Die kosmische Hintergrundstrahlung (CMB)

SOFTWARE-ENTWURF UND -QUALITÄT

INSTITUT FÜR PROGRAMMSTRUKTUREN UND DATENORGANISATION, FAKULTÄT FÜR INFORMATIK

Die kosmische Hintergrundstrahlung (CMB)

Hauptseminarvortrag von Stephan Beyer

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Vorhersage und Entdeckung der Strahlung 3. Grundlagen

4. Ursprung der Strahlung 5. Anisotropie der Strahlung

6. Zusammensetzung des Universums

Zeitliche Einordnung

Einleitung

• Strahlung im Mikrowellenbereich (1 mm bis 300 mm)

• Spektrum eines Schwarzen Körpers

• Temperatur von 2.725 K

• Sehr isotrop

• Anisotropien im mK- und µK-Bereich

• Rückschlüsse auf Geometrie und Struktur des Universums

Historie

1941: Beobachtung von Absorptionslinien im

interstellarem Gas (Ursache blieb ungeklärt)

1948: G. Gamov, R. Alpher, R.Herman sagen

Strahlungshintergrund (Urknalltheorie) voraus Schätzungen reichen von 4 bis 40 Kelvin

1964: Entdeckung durch A. Penzias und R.W.Wilson und Interpretation u.a. durch R. Dicke

70er: Etablierung des Urknallmodells aufgrund der Bestätigung der

Schwarzkörperform

Entdeckung

• Zufällige Entdeckung bei Arbeiten an einer neuen empfindlichen Antenne (Bell Laboratories, Holmdel)

• Isotropes Störsignal bei

Abb. 1: Penzias und Wilson

Anisotropie

Grundlagen Zusammensetzung

Vorhersage/Entdeckung Ursprung

Entdeckung

• Zeitgleich bereiteten R. Dicke, J. Peebles, D. Wilkinson Experimente zur Suche vor (nur 60 km entfernt in Princeton)

• Penzias hört von der Theorie einer Hintergrundstrahlung, welche im Mikrowellenbereich liegen soll

• Kontaktaufnahme mit Dicke und Interpretation

• Veröffentlichung zweier Artikel im Astrophysical Journal

• Penzias und Wilson erläuterten ihre Vorgehensweise

• Dicke erklärte, worum es sich bei der Strahlung handelte

• 1978: Nobelpreis für Penzias und Wilson

Grundlagen

• Universum expandiert

Kosmologische Rotverschiebung

Änderung der Teilchen-/Energiedichten

• Strahlung und Materie im thermischen Gleichgewicht im frühen Universum

Schwarzkörperspektrum

Anisotropie

Grundlagen Zusammensetzung

Vorhersage/Entdeckung Ursprung

Kosmologische Rotverschiebung

• Rotverschiebung:

• Vergrößerung der Raumzeit bewirkt Vergrößerung der Wellenlänge Mikrowellenhintergrund

• Definition mit Skalenparameter:

häufig mit

• Proportionalitäten :

Energie-/Teilchendichte

• Strahlung:

• Volumen:

• Energiedichte:

• Stefan-Boltzmann-Gesetz:

• Universum kühlt bei Expansion ab:

Frage: Schwarzkörperform erhalten?

Anisotropie

Grundlagen Zusammensetzung

Vorhersage/Entdeckung Ursprung

Schwarzkörperspektrum

• Planck:

• Mittlere Photonenenergie:

Expansion reduziert Teilchendichte Rotverschiebung senkt Frequenz

Dies ergibt ein Spektrum bei geringerer Temperatur.

Abb. 2: Erhaltung der Schwarzkörperform

Ursprung

• Photonen im thermodynamischen Gleichgewicht mit der vollständig ionisierten Materie

• Wechselwirkung in Form von Thomson-Streuung

• Temperatur sinkt bei Expansion

• Rekombination zu neutralen Atomen bei T~3000 K

• Zeitpunkt der letzten Streuung ~ 380 000 Jahre nach Urknall

• Entkopplung der Strahlung von der Materie

Abb. 3

Anisotropie

Grundlagen Zusammensetzung

Vorhersage/Entdeckung Ursprung

Ursprung

• Frage:

Baryonen-Photonen-Verhältnis

• Pro Baryon gibt es ~ 10 ⁹ Photonen.

• Auch bei sinkender Temperatur gab es noch genügend Photonen, welche die Ionisationsenergie aufbrachten.

• Genaue Berechnung der Temperatur erfolgt mit Saha-Gleichung, die Zeit erhält man aus den Friedmann-Gleichungen.

• Temperatur von 2.725 K liefert eine Rotverschiebung von:

• Aus der heutigen Energiedichte und der mittleren Photonenenergie bei 2.725 K

ergibt sich eine Dichte von ~ 400 CMB-Photonen pro Kubikzentimeter.

Software-Entwurf und -Qualität 14 16.06.2013

Anisotropien der Hintergrundstrahlung

• Wie konnten sich Strukturen bilden, wenn die Strahlung so homogen und isotrop erscheint?

Es muss schon vor der Rekombination Dichte-

schwankungen gegeben haben!

Diese müssen sich in

Temperaturschwankungen niederschlagen!

Beyer Stephan: Die kosmische Hintergrundstrahlung

Abb. 4: Informationen aus der letzten Streuung

Anisotropie

Grundlagen Zusammensetzung

Vorhersage/Entdeckung Ursprung

Anisotropien der Hintergrundstrahlung

1965-92: erfolglose Suche nach diesen Anisotropien

1992: COBE DMR (G. Smoot) entdeckt primäre

Temperaturanisotropien

• Primäre A.: verursacht durch Effekte zur Zeit der Rekombination

• Sekundäre A.: verursacht durch spätere Effekte

• Der rote Gürtel (unteres Bild)

erscheint aufgrund der galaktischen Emission der Milchstraße

• Winkelauflösung von ~10°

Isotropie

Dipol

Dichtefluktuationen

Abb. 5: COBE DMR Images

Das Leistungsspektrum

• Ziel: Quantifizierung der Anisotropien anhand ihrer räumlichen Größe

• Prinzip:

• Wähle Punkte mit festem Abstand r

• Messe die Temperaturdifferenz und Korrelation auf dieser Skala

• Mittelung über alle Punktepaare mit festem r liefert Wert C(r) in (µK)²

• Wiederholung für verschiedene Punkteabstände r

• In der Praxis:

• Entwicklung nach Kugelflächenfunktionen

• Statt C(r) nun C _l

• l-Index ist verknüpft mit Winkelskala

Abb. 6

Anisotropie

Grundlagen Zusammensetzung

Vorhersage/Entdeckung Ursprung

Das Leistungsspektrum

Erinnerung:

Horizont bei ~2°:

Abb. 7

• Photonen aus Gebieten höherer Massendichte verlieren Energie beim

Entkommen aus dem Gravitationspotential (Rotverschiebung, kältere Gebiete)

• Aber: Baryonische Materie konnte bei der damaligen Strahlungsdichte noch keine Gravitationspotentiale bilden  Dunkle Materie

• Insgesamt kommt dies einer Blauverschiebung gleich

Abb. 8

(Integrierter) Sachs-Wolfe-Effekt

Anisotropie

Grundlagen Zusammensetzung

Vorhersage/Entdeckung Ursprung

Das Leistungsspektrum

Erinnerung:

Horizont bei ~2°:

Abb. 9

Akustische Schwingungen

• Oszillierende Dichtewellen zwischen Inflation und Rekombination

• Prinzip:

• Dunkle Materie übt Gravitationskraft auf Baryonen und Photonen aus

Kompression

• Dem Zustand der Kompression wirkt Photonendruck entgegen

Verdünnung

• Dunkle Materie führt keine Oszillation aus!

• Gleich große Materiewolken in Phase, und daher im Leistungsspektrum zu erkennen

• Schallgeschwindigkeit im Plasma:

Anisotropie

Grundlagen Zusammensetzung

Vorhersage/Entdeckung Ursprung

Akustische Schwingungen

• 1. Peak entspricht der Grundschwingung

• Baryonendichte im durch Dunkle Materie gebildeten Potentialtopf maximal

• Zusammenhang:

• Gravitative Rotverschiebung dreht das Temperaturverhalten um

Abb. 10

Abb. 11

Akustische Schwingungen

• 1. Oberton

• Kleinere Gebiete

erreichen schneller den Zustand der Verdichtung

• Bei Rekombination daher gerade wieder den Zustand der Verdünnung erreicht

• Druck und Gravitation in Gegenphase

• Temperaturdifferenzen dadurch geringer  2. Peak niedriger

Anisotropie

Grundlagen Zusammensetzung

Vorhersage/Entdeckung Ursprung

Silk-Dämpfung

• Silk-Dämpfung unterbindet kleinere Materieansammlungen

 bemerkbar auf kleinen Skalen

• Ursache:

Photonen wechselwirken noch während der Phase der Rekombination mit Baryonen und treiben noch nicht so massereiche Materiewolken wieder auseinander.

• Homogenisierung der Hintergrundstrahlung

• Weiterer Hinweis für Dunkle Materie, da weiterhin kleine Anisotropien beobachtet werden

Abb. 12

Zusammensetzung des Universums

Wie trägt die Vermessung der Kosmischen Hintergrundstrahlung zu diesem Bild bei?

Abb. 13: Universe Content - WMAP 9yr Pie Chart

Anisotropie

Grundlagen Zusammensetzung

Vorhersage/Entdeckung Ursprung

Zusammensetzung des Universums

Beschreibung des Universums durch Dichteparameter:

• Baryonen, Dunkle Materie,

Vakuumenergiedichte/Dunkle Energie

• Parameter für die Strahlungsdichte vernachlässigbar

Abb. 14: Geometrie des Universums

Lage des 1.Peaks und Geometrie

• Akustische Welle kann eine maximale Ausdehnung von erreichen

• Diese wird durch die Expansion um das 1100-fache vergrößert

• Abschätzung des Winkels unter dem der 1.Peak beobachtet wird:

Schallhorizont ~ entfernt und Öffnungswinkel klein

• Exakte Berechnung (ART) liefert

Anisotropie

Grundlagen Zusammensetzung

Vorhersage/Entdeckung Ursprung

Abb. 15

Lage des 1.Peaks und Geometrie

Vergleich mit Leistungsspektrum:

• flach:

• geschlossen:

• offen:

• Exakt:

• Messungen bestätigen daher, dass das Universum sehr flach ist

• CMB liefert

Abb. 16

Kombination mit Supernovaedaten

• Parametrisierung der beschleunigten Expansion:

• Supernovaebeobachtungen liefern Daten für Gleichung

• Aus CMB:

• Daraus folgt:

Abb. 17

Anisotropie

Grundlagen Zusammensetzung

Vorhersage/Entdeckung Ursprung

Verhältnis Dunkle Materie - Atome

Wie beeinflusst dieses Verhältnis das Leistungsspektrum?

• Mehr Atome:

• Potentialtöpfe aus DM kleiner

• Hohe Dichte entspricht nun höherer Temperatur

• Gravitation dreht dieses Verhalten nicht mehr um

• 1.Peak wird höher

• Gravitation der Baryonen schwächt Verdünnungsprozess

• Potentialunterschiede geringer

• 2.Peak daher schwächer

• Wichtiger Indikator: Verhältnis 1.Peak zu 2.Peak

• WMAP Analyzer Tool:

http://map.gsfc.nasa.gov/resources/camb_tool/cmb_plot.swf

Abb. 18: Universe Content

WMAP 9yr Pie Chart

Abbildungsverzeichnis

Titelbild 1: http://map.gsfc.nasa.gov/media/121238/index.html

Titelbild 2: http://www.nasa.gov/mission_pages/planck/multimedia/pia16876b.html

Abb. 1: http://ffden-2.phys.uaf.edu/212_fall2003.web.dir/eli_sonafrank/penzias_and_wilson.jpg Abb. 2: Andrew Liddle, Einführung in die moderne Kosmologie, S. 85

Abb. 3: http://user.physics.unc.edu/~evans/pub/A31/Lecture24-25-Big- Bang/recombination2.jpg Abb. 4: http://map.gsfc.nasa.gov/media/990053/index.html

Abb. 5: http://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe/dmr_image.cfm Abb. 6: http://map.gsfc.nasa.gov/media/121238/index.html

Abb. 7: http://www-ik.fzk.de/~drexlin/astro1213/AT06.pdf auf S.12

Abb. 8: http://cosmictimes.gsfc.nasa.gov/online_edition/2006Cosmic/darkside.html Abb. 9: http://www-ik.fzk.de/~drexlin/astro1213/AT06.pdf auf S.12

Abb. 10/11: http://astro.berkeley.edu/~mwhite/sciam03_short.pdf

Abb. 12: Ausschnitt aus http://www-ik.fzk.de/~drexlin/astro1213/AT06.pdf auf S.12 Abb. 13: http://map.gsfc.nasa.gov/media/121236/index.html

Abb. 14: http://hendrix2.uoregon.edu/~imamura/123/lecture-5/topology_universe.jpg Abb. 15: selbst erstellte Grafik

Abb. 16: http://map.gsfc.nasa.gov/mission/sgoals_parameters_geom.html Abb. 17: http://supernova.lbl.gov/Union/

Abb. 18: http://map.gsfc.nasa.gov/media/121236/index.html

Alle Links wurden zuletzt am 05.06.2013 13:51 abgerufen.

Quellen

• Liddle, Andrew : Einführung in die moderne Kosmologie . Übers. von Sybille Otterstein. Weinheim:

WILEY-VCH, 2009.

• Klapdor-Kleingrothaus, Hans Volker / Zuber, Kai: Teilchenastrophysik. Stuttgart: Teubner, 1997.

• de Boer, Wim: Transparente der Vorlesung Einführung in die Kosmologie (WS2012/13)

• Drexlin, Guido: Transparente der Vorlesung Astroteilchenphysik (WS2012/13)

• Hu, Wayne / White Martin: The Cosmic Symphony. In Scientific American. S.44-53. Februar 2004

• http://www.astro.virginia.edu/~dmw8f/BBA_web/unit06/unit6.html

• http://www.astro.virginia.edu/~dmw8f/BBA_web/unit07/unit7.html

• http://map.gsfc.nasa.gov/mission/sgoals_universe.html

• Was ist Hintergrundstrahlung? Aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri. Erstmals ausgestrahlt am 13. Mai 2001.

Alle Links wurden zuletzt am 05.06.2013 13:51 abgerufen.

Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit