Kosmische Hintergrundstrahlung

Der Urknall und seine Teilchen

Kosmische Hintergrundstrahlung

Ein Blick in die Vergangenheit

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

K T  10 ^{ 5}



K T _CMB  ( 2 , 725  0 , 002 )

[26]

/ 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]

2. Geschichte & Entdeckung

George Gamow, Ralph Alpher, 1946:

Vorhersage des CMB

Berechnete Temperatur: 3-10K

Georg Gamow,

2. Geschichte & Entdeckung

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,

2. Geschichte & Entdeckung

„Die einen sagten sie voraus, die anderen suchten sie und die dritten wussten nichts von beiden und fanden sie.“

[6]

2. Geschichte & Entdeckung

• 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 PLANCK

John Mather,

3. Mathematische Beschreibung

[10]

[11]

3. Mathematische Beschreibung

Schwarzer Körper → Planksches Strahlungsgesetz:

Energiedichte:

Temperatur T abhängig von der Größe des Universums:

Hz m

M W

c e T h

M

T k

h

B

 



 



2

2 3

] [

1 1 ) 2

, (



 



 

)

( S

T

T 

3. Mathematische Beschreibung

Schwarzer Körper → Planksches Strahlungsgesetz:

Temperatur abhängig vom Skalenfaktor S:

mit

• Energiedichte:

mit:

1 )

( t ₀ 

S t ₀  t _heute  13 , 7  10 ⁹ a

4 3 ,

 









 

 



S

S S

V

V c h V

h V

E







 

1 .

4

const S

T S

T T

















3. Mathematische Beschreibung

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

K K S

S T T

S T

S T

Entk heute heute

Entk

heute heute

Entk Entk

10 3000 3

3 .

.

. .











. const S

T  

3. Mathematische Beschreibung

Maximum → Wiensches Verschiebungsgesetz:

• Messe Intensitätsverteilung des CMB

• Suche Maximum

→ Temperatur der Strahlung z.B.: Sonne:

mK

T ³

max   2 , 898  10 ^



m K T mK

nm 10 5800 5

, 0

10 898

, 2

500

6 3 max

 

 









3. Mathematische Beschreibung

Entwicklung nach Kugelflächenfunktionen:

• l = 0 : Monopolterm → keine weitere Bedeutung

• l = 1 : Dipolterm → Dipolanisotropie

• l ≥ 2 : Quadrupolterm & höher → intrinsische Anisotropie

  ^















 









 







0

0

0

) ,

) ( ,

(

) ,

( )

, (

l

l m

l m

lm lm Y T a

T

T

T T

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 v km

mK T

Erde D

600

) 017 , 0 346 , 3 (









[12]

4. Anisotropie

Leistungsspektrum: Temperaturfluktuationen ∆T in Abhängigkeit von ihrer Winkelgröße

[25]

l

 

 180

 T

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

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

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

Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen:

• 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

Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen:

• 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

rek rek

Schall

Grund c t

t

c   

 3

 0

.

3 1 2 1

. 2

. 1

usw

Grund Ober

Grund Ober













4. Anisotropie

Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen:

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:

• Ω

>1→ geschlossenes, sphärisches Universum

• Ω

<1→ offenes, hyperbolisches Universum

• Ω =1 → flaches, euklidisches Universum

 

 M

10 ^ 4



 _rad ^{ tot      M}

 ?

 _tot

4. Anisotropie

Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen:

Berechnung: Wellenlänge Grundschwingung sichtbar unter 1°

Annahme: flaches Universum, Winkelsumme im Dreieck 180°

t t

t c

z t

c t

c

z

rek rek

heute Grund





 







 

 

 

 



 

2 3

) 1 1100 (

2 3

) 1

) ( 1

2 ( tan 2

0 0

0





) 1 ( z

Grund





c 0

t _heute







 1

4. Anisotropie

Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen:

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



geschlossen

offen

flach

[17]

4. Anisotropie

Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen:

Flaches Universum →

Aus Supernovaedaten: Expansionsbeschleunigung des Universums →

 1

 _tot

M

M tot

























1 1

b M

a   



 _

4. Anisotropie

Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen:

Genaue Bestimmung der Dichte der Dunklen Energie & der Materiedichte!

Materie ≈ 30% der Energie

Dunkle Energie ≈ 70 % der Energie

 M





 _ 1 b M

a   



 _

2. Akustischer Peak

1. Akustischer Peak

3. Akustischer Peak

2. Akustischer Peak

[25]

4. Anisotropie

Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen:

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

Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen:

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

[28]

4. Anisotropie

Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen:

• 1. Oberschwingung & gerade Peaks: Gravitation dämpft

akustische Oszillation, destruktive Überlagerung

4. Anisotropie

Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen:

• Baryonen haben vernachlässigbare Masse:

→ symmetrische Schwingung um Nulllage

[34]

4. Anisotropie

Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen:

• Mehr Baryonen im Plasma:

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

→ stärkere Kompression des Plasmas in Potentialtöpfen

→ asymmetrische Schwingung

→ Peaks „Verdichtung“ > Peaks „Auseinanderdrücken“

4. Anisotropie

Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen:

• 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

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,

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]

5. Messung

• COBE = Cosmic Background Explorer

 NASA, 1989-1993

 Zeigte das Spektrum CMB

= Schwarzkörperspektrum mit

[19]

K

T  ( 2 , 725  0 , 002 )

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]

10 9

) 12 , 0 73 , 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]

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

5 K 10 ^ K

T _heute  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 [17]: http://wmap.gsfc.nasa.gov/media/990006/index.html

Abbildungsverzeichnis & Quellen Abbildungsverzeichnis:

[19]: http://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe/cobe_image_table.cfm [20]: http://wmap.gsfc.nasa.gov/media/990166/index.html

[21]: http://wmap.gsfc.nasa.gov/media/101082/index.html [22]: http://wmap.gsfc.nasa.gov/media/990387/index.html

[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/

[26]: http://wmap.gsfc.nasa.gov/media/101080/index.html

[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

[31]: http://wmap.gsfc.nasa.gov/media/990528/index.html

[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

Abbildungsverzeichnis & Quellen 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