Die kosmische Hintergrundstrahlung Moritz Seyfried

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

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

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

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

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

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

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

Entdeckung der CMB Links: Robert Woodrow Wilson Rechts: Arno Allan Penzias

Entdeckung der CMB 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 Behebungsversuche: Kabel erneuern, andere Bauteile verwenden, Schweißnähte abkleben, Vogelscheiße putzen, Vögel entfernen...

Ursprung der CMB

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. Das Gleichgewicht kann auch angenähert werden, wenn die Distanz, über die sich die Temperatur signifikant ändert, groß ist gegen die von den Teilchen und Photonen zwischen zwei Stößen zurückgelegte Strecke (freie Weglänge)  Lokales thermodynamische Gleichgewicht

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

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

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

Ursprung der CMB Nach dem Big-Bang: sehr hohe Temperaturen + große Dichte Sehr gutes thermodyn.GG Durch Ausdehnung sink Temperatur 379 000 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

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.

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

Messungen der CMB Ab 1965: Erdantennen, CBI in Anden Ballonexperimente, Boomerang + Maxima Satelliten: - 1983: IRAS, Infrared Astronomical Satellit - 1984: RELIKT, Winkelauflösung 5,5° Temperaturauflösung 0,6 mK Dipolanisotropie - 1989: COBE, Cosmic Background Explorer - 2001: (W)MAP, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe CBI=Cosmic Background Imager Ballone messen nur kleine Teile des Himmels

Erdgebundene Messungen Einfachste Art der Messung (Penzias, Wilson) Problem: Absorption durch Atmosphäre Bei Wellenlängen unter 1 cm wird die Atmosphäre für Strahlung kaum durchdringbar Lösung: Ballonexperimente in der oberen Atmosphäre

COBE (Cosmic Background Explorer) Start 1989 Untersuchung der CMB bei verschiedenen Wellenlängen Messinstrumente an Bord: -Diffuse Infrared Background Experiment -Differential Microwave Radiometer -Far Infrared Absolute Spectrometer DIRBE: Messung der absoluten Helligkeit des Himmels DMR: Radiometer mit Winkelauflösung 7°-180° bei drei verschiedenen Wellenlängen FIRAS: Interferometrie der CMB durch Vergleich mit Referenzstrrahlung

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

DMR FIRAS hat Schwarzkörperspektrum bewiesen FIRAS

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

WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) Seit 2001 im L2-Punkt In den fünf Lagrange-Punkten heben sich die Gravitationskraft von Sonne und Erde sowie die auf den dort stationierten Körper gerade auf.

WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) Seit 2001 im L2-Punkt In den fünf Lagrange-Punkten heben sich die Gravitationskraft von Sonne und Erde sowie die auf den dort stationierten Körper gerade auf. Lagrangepunkte

WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) Seit 2001 im L2-Punkt In den fünf Lagrange-Punkten heben sich die Gravitationskraft von Sonne und Erde sowie die auf den dort stationierten Körper gerade auf. Lagrangepunkte Äquipotentialflächen

Ergebnisse von WMAP Messung bei Frequenzen von 23, 33, 41, 61 und 94 Ghz Die Ergebnisse der fünf Frequenzen werden überlagert und somit die Galaxiestrahlung herausgefiltert

Powerspektrum

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

Historische Entwicklung

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

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

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

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

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: 380.000 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 Viele dieser Parameter werden gewonnen, indem man die aus verschiedenen Theorien berechneten Werte mit den gemessenen vergleicht.

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. Sunayev-Zeldovich-Effekt: Photonen kommen in Gebiet mit sehr heißem Gas. Gas ist durch die thermische Energie ionisiert und es gibt viele hochenergetische Elektronen. Die Elektronen können mit den Photonen Wechselwirken und diesen dabei Energie übertragen (Inverse Compton-Streuung) Die CMB hat also bei einer bestimmten Wellenlänge eine geringere Intesität.

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

Liertaturangaben http://www.nasa.gov http://www.wikipedia.de Homepage von Wayne Hu: http://background.uchicago.edu/~whu Carroll, Ostlie: An Introduction to Modern Astrophysics Bergström, Goobar: Cosmology and Particle Astrophysics Kutner: Astronomy Wim de Boer, Einführung in die Kosmologie (Skript)