Die kosmische Hintergrundstrahlung

Die kosmische

Hintergrundstrahlung

Moritz Seyfried

Inhaltsübersicht

• Chronologie der Entdeckung

• Ursprung der CMB

• Verschiedene

Messmöglichkeiten/ Messungen

• Betrachtung der Messergebnisse

• Folgerungen aus der CMB

1946: Big-Bang Modell von Gamov

- Universum entstand aus Singularität

- Anfangs extrem hohe Dichte und Druck

 Kernreaktionen waren möglich

George Gamov

1948: Alpher, Bethte, Gamov können über die Big-Bang Theorie die

Häufigkeit von Helium im Universum

erklären

Ralph Alpher Hans Bethe

)

( 

1948: Alpher, Herman berechnen eine 5K Hintergrundstrahlung

Robert Dicke

1964: Dicke + Peebles berechnen eine 10K Hintergrundstrahlung

Robert Herman

Alternative: Steady-State Theorie

• 1946: Bondi, Gold, Hoyle suchten Alternative zu Big- Bang

Alternative: Steady-State Theorie

• 1946: Bondi, Gold, Hoyle suchten Alternative zu Big- Bang

• 1948: Steady-State Universum:

- bleibt für alle Zeiten gleich

- gibt kein Anfang und keine Ende

- konstante Anzahl von Materie wird geschaffen:

ein paar H-Atome pro m³ + 10 Milliarden Jahre

Alternative: Steady-State Theorie

• 1946: Bondi, Gold, Hoyle suchten Alternative zu Big- Bang

• 1948: Steady-State Universum:

- bleibt für alle Zeiten gleich

- gibt kein Anfang und keine Ende

- konstante Anzahl von Materie wird geschaffen:

ein paar H-Atome pro m³ + 10 Milliarden Jahre Steady-State Theorie konnte die Heliumhäufigkeit im

Entdeckung der CMB

Entdeckung der CMB

• 1964 forschten R. Wilson + A. Penzias an den

Bell Telephone Laboratories an einer Antenne zur Satellitenkommunikation

• Ständiges Rauschen in allen Richtungen bei mit für therm. GG folgt T=3,3K

• Alle Versuche dies zu beheben scheiterten

• 1965: Veröffentlichung zus. mit Bericht von Dicke + Peebles

• 1978: Wilson + Penzias bekommen Nobelpreis

1

1011

7 ,

1  ^

 s



 h T

k_B  3

Ursprung der CMB

Schwarzkörper

Körper, der sich im

thermodyn. GG befindet und die gesamte

auftretende Energie der em. Strahlung unabhängig von Einfallsrichtung und Polarisation absorbiert.

Seine Eigenschaften sind materialunabhängig und lediglich durch die

Temperatur definiert.

Plancksche Strahlungsformel:

Beschreibt Energiedichte und em. Strahlung eines schwarzen Körpers in Abhängigkeit von der Frequenz v und der GG- Temperatur T:

1 ) 8

,

(





kT hv

e

hv T c

v

U 

Da Schwarzkörperstrahlung nur von T abhängt, genügt eine Messung

Um das Spektrum zu extrapolieren

Wiensches Verschiebungsgesetz

Für die Wellenlänge der max. Strahlung eines schwarzen Körpers gilt:

mK

T 

_max  2897,8

Folgt direkt aus dem Planckschen Strahlungsgesetz.

Wiensches Verschiebungsgesetz

Für die Wellenlänge der max. Strahlung eines schwarzen Körpers gilt:

mK

T 

_max  2897,8

z.B. Sonne: _max  500nm

nm K

T mK 5796

500 8 ,

2897 

 



Folgt direkt aus dem Planckschen Strahlungsgesetz.

Ursprung der CMB

•Nach dem Big-Bang: sehr hohe Temperaturen + große Dichte

•Sehr gutes thermodyn.GG

•Durch Ausdehnung sink Temperatur

•379 000 Jahre nach Big-Bang rekombinieren Elektronen und Protonen zu Wasserstoff

•Universum wird bei T=3000 K transparent

•Durch Dehnung des Raumes starke Rotverschiebung

•Heut noch 420 Photonen mit T=2,725 K pro cm³

R

T  1 /

Ursprung der CMB

Die Photonen wurden bei T=3000 K zum letzen mal gestreut.

Man erhält ein Bild des Universums, wie es vor 13,7 Milliarden Jahren war.

Materiedominiert:

) ( ) 1

( t R t

T 

3 /

)

( )

( t  t

T ^t

^{ 13 , 7  10}

3 / 2 0 0)

( )

( 

 



 

rec rec

t t t

T t

T



Vergrößerung des Universums: ₀

3000 1100





 T K

R

Zeitpunkt der Rekombination:

Messungen der CMB

• Ab 1965: Erdantennen, CBI in Anden

• Ballonexperimente, Boomerang + Maxima

• Satelliten:

- 1983: IRAS, Infrared Astronomical Satellit - 1984: RELIKT,

Winkelauflösung 5,5°

Temperaturauflösung 0,6 mK Dipolanisotropie

- 1989: COBE, Cosmic Background Explorer

- 2001: (W)MAP, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe

Erdgebundene Messungen

Einfachste Art der Messung (Penzias, Wilson)

Problem: Absorption durch Atmosphäre

Lösung: Ballonexperimente in der oberen Atmosphäre

COBE ( Cosmic Background Explorer)

Messinstrumente an Bord:

-Diffuse Infrared Background Experiment

-Differential Microwave Radiometer

-Far Infrared Absolute Spectrometer

•Start 1989

•Untersuchung der CMB bei verschiedenen Wellenlängen

Ergebnisse von COBE

Perfekte Homogenität bei grober Auflösung

COBE machte die

Dipolanisotropie sichtbar:

Subtraktion der Dipolanisotropie liefert noch genaueres Bild

 ^{  } 

 T 1 v / c cos

T

DMR

FIRAS

Über die gemessenen Temperaturdifferenzen kann die Relativ- geschwindigkeit der Erde berechnet werden:





 1 / cos

0

c T v

T_mov

Für

 

0

0 max  T

T

Umstellen obiger Formel: ^c

 

T

v T 1 1.00123 1 3 10⁸ /

0

max     



 



 



s km /

 369

Berücksichtigung der bekannten Bewegungen von Sonne und Milchstraße liefert:

WMAP

(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)

Seit 2001 im L2-Punkt

WMAP

(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)

Seit 2001 im L2-Punkt

Lagrangepunkte

WMAP

(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)

Seit 2001 im L2-Punkt

Äquipotentialflächen Lagrangepunkte

Ergebnisse von WMAP

Die Ergebnisse der fünf

Frequenzen

werden überlagert und somit die

Galaxiestrahlung herausgefiltert Messung bei Frequenzen von 23, 33, 41, 61 und 94 Ghz

Powerspektrum

Vergleich COBE/WMAP

WMAP hatte:

-45x Temperturauflösung -33x Winkelauflösung Von COBE

Abweichungen von

Millionstel Grad wurden gemessen

Historische Entwicklung

Ergebnisse

Sonic Horizon: ^{Ss  csts}

Mit c_s  c / 3 und t_s  380.000y

     

109

7 , 13 3

1100 1

000 .

380 tan 1







 

 

 ct

z t

c_{s s}







 1 , 009

Sowie t=13,7 Milliarden Jahre und z = 1100

Ergebnisse

Universum ist in sehr guter Näherung flach mit

Tendenz zu offen Es gilt also: ^{  }B ^NB ^1

Zusammensetzung der Materie

Gravitationskonstante: 0,73 Materie: 0,27

Zusammensetzung der Materie

Aus Theorie:

1 2

I I

B 



Veränderung der bar. Masse verändert das Powerspektrum

Ergebnisse

• Universum ist 13,7 Milliarde Jahre alt, Fehler 1%

• Erste Sterne 200 Millionen Jahre nach Big-Bang

• Universum besteht zu 4% aus Materie, 23% Cold Dark Matter, 73% Dark Energy

• Schnelle Neutrinos für Strukturbildung unwichtig

• Universum ist in sehr guter Näherung flach, Tendenz zu offen

• Hubble-Parameter: H=71km/sec/Mpc

• CMB: 380.000 Jahre nach Big-Bang T = 2,725 +/- 0,002K

• Universum wird ewig expandieren (Dark Energy?)

• Polarisation ist Hinweis für Inflation

• Isotropie der CMB unterstützt die

Bedeutung der Anisotropien

• Lokale Dipolanisotropie von

• Lokale Anisotropie durch Mikrowellen aus Milchstraße

• Anisotropie durch Sunayev-Zeldovich-Effekt u.a.

• Urspüngliche Anisotropie von

• Fluktuationen im frühen Universum, lokale Dichteschwankungen auf Grund der Unschärferelation

• Nur durch Existenz von Dunkler Materie (WIMPS) konnten die Dichteschwankungen bestehen

• Anisotropien sind extrem wichtig für Strukturbildung des Universums, Ursache für Entstehung der Galaxien

• Alle materiellen Objekte im Kosmos, einschließlich der Größten Strukturen mit Ausmaßen bis zu 100 Mpc könnten auf winzigste

Effekte zurückgehen, die alleine durch die Quantenphysik zu erklären sind.

10^5



T

10^3



T

Zukünftige Möglichkeiten

• Planck Surveyor (2007):

- Exaktere Messung der Anisotropie - Polarisationsmessung

• Damit evtl. Überprüfung der Stringtheorie (?)

• Computersimulationen an Hochleistungsrechnern

Liertaturangaben

• http://www.nasa.gov

• http://www.wikipedia.de

• Homepage von Wayne Hu:

http://background.uchicago.edu/~whu

• Carroll, Ostlie: An Introduction to Modern Astrophysics

• Bergström, Goobar: Cosmology and Particle Astrophysics

• Kutner: Astronomy

• Wim de Boer, Einführung in die Kosmologie (Skript)