Neue Experimente zur kosmischen Hintergrundstrahlung Alexander Linn 23.06.2003

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21.01.22 Alexander Linn 1

Neue Experimente zur kosmischen Hintergrundstrahlung

Alexander Linn 23.06.2003

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- Entstehung der kosmischen Hintergrundstrahlung - Erste Vorhersagen und frühe Experimente

- Ursprung der Temperaturoszillationen und Bedeutung des ersten Peaks

- Moderne Experimente zur kosmischen Hintergrundstrahlung

- Ausblick

- Zusammenfassung

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CBR-Heute frühst möglicher

beobachtbarer Zeitpunkt des Universums!!!

Entstehung der Kosmischen Hintergrundstrahlung (CBR)

- Nach ca. 300.000 Jahren Universum soweit abgekühlt das Elektronen und

Protonen Wasserstoff- atome bilden können

- Urknall: sehr heißes und dichtes Universum

- Bei Vernichtung von Materie und Antimaterie entstehen Photonen - Durch Expansion

Verringerung der Dichte und Temperatur

Universum nun „durch- sichtig“ für Photonen

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- Erste Vorhersage über Existenz der CBR 1948 von Gamow und 1950 von Alpher/Herman:

- erste (zufällige)

Entdeckung 1965 durch Penzias und Wilson mit ihrer Hornantenne als nicht erwartets Rauschen - Nobelpreis für Physik 1978

- Universum verhält sich wie ein schwarzer Köper

-Wegen der Expansion des Universums wurde eine Abkühlung der CBR auf ~3 K vorhergesagt

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Erste Vorhersagen und frühe Experimente: Penzias und Wilson - Messergebnisse von Penzias/Wilson 1967:

- Strahlung ist die eines schwarzen Körpers

- Isotropie der Temperatur

< 0,1 K

- Bestätigung der Urknalltheorie

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- COBE: Cosmic Background Explorer - Start November 1989 von der NASA - Drei Experimente zu Untersuchung der Hintergrundstrahlung mit bisher nicht da gewesener Präzision: DMR, FIRAS und DIRBE

- annähernd polare Umlaufbahn in 900 km Höhe entlang des Terminators

(Tag- Nachtgrenze) der Erde - Rotation mit 0,8 Hz

- Sichtrichtung der Experimente immer ca. 90° zur Sonne und 180° zur Erde um die Störstrahlung zu minimieren

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Erste Vorhersagen und frühe Experimente: Satellit COBE - FIRAS: far infrared absolet spectrophotometer

-Vergleicht Strahlspektrum von 100 m – 1 cm mit interner Schwarzkörper

Referenzstrahlung - Sichtfeld von 7°

- Abweichungen von

Referenzstrahlung kann noch im K gemessen werden

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- Sehr gute Übereinstimmung mit Strahlung eines schwarzen Körpers bei K

- Eindrucksvolle Bestätigung der Urknalltheorie die Absinken der Temperatur vorhersagt

004 , 0 728 ,

2 

Güte der COBE Messung:

Residuum der Messwerte zu theoretischem

Schwarzkörperspektrum mit T als einzig freiem Parameter

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Erste Vorhersagen und frühe Experimente: Satellit COBE - DIRBE: diffuse infrared background experiment

-Bestimmt absolute Helligkeit des Himmels im Bereich von 1-300

m bei 10 verschiedenen Wellenlängen

- misst die Infrarotstrahlung von nahen Quellen wie der

Milchstraße und interstellarem Staub

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-DIRBE Messung des beobachtbaren Himmels und Entfernung der Vordergrundstrahlung

Interstallarer Staub

Kalte (inner-) Galaktische Staubwolken

Infrarotstrahlung der Milchstraße und des

Sonnensystems

Resultierende CBR bei 240 m

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Erste Vorhersagen und frühe Experimente: Satellit COBE - DMR: Differential Microwave Radiometer

- DMR sucht nach kleinen Temperatur- differenzen zwischen jeweils zwei

Punkten am Himmel

- Drei unterschiedliche Frequenzen: 31,5;

53 und 90 GHz

- Nach einjähriger Messung Temperatur- unterschiede T<10 K bei einer

Winkelauflösung von 7° darstellbar

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1)

2)

3) Beispiel für eine DMR Messung bei 53GHz:

1) Ursprüngliche Messung ohne Korrekturen:

Man erwartet Effekt von

wegen der Relativbewegung der Sonne um das Zentrum der Milchstraße zur CBR

2) Nach Korrektur auf Dipolstrahlung:

3) Nach Korrektur auf Galaktische Strahlung mit Hilfe der DIRBE-Daten

COBE zeigt nur Temperaturfluk-

tuationen im K-Bereich der 3 K CBR:

- Effekt ! ^-100K ^+100K

10 3

300 _

c  kms

10 6

3 ^ K 



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Ursprung der Temperaturoszillationen - Sind diese minimalen Dichtefluktuationen vorhersehbar ? - Bei einer vollkommen homogenen

Massenverteilung, keine Bildung von größeren Strukturen möglich, da sich alle Massen gleich anziehen

- Nur bei inhomogener Massenverteilung Bildung von großen Strukturen wie z.B.

Galaxien möglich

CBR darf nicht völlig isotrop sein, es müssen Fluktuationen existieren

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dadurch Bildung von

Strukturen wie Galaxien und Sternen erst möglich

Woher kommen diese Dichtefluktuationen ? - Ursprung durch Quanten-

fluktuationen im frühen Universum, diese wurden durch Inflation noch verstärkt

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Ursprung der Temperaturoszillationen

- Woher stammen die minimalen Schwankungen der Temperatur der CBR?

- Wegen der Gravitationskräfte ziehen sich die Massen an, so das Orte unterschiedlicher Materiedichte entstehen :

Niedrige Dichte Hohe Dichte

- Einstein sagt Krümmung des - Raumes durch Massen

voraus, Orte hoher

Massendichte führen zu ,,Tälern‘‘, Orte niedriger Massendichte zu ,,Bergen‘‘

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- Gravitation bewirkt eine Anziehung der Massen untereinander, Strahlungsdruck wirkt dieser entgegen:

Oszillationen der Massen

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Ursprung der Temperaturoszillationen

- Oszillationen führen bei großer Dichte zu wärmeren Gebieten, bei niedriger Dichte zu kühleren Gebieten:

Kalt Heiß

- Aufgrund der Quantenfluktuationen sind alle Wellenzahlen möglich

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- Oszillationen hörten mit Rekombination auf, da sich Photonen nun frei bewegen konnten

- Heutige Messungen der CBR also Momentaufnahmen der Oszillationen bei t = 300.000 a - im Mittel bei deren Maximum, weil die Aufenthalts-

wahrscheinlichkeit an den

Umkehrpunkten der Schwingung am größten ist

- natürlich findet man zufällige Verteilung der Schwingungs- moden, deswegen statistische Analyse notwendig

k=1

k=2 k=3

~ k

Theoretischer Verlauf des Energiespektrums der CBR

- Dazu bietet sich eine Entwicklung nach Multipolen (Kugelflächenfunktionen ) Y_l_,_m

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Ursprung der Temperaturoszillationen - Betrachtung mittels Multipolen l ~ k:

-Multipole entsprechen der Anzahl der vom Beobachter aus wahrge- genommenen Oszillationen

- je besser die Auflösung des Experimentes, zu desto hören Multipolen l gelangt man (l ~ 1/

Beobachter Heute

Oszillationen zu Beginn der Rekombinationsphase

1,5*10^10 a

- Position des ersten Peaks ist korreliert mit der Krümmung des Universums und Energiedichte  ( in vielen Theorien bevorzugter Wert)

- Warum korreliert eine Messung der Krümmung k mit der Energiedichte ?

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- Friedmann-Gleichung:

2 2 2

2

3 ) 8

( R

k c R G

t R

H  



















 

H Hubble –Parameter R Größe des Universums G Gravitationskonstante

 mittlere Energiedichte k Krümmung des Raumes (k = -1, 0, +1)

2 2( 1) 2

R k c H  



G H

c 

 8

3 ²



c

 



Kritische Dichte Dichteparameter

1 1  



 k

0 1 



 k

1 1 



 k

Offenes Universum Flaches Universum Geschlossenes Universum

Messung der Krümmung k korreliert mit Energiedichte 

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Bedeutung des ersten Peaks

- Position des ersten Peaks direkt abhängig von der Krümmung des Universums:

: offenes Universum

 = 1° : flaches Universum

> 1° : geschlossenes Universum

Zusammenhang zwischen Position des Peaks und der Energiedichte des Universums hergestellt!

1000

*

* 000 . 300 a c

5*1,

^110 a*0

c 20 1 200

50 1

* 10

* 150

* 10

* 3

8

8     

 mrad l

c a

c

 a



- falls also rutscht der Peak nach rechts hin zu größeren l und für 

rutscht der Peak nach links hin zu kleineren l

grobe Abschätzung!!!

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- BOOMERANG: Balloon Obseravtions Of Millimetric Extragalactic Radiation And Geophysics

- Auf Ballonflug basierende Messung der CBR - 1998 von der NASA in der Antarktis gestartet blieb BOOMERANG 10,5 Tage in der Luft und konnte während dieser Zeit 247 h Daten

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Neue Experimente: BOOMERANG

- Messungen der CBR bei 150 GHz mit vier Detektoren in einer Höhe von ca.

38Km

- Hauptspiegel mit 0,6 m Radius und zwei Refokussierungsspiegeln - Zwei unterschiedliche

Auswertungsmethoden der Daten:

MADCAP: Genauere Auswertungsmethode, die mehr Zeit in Anspruch nimmt und die best mögliche Fehler- betrachtung macht

FASTER: Sehr schnelle aber nicht ganz genaue Auswertungsmethode

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- Von BOOMERANG 1998 gemessenes Multipolspektrum bei einer Himmelsabdeckung von 2,9% (oben); systematische Fehler (unten):

- Erster Peak bei lässt auf nahezu flaches Universum schließen:

6

225^_5

 l

06 , 0

05 ,

01 0

, 1 ^_



_tot

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Neue Experimente: WMAP - WMAP: Wilkinson Microwave Anisotropy Probe

- NASA Satellit, startete 2001 - Bauweise ähnlich der COBE´s um Rauschen zu minimieren - Messungen bei fünf

verschiedenen Frequenzen:

22,8; 33,0; 40,7; 60,8 und bei 93,5 GHz

- Winkelauflösung von ~1°

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- Die CBR der WMAP Messungen nach einem Jahr nach Entfernung aller Störquellen und bekannten Fehler:

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Neue Experimente: WMAP - Multipolspektrum des gesamten Himmels:

Powerspektrum

- Bis jetzt genaueste

Lokalisierung des ersten Peaks bei - mit Hilfe des ersten Peaks ergibt sich die Energiedichte des Universums zu:

8 , 0 225

 l

10 546

 l

02 , 0 02 ,

1 



_tot

- Erste Lokalisierung des zweiten Peaks bei

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?

Der zweite Peak gibt Auskunft über den Anteil Baryonischer Materie des Universums _b

b



_

- 2. Peak: in 300.000 a eine

Kompression und eine Expansion

- Kompression abhängig von gesamter Materie  je mehr Materie, desto

größer der 1. Peak

- Expansion abhängig vom Anteil

sichtbarer Materie  2. Peak weniger stark ausgeprägt als 1. Peak da

- Photonen wechselwirken nur mit der Materie, solange ihre mittlere freie Weglänge kleiner als die Wellenlänge

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Neue Experimente: Vergleich BOOMERANG/WMAP

Mit Hilfe der Theorie zum inflationären Universum lassen sich außerdem noch einige wichtige Parameter abschätzen, hier eine Gegenüberstellung der

BOOMERANG und WMAP Ergebnisse des jeweils besten FIT der Daten:

BOOMERANG (2002) WMAP (2003)

  ka t

Ga t

H

dec Uni b m tot







Parameter

8 7

04 , 0

03 , 0

379

2 , 0 7 , 13

71 , 0

0076 ,

0

04 , 0 73 , 0

004 , 0 044 , 0

04 , 0 27 , 0

02 , 0 02 , 1















300 4 , 0 6 , 13

04 , 0 69 , 0

69 , 0

005 , 0 047 , 0

05 , 0 31 , 0

01 , 1

04 , 0

06 , 0

05 , 0

















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- Multipolspektrum, das durch die vorgestellten Experimente COBE, BOOMERANG und WMAP entstanden ist (und den Heutigen Stand der Forschung wiedergibt):

-- COBE

-- BOOMERANG -- WMAP

l

T inK

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Ausblick: Experimente

-Verfeinerung der bisherigen Ergebnisse (weitere BOOMERANG und WMAP Ergebnisse)

- Genauere Messungen der Peaks zwei und drei durch neue Experimente:

-ACBAR (Arcminute Cosmology Bolometer Array Receiver):

- Erdgebundenes Experiment in der Antarktis

- Messungen des Multipolspektrums auf vier Kanälen bei 150; 219; 274 und 345 GHz

- Messung des Multipolspektrums im Bereich zwischen l~200 und l~3000

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- Satellit PLANCK:

- Messungen des Multipolspektrums im Bereich von 100-850 GHz mittels zwei Experimenten

- LFI Low Frequent Instrument im Bereich von 30-100 GHz mit einer

Temperaturauflösung von 

HFI High Frequent Instrument im Bereich von 100-850 GHz mit einer

Temperaturauflösung von 5 K - Winkelauflösung von 10‘

- Damit Multipolspektrum im Bereich zwischen l~2 und l~1500 messbar - Start voraussichtlich 2007

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- Hintergrundstrahlung entspricht Strahlung eines Schwarzen Körpers bei T = K mit Schwankungen im K-Bereich

-Temperaturschwankungen sind Dichteunterschiede der Materie zu Beginn der Re- kombinationsphase

- Temperaturschwankungen geben Auskunft über Geometrie des Universums, heutige Messwerte legen nahezu flaches Universum nahe ( )

- Mit Hilfe der Hintergrundstrahlung viele kosmische Parameter mit hoher Präzision bestimmbar ( )

Zusammenfassung

02 , 0 02 ,

1 



_tot 004

, 0 728 ,

2 

Uni m

b t

H;_; ; ;

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?

 

m

l al mYlm n n

T

, , . ( )

) (

2 ,m l

l a

C 

2

1 ,

2

1 

 

m l m

sky

l a

C l

 2

) 1 ( 



 l l

C T_l _l^sky

Temperaturunterschiede durch Kugelflächenfunktionen darstellbar:

Dem Winkelabhängigen Energiespektrum entsprechen die Koeffizienten:

Für unseren Himmel beobachtet zu:

Damit nun Multipolentwicklung für die CBR: