silk- Dämpfung → Überprüfung

[30]


5. Messung

• Erdgebundene Messungen:

z.B.: CBI ( = Cosmic Background Imager):

Chile,

1999-2008

• Ballonexperimente:

z.B.: BOOMERanG ( = Balloon Observations

Of Millimetric Extragalactic

Radiation and Geophysics):

Südpol,

1997-2003

CBI, [17]

BOOMERanG, [18]


5. Messung

Überblick:• Satelliten:

- COBE

( = Cosmic Background Explorer)

NASA, 1989-1993- WMAP

( = Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)

NASA, 2001-2010- PLANCK:

ESA, 2009-2011/2012

[20]

[21]

[32]


5. Messung

• COBE = Cosmic Background Explorer

- NASA, 1989-1993- Zeigte das Spektrum CMB

= Schwarzkörperspektrum mit

[19]

KT )002,0725,2(


5. Messung

• COBE = Cosmic Background Explorer- Hauptbestandteile:

• FIRAS

( = Far Infrared Absolute Spectrophotometer)

genaue Messung CMB & Emissionsspektrum Galaxie, Mather

• DMR

( = Differential Microwave Radiometers)

Vermessung der Anisotropien, Smoot

• DIRBE

( = Diffuse Infrared Background Experiment)

Untersuchung des CIB ( = Cosmic Infrared Background)


5. Messung

• WMAP = Wilkinson Microwave Anisotropy Probe

- NASA, 2001-2010- Auflösung etwa 13‘ = 0,22°- Alter des Universums:

Jahre- Energieverteilung im Universum:

• 4,6% Baryonen

• 23,3% Dunkle Materie

• 72,1% Dunkle Energie

[22]

910)12,073,13(


5. Messung

• WMAP = Wilkinson Microwave Anisotropy Probe

- Position: Lagrange Punkt L2

Lagrange Punkt: Gravitations-

& Zentripetalkraft heben sich auf

→ WMAP führt zur Erde synchrone

Bewegung aus

→ Vorteil: Sonne, Mond & Erde

immer im Rücken

→ Seit 2009 befindet sich PLANCK am Punkt L2

[31]


5. Messung

• PLANCK

- ESA, 2009- 2011/2012- Auflösung 5‘ = 0,08°- Hauptbestandteile:

• LFI

( = Low Frequency Instrument)

Mikrowellenbereich

• HFI

( = High Frequency Instrument)

Radiowellenbereich

[23]


[29]

6. Zusammenfassung

• CMB entstand etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall,

als Universum „durchsichtig“ wurde

• zeigt, wie Universum zur Zeit der Rekombination aussah

•

• CMB ist isotrop bis auf Anisotropien im Bereich

• wichtigste Anisotropie: akustische Schwingungen- zeigt, dass Universum nahezu flach ist- Zusammensetzung unseres Universums:

etwa 5% baryonische Materie,

25% dunkle Materie &

70% dunkle Energie

K510KTheute 3


Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!


Abbildungsverzeichnis & Quellen

Abbildungsverzeichnis:[1]: http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=47339

[2]: http://wmap.gsfc.nasa.gov/mission/sgoals_parameters_wmap.html

[3]: http://www.nndb.com/people/349/000099052/

[4]: http://www.aip.org/history/acap/images/bios/dicker.jpg

[5]: http://media-2.web.britannica.com/eb-media/13/126913-004-FACDDAAB.jpg

[6]: http://www.kosmologs.de/kosmo/gallery/6/Horn_Antenna-in_Holmdel_New_Jersey.jpg

[7]: http://www.universetoday.com/wp-content/uploads/2009/03/john-mather-2008.jpg

[8]: http://blog.wizzy.com/public/AIMS/Photo_Smoot.jpg

[9]: http://background.uchicago.edu/~whu/SciAm/sym2.html

[10]: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:BlackbodySpectrum_lin_150dpi_de.png

[11]: https://www.wiki.ed.ac.uk/download/attachments/38634225/image001.gif

[12]: http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990100b.jpg

[13]: http://background.uchicago.edu/~whu/beginners/infl.html

[14]: http://background.uchicago.edu/~whu/intermediate/gravity.html

[15]: http://background.uchicago.edu/~whu/SciAm/sym2.html

[16]: http://wmap.gsfc.nasa.gov/media/030640/index.html


[18]: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Boomerang_Telescope.jpeg



Abbildungsverzeichnis:[19]: http://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe/cobe_image_table.cfm




[23]: http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=47345

[24]: http://background.uchicago.edu/~whu/physics/projection.html

[25]: http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2006/10/25/reconstructing-inflation/


[27]: http://cmbcorrelations.pbworks.com/w/page/4563976/FrontPage

[28]: http://background.uchicago.edu/~whu/SciAm/sym3b.html

[29]: http://www.weltderphysik.de/de/5068.php?i=5158

[30]: http://en.wikipedia.org/wiki/Silk_Damping


[32]: http://www.kosmologs.de/kosmo/blog/einsteins-kosmos/allgemein/2009-07-09/wird-planck-unsere-sicht-auf-das-weltall-ver-ndern

[33]: http://background.uchicago.edu/~whu/intermediate/damping1.html

[34]: http://background.uchicago.edu/~whu/intermediate/baryons2.html

[35]: http://background.uchicago.edu/~whu/intermediate/baryons3.html

[36]: Skript „Einführung in die Kosmologie“, Prof. Dr. W. de Boer, Juni 2004, S.56

[37]: http://www.jrank.org/space/pages/2301/dark-energy.html



Quellen:• http://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe/

• http://www.esa.int/SPECIALS/Planck/index.html

• http://background.uchicago.edu/

• Uni Karlsruhe, Hauptseminar „Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik“, 2008, Vortrag von Stefan Braun: „WMAP“

• KIT, Hauptseminar „Der Urknall und seine Teilchen“, 2011, Vortrag von Alexander Bett: „Die Temperaturentwicklung des Universums“

• „Teilchenastrophysik“, H.V. Klapdor-Kleingrothaus und K. Zuber, Teubner Studienbücher, 1997

• „Der Nachhall des Urknalls“, Torsten A. Enßlin, Physik Journal 5 (2006) Nr. 12

• „Der Nachhall des Urknalls“, Gerhard Börner, Physik Journal 4 (2005) Nr. 2

• „Das elegante Universum“, Brian Greene , Goldmann Verlag, 2005

• „Cosmology, The Origin and Evolution of Cosmic Structure“, Peter Coles und Francesso Lucchin, John Wiley & Sons, Ltd. 2002

• Skript „Einführung in die Kosmologie“, Prof. Dr. W. de Boer, Juni 2004

Documents

KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft Anna Weigel Der Urknall und seine Teilchen