Einteilung der VL Einführung Hubblesche Gesetz Antigravitation

Präsentation zum Thema: "Einteilung der VL Einführung Hubblesche Gesetz Antigravitation"—  Präsentation transkript:

1 Einteilung der VL Einführung Hubblesche Gesetz Antigravitation
Entwicklung des Universums Temperaturentwicklung Kosmische Hintergrundstrahlung CMB kombiniert mit SN1a Strukturbildung Neutrinos Grand Unified Theories -13 Suche nach DM HEUTE

2 Vorlesung 7 Roter Faden: Cosmic Microwave Background radiation (CMB)
Akustische Peaks

3 Entstehung der 3K kosmischen Hintergrundstrahlung
Cosmic Microwave Background (CMB))

4 Last Scattering Surface (LSS)

5 Das elektromagnetische Spektrum

6 Entdeckung der CMB von Penzias und Wilson in 1965

7 Penzias and Wilson found isotropic noise in antenna.
Dicke et al. told them, this is the CMB!

8 Princeton group from Dicke looked for CMB
Although these authors had the idea, Penzias and Wilson got the Nobel prize!

9 The COBE satellite: first precision CMB experiment

10 Kosmische Hintergrundstrahlung gemessen mit dem COBE Satelliten (1991)
Mather(left) (NASA), Smoot (LBL, Berkeley) Nobelpreis 2006 T = ± K  Dichte der Photonen 412 pro cm3 Wellenlänge der Photonen ca. 1,5 mm, so dichteste Packung ca. (10 mm / 1.5 mm)3 = ca. 300/cm3, so 400 sind viele Photonen/cm3

11 CMB Anisotropie (Temp. Fluktuationen)
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.

12 Dipol-Anisotropie Da die Erde sich durch den CMB bewegt, erwartet man eine Rotverschiebung für die Photonen, die „von hinten“ kommen und eine Blauverschiebung der Photonen, die uns entgegenkommen. Daher erwartet man eine „Dipol-Anisotropie“ mit einer Temperaturdifferenz von ΔT/T = 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 zusätzliche Temperaturschwankungen auf kleine Skalen erwartet in der Größenordnung 10-2 – 10-4, aber diese wurden nicht gefunden. Nachdem DM berücksichtigt wurde, erwartete man ΔT/T = Dies konnte später nur mit Satelliten nachgewiesen werden.

13 Temperatur-Fluktuationen = Dichtefluktuationen WMAP vs COBE
45 times sensitivity WMAP ΔT/T200uK/2.7K

14 Blick von Satellit ins Universum Blick von Satellit auf die Erde
Dichtefluktuationen zeigen Wellencharakter, sowohl im Ozean als in der CMB Blick von Satellit ins Universum Blick von Satellit auf die Erde WMAP

15 Entwicklung der Dichtefluktuationen im Universum
-DT / T ~ Dr / r Man kann die Dichtefluktuationen im frühen Univ. als Temp.-Fluktuationen der CMB beobachten!

16 -DT / T ~ Dr / r Frage: Warum Vorzeichen zwischen Temperaturfluktuationen und Druck NEGATIV? Erwarte: erhöhte Druck entspricht erhöhte Temperatur! Antwort: es ist die DM, die zum Zeitpunkt der Entstehung der CMB schon tiefe Töpfe im Gravitationspotential gebildet hat. Dadurch müssen Photonen aus diesen Töpfe „klettern“ und verlieren dabei Energie. Dadurch dreht sich das Vorzeichen um, weil die erhöhte Temperatur im Potentialtopf wird durch die „gravitative Rotverschiebung“ überkompensiert. Resultat: Temperaturanisotropie VIEL kleiner als erwartet ohne DM! Daher so extrem schwierig zu beobachten.

17 WMAP: ein Fernsehschüssel zur Beobachtung des frühen Universums
©NASA Science Team WMAP: 1,5 Millionen km von der Erde entfernt (3 Monate Reisezeit, Beobachtung täglich seit 2001)

18 WMAP Orbit

19 WMAP spinning to cover full sky

20 Himmelsabdeckung

21 WMAP Elektronik HEMT= High Electron Mobility Transistors (100 GHz)

22 Rotationally excited CN
The first observations of the CMB were made by McKellar using interstellar molecules in 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 To = / K at a wavelength of 2.64 mm ( Roth, Meyer & Hawkins 1993).

23 Warum ist die CMB so wichtig in der Kosmologie?
Die CMB beweist, dass das Universum früher heiß war und das die Temperaturentwicklung verstanden ist b) Alle Wellenlängen ab einer bestimmten Länge (=oberhalb der akustischen Wellenlängen) kommen alle gleich stark vor, wie von der Inflation vorhergesagt (bei VL über Infation mehr). c) Kleine Wellenlängen (akustische Wellen) zeigen ein sehr spezifisches Leistungsspektrum der akustischen Wellen im frühen Universum.

24 Warum gibt es akustische Wellen im frühen Universum?
Definiere: δ=Δρ/ρ FP F=ma Newton: F=ma oder (FG-FP) = m a oder FG δ`` = k δ with k>0 für FG>FP Lösung: Druck gering: δ=aebt , d.h. exponentielle Zunahme von δ (->Gravitationskollaps) Oder: δ`` = k δ with k<0 für FG<FP Lösung: : δ=aeibt , d.h. Oszillation von δ (akustische Welle) Rücktreibende Kraft: Gravitation Antreibende Kraft: Photonendruck

25 Mathematisches Modell
Photonen, Elektronen, Baryonen wegen der starken Kopplung wie eine Flüssigkeit behandelt → ρ, v, p Dunkle Materie dominiert das durch die Dichtefluktuationen hervorgerufene Gravitationspotential Φ δρ/δt+(ρv)= (Kontinuitätsgleichung = Masse-Erhaltung)) v+(v∙)v = -(Φ+p/ρ) (Euler Gleichung = Impulserhaltung) ² Φ = 4πGρ (Poissongleichung = klassische Gravitation) erst nach Überholen durch den akustischen Horizont Hs= csH-1 , (cs = Schallgeschwindigkeit) können die ersten beiden Gleichungen verwendet werden Lösung kann numerisch oder mit Vereinfachungen analytisch bestimmt werden und entspricht grob einem gedämpftem harmonischen Oszillator mit einer antreibenden Kraft Tiefe des Potentialtopfs be- stimmt durch dunkle Materie

26 Die ersten akustischen Wellen des Urknalls
Verdünnung Verdichtung kälter heißer Gas wird durch Gebiete mit Überdichte angezogen Verdünnung Verdichtung kälter heißer b) Es expandiert nach Kompression durch Überhitzung c) Es komprimiert wieder nach Abkühlung  Diese oszillierende Dichteschwankungen SIND akustische Wellen

27 t=trec t=1/2trec t=1/2trec t=1/3trec Akustische Peaks im Detail
1. akust. Peak Druck und Grav. in Phase t=trec Druck und Grav. in Gegenphase t=1/2trec t=1/2trec 2. akust. Peak Druck und Grav. in Phase t=1/3trec 3. akust. Peak

28 Akustische Wellen im frühen Universum
Überdichten am Anfang: Inflation

29 Druck der akust. Welle und Gravitation verstärken die
Temperaturschwankungen in der Grundwelle (im ersten Peak)

30 Druck der akust. Welle und Gravitation wirken
gegeneinander in der Oberwelle ( im zweiten Peak)

31 Akustische Wellen SIND Dichteschwankungen
Modern Flute

32 Klang des Urknalls nach 380
Klang des Urknalls nach Jahren (transponiert um 50 Oktaven nach oben) Beachte: am Anfang gab es keinen Knall, sondern absolute Ruhe! akustisch nicht-akustisch A 220 Hz Frequenz (in Hz)

33 Universum 400,000 light years Warum sind Töne des Urknalls so tief?
WEIL DAS UNIVERSUM SO GROß IST! Universum 400,000 light years Pan Flöte Orgel ©Mark Whittle ©Mark Whittle Beachte:am Anfang gab es keinen Knall, sondern absolute Ruhe! Dann fing es an zu Grummeln wie es aus der Strahlung des frühen Universums ersichtlich wurde. Spiele Grummeln 50 Oktave höher ab, damit es hörbar wird

34 Das Universum war am Anfang unglaublich heiss
Schlussfolgerungen aus der kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB=Cosmic Microwave background) Das Universum war am Anfang unglaublich heiss (wegen der hohen Intensität der heutigen CMB: 400 Photonen/cm3) Die Temperatur ist nicht perfekt isotrop, sondern zeigt Anisotropien mit Temperaturfluktuationen von einigen Mikrokelvin (und eine Dipolanistropie von einigen mK). Die Mikro-Kelvin Fluktuationen auf kleinen Skalen entsprechen akustische Wellen des frühen Universum. Daraus wissen wir, wie der Urknall “geklungen” hat!