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KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft Anna Weigel Der Urknall und seine Teilchen.

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Präsentation zum Thema: "KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft Anna Weigel Der Urknall und seine Teilchen."—  Präsentation transkript:

1 KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft Anna Weigel Der Urknall und seine Teilchen Kosmische Hintergrundstrahlung Ein Blick in die Vergangenheit [1]

2 2/ Überblick 1.Einführung 2.Geschichte & Entdeckung 3.Mathematische Beschreibung 4.Anisotropie 5.Messung 6.Zusammenfassung Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

3 3/ Einführung Was ist kosmische Hintergrundstrahlung? Strahlung im Mikrowellenbereich entstand bei der Rekombination, Jahre nach dem Urknall CMB = Cosmic Microwave Background Schwarzkörperstrahlung Anisotropien in Größenordnung Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [26]

4 4/ Einführung Darstellung des CMB: Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [16]

5 5/ 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 Jahre nach Urknall: Übergang zum Materiedominierten Universum Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [36]

6 6/ Einführung Wie kam es zur Rekombination? Weitere Expansion: Energie der Photonen sinkt weiter Etwa Jahre nach Urknall: Rekombination Bildung von Wasserstoff Weitere Jahre: Alle Protonen & Elektronen gebunden durchsichtiges Universum Vollständige Entkopplung von Strahlung & Materie Strahlung & Materie im thermodynamischen Gleichgewicht Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [9]

7 7/ Einführung Wolkenanalogon: CMB: Protonen & Elektronen: undurchsichtig für Photonen Wasserstoff durchsichtig für Photonen Analog: Wolkendecke Wasserstropfen reflektieren Licht Wasserdampf durchsichtig für Licht Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [2]

8 8/ Geschichte & Entdeckung George Gamow, Ralph Alpher, 1946: Vorhersage des CMB Berechnete Temperatur: 3-10K Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel Georg Gamow, [3]

9 9/ 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 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel Robert Dicke, [4] Arno Penzias & Robert Wilson, [5]

10 10/ Geschichte & Entdeckung Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel Die einen sagten sie voraus, die anderen suchten sie und die dritten wussten nichts von beiden und fanden sie. Licht vom Rande der Welt, Rudolf Kippenhahn [6]

11 11/ Geschichte & Entdeckung Weitere erdgebundene Messungen Problem: Atmosphäre Erste Messung von Anisotropien 1989: NASA startet COBE Planck-Verteilung Projektleiter: John Mather & George Smoot Nobelpreis : NASA startet WMAP 2009: ESA startet PLANCK Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel George Smoot, [8] John Mather, [7]

12 12/ Mathematische Beschreibung Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel TheoretischExperimentell [10] [11]

13 13/ Mathematische Beschreibung Schwarzer Körper Planksches Strahlungsgesetz: Energiedichte: Temperatur T abhängig von der Größe des Universums: Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

14 14/ Mathematische Beschreibung Schwarzer Körper Planksches Strahlungsgesetz: Temperatur abhängig vom Skalenfaktor S: mit Energiedichte: mit: Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

15 15/ 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 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

16 16/ Mathematische Beschreibung Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel Maximum Wiensches Verschiebungsgesetz: Messe Intensitätsverteilung des CMB Suche Maximum Temperatur der Strahlung z.B.: Sonne:

17 17/ Mathematische Beschreibung Entwicklung nach Kugelflächenfunktionen: l = 0 : Monopolterm keine weitere Bedeutung l = 1 : Dipolterm Dipolanisotropie l 2 : Quadrupolterm & höher intrinsische Anisotropie Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

18 18/ Anisotropie Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel 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

19 19/ Anisotropie Dipolanisotropie: dominant auf großen Skalen Entwicklung nach Kugelflächenfunktionen: Dipolterm, l = 1 Dopplereffekt durch unsere Relativbewegung zum Mikrowellenhintergrund Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [12]

20 20/ Anisotropie Leistungsspektrum: Temperaturfluktuationen T in Abhängigkeit von ihrer Winkelgröße Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [25] Großwinklige intrinsische AnisotropieKleinwinklige intrinsische Anisotropie

21 21/ Anisotropie Anisotropie auf großen Winkelskalen: Zur Zeit der Rekombination: keine Wechselwirkung zwischen Teilchen außerhalb des Ereignis- horizonts Aber beobachtbar: Temperaturdifferenz durch Sachs- Wolfe-Effekt Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [13]

22 22/ 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 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [25] Sachs-Wolfe-Plateau

23 23/ 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 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [27]

24 24/ 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 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [14]

25 25/ 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 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

26 26/ 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 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

27 27/ 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 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [15]

28 28/ 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: tot >1 geschlossenes, sphärisches Universum tot <1 offenes, hyperbolisches Universum tot =1 flaches, euklidisches Universum Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

29 29/ Anisotropie Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: Berechnung: Wellenlänge Grundschwingung sichtbar unter 1° Annahme: flaches Universum, Winkelsumme im Dreieck 180° Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

30 30/ Anisotropie Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: Messung: 1.Peak bei 1° flaches Universum Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel geschlossen offen flach [17]

31 31/ Anisotropie Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: Flaches Universum Aus Supernovaedaten: Expansionsbeschleunigung des Universums Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

32 32/ Anisotropie Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel Genaue Bestimmung der Dichte der Dunklen Energie & der Materiedichte! Materie 30% der Energie Dunkle Energie 70 % der Energie [37] [29]

33 33/ 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 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

34 34/ Anisotropie Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: Grundschwingung & ungerade Peaks: Gravitation & akustische Oszillation verstärken sich, konstruktive Überlagerung Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [28]

35 35/ Anisotropie Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: 1. Oberschwingung & gerade Peaks: Gravitation dämpft akustische Oszillation, destruktive Überlagerung Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [28]

36 36/ Anisotropie Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: Baryonen haben vernachlässigbare Masse: symmetrische Schwingung um Nulllage Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [34]

37 37/ 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 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [34]

38 38/ Anisotropie Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: Im Leistungsspektrum: Auftragung des Betrags des Temperaturunterschieds 1. & 3. Peak > 2. Peak Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [34]

39 39/ 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 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel Exponentielle Dämpfung [30]

40 40/ 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 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [33]

41 41/ Anisotropie Leistungsspektrum: Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel Sachs-Wolfe-Plateau Indiz: Dunkle Energie 1. Akustischer Peak flaches Universum 2. & 3. Akustischer Peak Materiedichte Silk- Dämpfung Überprüfung [30]

42 42/ Messung Erdgebundene Messungen: z.B.: CBI ( = Cosmic Background Imager) : Chile, Ballonexperimente: z.B.: BOOMERanG ( = Balloon Observations Of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics) : Südpol, Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel CBI, [17] BOOMERanG, [18]

43 43/ Messung Überblick: Satelliten: COBE ( = Cosmic Background Explorer) NASA, WMAP ( = Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) NASA, PLANCK: ESA, /2012 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [20] [21] [32]

44 44/ Messung COBE = Cosmic Background Explorer NASA, Zeigte das Spektrum CMB = Schwarzkörperspektrum mit Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [19]

45 45/ 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) Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

46 46/ Messung WMAP = Wilkinson Microwave Anisotropy Probe NASA, Auflösung etwa 13 = 0,22° Alter des Universums: Jahre Energieverteilung im Universum: 4,6% Baryonen 23,3% Dunkle Materie 72,1% Dunkle Energie Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [22]

47 47/ 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 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [31]

48 48/ Messung PLANCK ESA, /2012 Auflösung 5 = 0,08° Hauptbestandteile: LFI ( = Low Frequency Instrument) Mikrowellenbereich HFI ( = High Frequency Instrument) Radiowellenbereich Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [23]

49 49/ [29] 6. Zusammenfassung CMB entstand etwa 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 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

50 50/ Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

51 51/ Abbildungsverzeichnis & Quellen Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel Abbildungsverzeichnis: [1]: [2]: [3]: [4]: [5]: [6]: [7]: [8]: [9]: [10]: [11]: https://www.wiki.ed.ac.uk/download/attachments/ /image001.gif [12]: [13]: [14]: [15]: [16]: [17]: [18]:

52 52/ Abbildungsverzeichnis & Quellen Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel Abbildungsverzeichnis: [19]: [20]: [21]: [22]: [23]: [24]: [25]: [26]: [27]: [28]: [29]: [30]: [31]: [32]: [33]: [34]: [35]: [36]: Skript Einführung in die Kosmologie, Prof. Dr. W. de Boer, Juni 2004, S.56 [37]:

53 53/ Abbildungsverzeichnis & Quellen Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel Quellen: 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 Skript Einführung in die Kosmologie, Prof. Dr. W. de Boer, Juni 2004


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