Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 06.12.2012 1 Einteilung
der VL 1.Einfhrung 2.Hubblesche Gesetz 3.Antigravitation
4.Gravitation 5.Entwicklung des Universums 6.Temperaturentwicklung
7.Kosmische Hintergrundstrahlung 8.CMB kombiniert mit SN1a 9.
Strukturbildung 10. Neutrinos 11. Grand Unified Theories 12.-13
Suche nach DM HEUTE
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Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 06.12.2012 2 Vorlesung 7
Roter Faden: 1.Cosmic Microwave Background radiation (CMB)
2.Akustische Peaks
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Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 06.12.2012 3 Entstehung
der 3K kosmischen Hintergrundstrahlung Cosmic Microwave Background
(CMB))
Folie 5
Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 06.12.2012 4 Last
Scattering Surface (LSS)
Folie 6
Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 06.12.2012 5 Das
elektromagnetische Spektrum
Folie 7
Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 06.12.2012 6 Entdeckung
der CMB von Penzias und Wilson in 1965
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Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 06.12.2012 7 Penzias and
Wilson found isotropic noise in antenna. Dicke et al. told them,
this is the CMB!
Folie 9
Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 06.12.2012 8 Princeton
group from Dicke looked for CMB Although these authors had the
idea, Penzias and Wilson got the Nobel prize!
Folie 10
Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 06.12.2012 9 The COBE
satellite: first precision CMB experiment
Folie 11
Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 06.12.2012 10 Kosmische
Hintergrundstrahlung gemessen mit dem COBE Satelliten (1991) T =
2.728 0.004 K Dichte der Photonen 412 pro cm 3 Wellenlnge der
Photonen ca. 1,5 mm, so dichteste Packung ca. (10 mm / 1.5 mm) 3 =
ca. 300/cm 3, so 400 sind viele Photonen/cm 3 Mather(left) (NASA),
Smoot (LBL, Berkeley) Nobelpreis 2006
Folie 12
Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 06.12.2012 11 The oval
shapes show a spherical surface, as in a global map. The whole sky
can be thought of as the inside of a sphere. Patches in the
brightness are about 1 part in 100,000 = a bacterium on a bowling
ball = 60 meter waves on the surface of the Earth. CMB Anisotropie
(Temp. Fluktuationen)
Folie 13
Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 06.12.2012 12 Da die Erde
sich durch den CMB bewegt, erwartet man eine Rotverschiebung fr die
Photonen, die von hinten kommen und eine Blauverschiebung der
Photonen, die uns entgegenkommen. Daher erwartet man eine
Dipol-Anisotropie mit einer Temperaturdifferenz von T/T = 10 -3.
Diese wurde beobachtet in den siebziger Jahren (Conklin 1969, Henry
1971, Corey and Wilkinson 1976 and Smoot, Gorenstein and Muller
1977). Von akustische Wellen wurden zustzliche
Temperaturschwankungen auf kleine Skalen erwartet in der
Grenordnung 10 -2 10 -4, aber diese wurden nicht gefunden. Nachdem
DM bercksichtigt wurde, erwartete man T/T = 10 -5. Dies konnte
spter nur mit Satelliten nachgewiesen werden.
Dipol-Anisotropie
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Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 06.12.2012 13
Temperatur-Fluktuationen = Dichtefluktuationen WMAP vs COBE 45
times sensitivity WMAP T/T 200uK/2.7K
Folie 15
Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 06.12.2012 14
Dichtefluktuationen zeigen Wellencharakter, sowohl im Ozean als in
der CMB WMAP http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?
id=4724 Blick von Satellit auf die Erde Blick von Satellit ins
Universum
Folie 16
Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 06.12.2012 15 T / T
Entwicklung der Dichtefluktuationen im Universum Man kann die
Dichtefluktuationen im frhen Univ. als Temp.-Fluktuationen der CMB
beobachten!
Folie 17
Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 06.12.2012 16 T / T Frage:
Warum Vorzeichen zwischen Temperaturfluktuationen und Druck
NEGATIV? Erwarte: erhhte Druck entspricht erhhte Temperatur!
Antwort: es ist die DM, die zum Zeitpunkt der Entstehung der CMB
schon tiefe Tpfe im Gravitationspotential gebildet hat. Dadurch
mssen Photonen aus diesen Tpfe klettern und verlieren dabei
Energie. Dadurch dreht sich das Vorzeichen um, weil die erhhte
Temperatur im Potentialtopf wird durch die gravitative
Rotverschiebung berkompensiert. Resultat: Temperaturanisotropie
VIEL kleiner als erwartet ohne DM! Daher so extrem schwierig zu
beobachten.
Folie 18
Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 06.12.2012 17 WMAP: ein
Fernsehschssel zur Beobachtung des frhen Universums WMAP: 1,5
Millionen km von der Erde entfernt (3 Monate Reisezeit, Beobachtung
tglich seit 2001) NASA Science Team
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Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 06.12.2012 18 WMAP
Orbit
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Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 06.12.2012 19 WMAP
spinning to cover full sky
Folie 21
Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 06.12.2012 20
Himmelsabdeckung
Folie 22
Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 06.12.2012 21 WMAP
Elektronik HEMT= High Electron Mobility Transistors (100 GHz)
Folie 23
Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 06.12.2012 22 The first
observations of the CMB were made by McKellar using interstellar
molecules in 1940. The image shows a spectrum of the star zeta Oph
taken in 1940 which shows the weak R(1) line from rotationally
excited CN. The significance of these data was not realized at the
time, and there is even a line in the 1950 book Spectra of Diatomic
Molecules by the Nobel-prize winning physicist Gerhard Herzberg,
noting the 2.3 K rotational temperature of the cyanogen molecule
(CN) in interstellar space but stating that it had "only a very
restricted meaning." We now know that this molecule is primarily
excited by the CMB implying a brightness temperature of T o = 2.729
+/- 0.027 K at a wavelength of 2.64 mm ( Roth, Meyer & Hawkins
1993). Roth, Meyer & Hawkins 1993
http://www.astro.ucla.edu/~wright/CMB.html Rotationally excited
CN
Folie 24
Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 06.12.2012 23 Warum ist
die CMB so wichtig in der Kosmologie? a)Die CMB beweist, dass das
Universum frher hei war und das die Temperaturentwicklung
verstanden ist b) Alle Wellenlngen ab einer bestimmten Lnge
(=oberhalb der akustischen Wellenlngen) kommen alle gleich stark
vor, wie von der Inflation vorhergesagt (bei VL ber Infation mehr).
c) Kleine Wellenlngen (akustische Wellen) zeigen ein sehr
spezifisches Leistungsspektrum der akustischen Wellen im frhen
Universum.
Folie 25
Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 06.12.2012 24 `` = k with
k>0 fr F G >F P Lsung: Druck gering: =ae bt, d.h.
exponentielle Zunahme von (->Gravitationskollaps) Oder: `` = k
with k
