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Die kosmische Hintergrundstrahlung Moritz Seyfried.

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Präsentation zum Thema: "Die kosmische Hintergrundstrahlung Moritz Seyfried."—  Präsentation transkript:

1 Die kosmische Hintergrundstrahlung Moritz Seyfried

2 Inhaltsübersicht Chronologie der Entdeckung Ursprung der CMB Verschiedene Messmöglichkeiten/ Messungen Betrachtung der Messergebnisse Folgerungen aus der CMB

3 1946: Big-Bang Modell von Gamov - Universum entstand aus Singularität - Anfangs extrem hohe Dichte und Druck Kernreaktionen waren möglich George Gamov

4 1948: Alpher, Bethte, Gamov können über die Big-Bang Theorie die Häufigkeit von Helium im Universum erklären Ralph Alpher Hans Bethe

5 1948: Alpher, Herman berechnen eine 5K Hintergrundstrahlung Robert Dicke 1964: Dicke + Peebles berechnen eine 10K Hintergrundstrahlung Robert Herman

6 Alternative: Steady-State Theorie 1946: Bondi, Gold, Hoyle suchten Alternative zu Big- Bang

7 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

8 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 Universum nicht klären

9 Entdeckung der CMB

10 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

11 Ursprung der CMB

12 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.

13 Plancksche Strahlungsformel: Beschreibt Energiedichte und em. Strahlung eines schwarzen Körpers in Abhängigkeit von der Frequenz v und der GG- Temperatur T: Da Schwarzkörperstrahlung nur von T abhängt, genügt eine Messung Um das Spektrum zu extrapolieren

14 Wiensches Verschiebungsgesetz Für die Wellenlänge der max. Strahlung eines schwarzen Körpers gilt: Folgt direkt aus dem Planckschen Strahlungsgesetz.

15 Wiensches Verschiebungsgesetz Für die Wellenlänge der max. Strahlung eines schwarzen Körpers gilt: z.B. Sonne: Folgt direkt aus dem Planckschen Strahlungsgesetz.

16 Ursprung der CMB Nach dem Big-Bang: sehr hohe Temperaturen + große Dichte Sehr gutes thermodyn.GG Durch Ausdehnung sink Temperatur 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

17 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.

18 Materiedominiert: R=Skalenfaktor, Jahre Vergrößerung des Universums: Zeitpunkt der Rekombination:

19 Messungen der CMB Ab 1965: Erdantennen, CBI in Anden Ballonexperimente, Boomerang + Maxima Satelliten: : IRAS, Infrared Astronomical Satellit : RELIKT, Winkelauflösung 5,5° Temperaturauflösung 0,6 mK Dipolanisotropie : COBE, Cosmic Background Explorer : (W)MAP, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe

20 Erdgebundene Messungen Einfachste Art der Messung (Penzias, Wilson) Problem: Absorption durch Atmosphäre Lösung: Ballonexperimente in der oberen Atmosphäre

21 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

22 Ergebnisse von COBE Perfekte Homogenität bei grober Auflösung COBE machte die Dipolanisotropie sichtbar: Subtraktion der Dipolanisotropie liefert noch genaueres Bild

23 DMR FIRAS

24 Über die gemessenen Temperaturdifferenzen kann die Relativ- geschwindigkeit der Erde berechnet werden: Für erhält man Umstellen obiger Formel: Berücksichtigung der bekannten Bewegungen von Sonne und Milchstraße liefert:

25 WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) Seit 2001 im L2-Punkt

26 WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) Seit 2001 im L2-Punkt Lagrangepunkte

27 WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) Seit 2001 im L2-Punkt Äquipotentialflächen Lagrangepunkte

28 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

29 Powerspektrum

30 Vergleich COBE/WMAP WMAP hatte: -45x Temperturauflösung -33x Winkelauflösung Von COBE Abweichungen von Millionstel Grad wurden gemessen

31 Historische Entwicklung

32 Ergebnisse Sonic Horizon: Mit und Sowie t=13,7 Milliarden Jahre und z = 1100

33 Ergebnisse Universum ist in sehr guter Näherung flach mit Tendenz zu offen Es gilt also:

34 Zusammensetzung der Materie Gravitationskonstante: 0,73 Materie: 0,27 (dunkle+baryonische)

35 Zusammensetzung der Materie Aus Theorie: Veränderung der bar. Masse verändert das Powerspektrum

36 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: 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 isotropen, homogenen Weltenmodelle

37 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.

38 Zukünftige Möglichkeiten Planck Surveyor (2007): - Exaktere Messung der Anisotropie - Polarisationsmessung Damit evtl. Überprüfung der Stringtheorie (?) Computersimulationen an Hochleistungsrechnern

39 Liertaturangaben Homepage von Wayne Hu: Carroll, Ostlie: An Introduction to Modern Astrophysics Bergström, Goobar: Cosmology and Particle Astrophysics Kutner: Astronomy Wim de Boer, Einführung in die Kosmologie (Skript)


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