Neutrinoseminar SS2005 Neutrinos und die kosmologische Strukturbildung Marc Ziegler 11.07.2005 Copyright, 1996 © Dale Carnegie & Associates, Inc.

Übersicht Grundlagen der Strukturbildung Einfluss der Neutrinos Messmethoden (WMAP, SDSS, 2dFGRS) Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick Schlusswort

Grundlagen der Strukturbildung Beschreibung der Raum-Zeit-Metrik durch Gravitationspotential erfüllt im zeitunabhängigen Fall Poisson-Gleichung In Kugelkoordinaten folgt für die Lösung Horizontskala Beliebige Skala Muß im quasistationären Zustand konstant sein!

Muß nach Barrow (1988) konstant sein, da: Exponentielle Expansion invariant unter Translation der Zeit, d.h. Expansionsrate , Vakuumdichte und Horizontgröße sind konstant. (Peebles-Harisson-Zeldovic-Spektrum) Skaleninvariantes Spektrum auf dem Horizont: Hier kommt PHZ-Spektrum

Jeans-Masse und Gravitationskollaps Primordiale Dichtefluktuationen in Anisotropie der CMBR sind Saatkörner für heutige Strukturen Anfänglich kein Gasdruck: Wolke kollabiert aufgrund der Gravitation innerhalb der Frei-Fall-Zeit potentielle Energie sinkt, kinetische Energie der Gasteilchen steigt (und damit der Druck) Dissoziation und Ionisation weiterhin Kontraktion Für weiteren Kollaps muss gelten: Hieraus erhält man

Einsetzen der Strukturbildung nach Jeans Betrachte homogene Wolke mit Durchmesser L dann gibt es 2 Fälle: Auftretende Störungen breiten sich als Schallwelle aus und somit erfolgt kein Kollaps der Wolke Fluktuationen zu größerer Dichte führen zum Kollaps Für 2.) folgt aus hydrodynamischen Betrachtungen (Jeans-Länge) bzw. (Jeans-Masse)

Das Jeans-Kriterium Sir James Hopwood Jeans (1877-1946) , englischer Mathematiker, Physiker, Astronom. Hier kommt Bild von James Jeans

Entwicklung von Fluktuationen während und nach der Strahlungsära Für Horizontgröße gilt ebenfalls Zeitliche Entwicklung von Nach Rekombination gilt Schallgeschwindigkeit durch Baryonen bestimmt: Abfall um Faktor rapider Abfall der Jeans-Masse

Abhängigkeit der Jeans-Masse und der Masse innerhalb des Horizonts von der Temperatur des Universums. Hier kommt Abhängigkeit der Jeans-Masse und der Horizontmasse von der Temperatur des Universums Anwachsen der Dichtefluktuationen erst nach Rekombination möglich Dunkle Materie nötig Vor allem CDM: keine Thomsonstreuung, dominiert früher über Strahlungsenergiedichte Gravitationskollaps effektiver (keine Dämpfung) sowie früheres Einsetzen des Kollapses

Einfluss der Neutrinos Neutrinos sind Hot Dark Matter (HDM): leichte Teilchen schnell und heiß Auswaschen der kleinen und mittleren Skalen HDM vergrößert Modelle und Beobachtungen: davon max. 15% HDM Hier kommt irgendwo Bild: Dichtefluktuationen über Skalengröße

Messmethoden Power-Spektrum der Dichtefluktuationen aus: weak gravitational lensing: Rückschluss auf Materieverteilung durch Gravitationslinseneffekt galaxy redshift survey: 3 dimensionale Kartierung der sichtbaren Materie, z.B. SDSS (Sloan Digital Sky Survey) und 2dFGRS clusters: auf kleinen Skalen liefert Häufigkeit von Galaxienhaufen zu verschiedenen Zeiten Informationen über Power-Spektrum Lyman-Alpha-Wald: System von Ly- -Absorptionslinien auf kurzwelliger Seite der rotverschobenen Ly- -Emissionsline (Ursache: Wasserstoffwolken) CMBR: z.B. COBE, WMAP

Dichtefluktuationen vs. Skalenhöhe Hier Plot „Density fluctuations vs. Scale“

Galaxy Redshift surveys SDSS (Sloan Digital Sky Survey) 2.5 m Teleskop des SDSS auf dem Apache Point Observatorium (New Mexiko) zur Aufnahme von Galaxien- und Quasarspektren mit CCD-Array SDSS läuft bis Ende 2005, möglicherweise 2007 Beobachtung von 1/4 des Himmels geplant ca. 1 Mio. Spektren Beobachtung in 5 Frequenz- bändern

2dFGRS (2 degree Field Galaxy Redshift Survey)

Rotverschiebungsmessung für 221 414 Spektren von Quasaren und Galaxien ( ) erfolgt mittels Fiberglas Spektrum eines Quasars bei

Ergebnisse Redshift Surveys Berechnung der Rotverschiebung aus Spektren Plot: Entfernung - Position am Himmel Liefert

CMBR WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) Satellit in Lagrange-Punkt L2 Untersuchung der CMBR mit Winkelauflösung bei Empfindlichkeit von Messung in 5 Frequenzbändern ermöglicht herausrechnen von galaktischen Emissionseinflüssen

Folgen für die Neutrinomassen Kombination der WMAP-, 2dFGRS- und SDSS-Daten schränkt die Neutrino- massen auf Hier kommt Ergebnis aus WMAP und SDSS: Eingrenzung der Neutrinomasse ein. Hier kommt „absolute Masses of Neutrinos“ Hinzufügen der Ergebnisse aus Neutrino-Oszillationen schränkt Neutrinomassen weiter ein

Zusammenfassung und Ausblick Dunkle Materie ist zur Erklärung der kosmologischen Strukturbildung erforderlich (Zeitskala d. Strukturbildung) redshift-surveys fordern WMAP + 2dGFRS + ... fordert SDSS und Planck verringern Fehler auf Echte Verbindung zwischen Teilchenphysik und Kosmologie

Schlusswort von Friedrich Schiller An die Mystiker Das ist eben das wahre Geheimnis das Allen vor Augen liegt, euch ewig umgibt, aber von Keinem gesehen. Hier kommt Bild von Friedrich Schiller