RC Bregenz; 22. April 2014 Amand Fäßler Können wir den Urknall heute noch sehen?

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1 RC Bregenz; 22. April 2014 Amand Fäßler Können wir den Urknall heute noch sehen?

2 Penzias und Wilson; Bell-Telephon Nobel-Preis 1978 Die Frequenzabhängikeit folgt extrem exakt derPlanck‘schen Schwarz-Körperstrahlung T = 2.7255(6) Kelvin in allen Richtungen.

3 Planck Satellit Temperatur-Fluktuationen Kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (March 21. 2013)

4 4 Keine Krümmung des Universums. Das Universum ist flach. xxx Wir können die wahre Größe dieser Flecken berechnen.

5 Black body radiation. Temperature adjusted (pdg 2012): T=2.7255(6) K Experiment Microwave Background Radiation T = 2.7255(6) Kelvin

6 Helligkeitsvertlg als Fkt Rotversch. m B = d 2 ~  2 ; (H = const) d = v/H(Zeit) ~ (  /  H(Zeit) m B = 1/Helligkeit = d 2 v = H(Zeit) d Magnitude

7 Urknall = Big Bang Skalenfaktor a(t) Zeit Heute Abstände ( Zeit) Hubble Gesetz: v = H(Zeit) d d = v/H(Zeit) Anstieg der Geraden = H(heute) = 70[km/(sec Mpc)] Wert zeitabhängig

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9 Fingerabdruck des Urknall in der Kosmischen Hintergrundstrahlung. Nachweis der Gravitationswellen des Urknalls Am 18. März 2014 hat die BICEP2-Kollaboration (USA und Kanada) folgenden Artikel im „ArXiv“ veröffentlicht. B ICEP 2: “ DETECTION OF B-mode POLARIZATION AT DEGREE ANGULAR SCALES”

10 Was sind Gravitationswellen? Eiförmige zu diskusförmige Schwingungen des Raumes nicht im Raum.

11 Gravitationswellen von Doppelstern Hulse (Doktorand) und Taylor (Professor ), Nobelpreis 1993

12 Gravitationswellendetektor als Michelson-Interferometer mit zwei senkrechten Armen von mehreren Kilometern

13 Antennen für Gravitationswellen

14 DAS LISA-Projekt: Drei Satteliten umkreisen die Sonne; 5 Millionen km entfernt von einander. Größtes Michelson Interferometer. Sensitiv auf Gravitations- wellen vom Urknall

15 Gravitationswellen sind tröpfchenförmige Schwingungen (eiförmig zu Diskus und zurück) des Raumes und nicht im Raum. South-Pole Teleskop

16 Fingerabdruck des Urknall in der Kosmischen Hintergrundstrahlung. Nachweis der Gravitationswellen des Urknalls Am 18. März 2014 hat die BICEP2-Kollaboration (im Wesentlichen Havard/Boston) folgenden Artikel im „ArXiv“ veröffentlicht. Gab aber noch vorher die Meldung an die Presse. Die Veröffentlichung hat den harmlos klingenden Titel: B ICEP 2: “ DETECTION OF B-mode POLARIZATION AT DEGREE ANGULAR SCALES”

17 Gravitationswellen verzerren den Raum und ändern damit die Fluktuation der Kosmischen Mikrowellen-Hintergrund-Strahlung Sehwinkel Auge

18 Resultate von Bicep2 am Südpol Flutuation der Licht- (Mikrowellen-) Intensität bei 150 Giga-Herz Untere rot gestrichelte Kurve: Fluktuation durch Gravitationswellen Fluktuation des Lichtes (Mkrowellen) durch Mikro-Lensing Obere gestrichelte rot Kurve: Fluktuation durch Gravitationswellen und Mikro-Lensing. Klappmesser-Test Daten

19 Polarisation der Mikrowellenstrahlung Licht = Mikrowellen: Spin = ½ Bei Streuung: ½ + ½ maximal = 1 Dipolstrahlung Skibrille nutzt dies. Gravitonen: Spin = 2; auch Tensor = Quadrupol- Polarisation möglich. r = (Tensor/Skalare)-Polarisation = 0.2 Mit Mikro-Lensing r = 0.1

20 Probleme: Meßwerte zu hoch. Bei 150 Giga-Herz gesehen von Bicep2. Warum nicht bei 100 Giga-Herz durch Bicep1. ( 50 Giga-Herz Mikrowellen-Herd) Ein ähnliches Signal der Fluktuationen „ell“ = 50 bis 110 und auch der Tensor-Polarisation r kann auch im Vordergrund durch Mikro-Lensing (doch bei höheren „ell“ = kleineren –Sehwinkeln), durch Staub oder andere Streuung der Mikrowellenstrahlung erzeugt werden.

21 Bildung der leichten Atomkerne im Urknall ~ Eine Minute nach dem Urknall Man beobachtet in alten Sternen 75 % Wasserstoff (Protonen) 25 % Heliumatome (Kern:  Teilchen) ( zwei Protonen und zwei Neutronen ).

22 1  300 Sekunden nach Urknall: 20  1 Milliarde Grad;  Kerne Bei 0,1 MeV hat man mehr Protonen. Zahl(Protonen) : Zahl( Neutronen) = 7 : 1 20  1 Milliarde Grad (2 MeV  0,1 MeV): Bildung von Deuterium (pn) -> Helium(2p, 2n) Elektronen + Protonen  Neutronen + Neutrinos

23 Massen-Häufigkeit der leichten Elemente nach dem Urknall Wasserstoff (p) ~ 0,75 Helium4 (ppnn) ~ 0,25 Deuterium (pn) ~ 0,00004 Helium3 (ppn) ~ 0,00001 Lithium7 ~ 0,0000000003

24 Anteil der leichten Kerne nach Urknallsynthese als Funktion der heutigen Dichte 5*10 -10 der Nukleonen zu den Photonen. Protonen+Neutronen +Atomkerne bilden 4% der gesamten Energiedichte. = 0.5  b

25 The relative number abundance of the light nuclei formed in the big bang allows to determine the absolute baryon density and relative to the critical density (flat universe).  Baryon =  Baryon /  critical = 0.02h -2 = 0.04 n B = 0.22 m -3 e B = 210 MeV/m -3 h = 0.71 h 2 = 0.5 Hubble-Konstant= H = 100 h [km/(sec Mpc)]  B h 2 = 0.02 h = 0.71

26 Universe Expansion rate: H=(da/dt)/a  Interaction rate:  n e-e+

27 Entkopplung der Neutrinos von der Materie (Elektronen)

28 Neutrino- Entkopplung   Neutrino-Raktionen  /H(Ausdehnung des Universums) = ( T/ 1MeV) 3 ~ 1 T(Neutrinos) decoupl ~ 1MeV ~ 10 10 Kelvin; Heute: 1.95 K Zeit nach dem Urknall: 1 Sekunde T(Photonen = Licht) Entkopplung = 3000 Kelvin; Heute: 2.7255 K Time(Photonen) Entkopplung = 380 000 Jahre nach UK

29 Neutrino Decoupling   /H = ( k B T/ 1MeV) 3 ~ 1 T(Neutrinos) decoupl ~ 1MeV ~ 10 10 Kelvin; today: 1.95 K Time after Big Bang: 1 Second T(Photons) decoupling = 3000 Kelvin; today: 2.7255 K Time(Photons) decoupling = 380 000 years Below T = 1 MeV:

30 (Energy=Mass)-Density of the Universe log  a(t)~1/T Matter dominated:  ~ 1/a 3 ~ T 3 Dark Energy 1/Temp 1 MeV ~1sec  dec. 1 eV 5x10 4 y today 3000 K 380 000 y  dec. 8x10 9 y  2.7255 K 1.95 K

31 (Energie=Massen)-Dichte des Universums log  a(t)~1/T Materie-dominiert:  ~ 1/a 3 ~ T 3 Dunkle Energie 1/Temp 1 MeV ~1sec  Entk. 1 eV 5x10 4 y Heute 3000 K 380 000 y  Entk. 8x10 9 y  2.7255 K 1.95 K Schritte Faktoren 10

32 Neutrino-Einfang: (Hintergrund Neutrinos) + 3 H  3 He + e - 20  g(eff) Tritium  2x10 18 T 2 -Moleküle: N Einfang(KATRIN) = 1.7x10 -6 n e / [Jahr -1 ] Alle 590 000 Jahre ein Ereignis! für = 56 cm -3

33 Neutrino-Capture: (relic) + 3 H  3 He + e - 20  g(eff) of Tritium  2x10 18 T 2 -Molecules: N capture(KATRIN) = 1.7x10 -6 n e / [year -1 ] Every 590 000 years a count! for = 56 cm -3

34 Hoffnung: Zahl der Neutrino-Einfänge bei der mittleren Dichte von n e   Elektron-Neutrinos/cm 3 ] KATRIN: 1 Ereignis in in 590 000 Jahren. Gravitatationsanziehung der Kosmischen Hintergrund-Neutrinos in unsere Galaxie. Probleme:

35 Überdichte der Neutrinos die gleiche wie für die Protonen Gravitative Verdichtung auf der Skala unserer Galaxie: n / = n b / ~ 10 6 ; (R = 30 kpc) N Einfänge(KATRIN) = 1.7x10 -6 n / (year -1 ) = 1.7 [Ereignisse = Einfänge pro Jahr] Effective Tritium Source: 20 microgram  2 milligram N capture(KATRIN*) = 1.7x10 -4 n / (year -1 )= 170 [counts/year];

36 Wie blicken wir zurück zum Urknall? Bis 380 000 Jahre nach dem Urknall mit den Kosmischen Hintergund-Photonen. Universum flach. Fingerabdruck der Gravitationswellen des Urknalls. Bis eine Sekunde nach dem Urknall mit den Kosmischen Hintergrund-Neutrinos. Wieviele Neutrinos gibt es in der Milchstrasse. Bis in den Urknall 10 -31 Sekunden mit Gravitationswellen. ENDE