Das Nachleuchten des Urknalls – Die 3K-Hintergrundstrahlung/CMB

Präsentation zum Thema: "Das Nachleuchten des Urknalls – Die 3K-Hintergrundstrahlung/CMB"—  Präsentation transkript:

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2 Das Nachleuchten des Urknalls – Die 3K-Hintergrundstrahlung/CMB
Michael Klein

3 Überblick Schwarzkörperstrahlung, Urknall
Horizontproblem, Inflation, Rotverschiebung, Hubble, Kosmologisches Prinzip Friedmann-Modell CMB (Cosmic Microwave Background) und Historie der Experimente Dipolanisotropie, Multipolentwicklung Powerspektrum + Analyse Ableitung der kosmologischen Parameter Aktuelle Entwicklungen Zusammenfassung & Quellen

4 Schwarzkörperstrahlung
Planck für die spektrale spezifische Ausstrahlung Stefan-Boltzmann-Gesetz Wien-Verschiebungsgesetz

5 Schwarzkörperstrahlung

6 BigBangTheorie Idee: Universum (Zeit, Materie, Raum) entstand aus extrem heißen und dichten Zustand Dann: Ausdehnung + Abkühlung Beschreibung durch Einsteins Feldgleichungen (ART) + kosmologisches Prinzip Alter: ca. 13,7±0,2 Mrd. Jahre Indizien: Rotverschiebung, CMB, Häufigkeit der Elemente im Universum, Grenze der Altersverteilung der Sterne bei 13 Mrd. Jahren Historische Alternative: Steady-State-Modell

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8 1979 NP: Glashow, Salam, Weinberg
Vereinigung der vier WW Energieabnahme, Zeit BB 1979 NP: Glashow, Salam, Weinberg Starke WW Schwache WW Planckära

9 Strahlungs-Ära  Materie-Ära
p+n  Atomkerne durch Fusion: Nukleosynthese Strahlungs-Ära  Materie-Ära p+n & Antiteilchen entstehen Elektromagnetische und Schwache WW separieren Abspaltung starke WW, Inflation: Ausdehnung x1030 Grand-Unified-Theory (GUT), Gravitation spaltet ab, Baryogenese Planck-Ära: Theorie für quantenmechanische Gravitation fehlt, Vereinigung aller 4 Grundkräfte

10 Expansion & Abkühlung Energiedichte Strahlung nimmt ab abnehmender Strahlungsdruck kann Materieentstehung nicht mehr verhindern Materie dominiert die weiteren Prozesse

11 1 Mrd. Jahre: Quasare entstehen, kollabierende Gaswolken bilden Sterne, schwere Elemente durch Kernfusion, deren Verteilung durch explodierende Supernovae 1 Mio. Jahren: Abnahme der Strahlung  Gravitation dominiert  Bildung großräumige Strukturen Jahre Rekombination: leichte Atomkerne + e- bilden stabile, neutrale Atome Transparenz CMB-Strahlung entsteht last scattering surface

12 Entkopplung

13 Horizontproblem wir Entkopplung Urknall

14 Lösung: Inflation Vor Inflation:
Materie und Strahlung wandeln sich permanent ineinander um thermisches Gleichgewicht Verzögerte Abspaltung der starken WW  Unterkühlung  Expansion um Faktor 1030 Erklärt Isotropie der später entstehenden Strahlung und Homogenität des Raums Erklärt Entstehung großräumiger Strukturen als Quantenfluktuation

15 Kosmologische Rotverschiebung
Gemessen durch Analyse bekannter Spektrallinien (relative Intensitäten & Abstände) Dehnung der Lichtwelle durch Expansion des Universums Kein klassischer Dopplereffekt!!! Intensität durch z-Wert beschrieben Blauverschiebung: meistens in unserer Nähe, Objekte bewegen sich auf uns zu, selten, z.B. Andromeda Nebel CMB hat

16 Hubble Edwin Hubble vermaß (1924/25) räumliche Verteilung und Rotverschiebung von Galaxien  Expansion des Universums Rotverschiebung proportional zur Entfernung: Hubble-Gesetz: Hubble-Konstante: Mpc = Megaparsec: 1pc = 3,26 Lichtjahre Hubble-Zeit: mit der dimensionslosen Einheit

17 Hubbles erste Messung 1929

18 Kosmologisches Prinzip
Universum ist homogen und isotrop  Robertson-Walker-Metrik Energiedichte + Druck zeitabhängig CMB ist isotrop bis 1:105 Distanz > 100Mpc Universum isotrop  Galaxien ≈ Gasmoleküle

19 Friedmann-Lemaître-Modelle
basiert auf kosmologischen Prinzip adiabatisch expandierendes Universum Einstein postulierte seine ART und erklärt damit ein expandierendes Weltall – allerdings ging man damals noch von einem stationären Universum aus, daher fügte er seine kosmologische Konstante Λ ein Alexander Friedmann ließ in seinem drei Modellen (1922) allerdings u.a. expandierendes Universum zu, was von Hubble sieben Jahre später bestätigt wurde Einstein korrigierte sich auf Grund Hubbles Beobachtungen, entfernte kosmologische Konstante Georges Henri Lemaître entwickelt eine Urknalltheorie, die von dem „Uratom“ ausgeht

20 Friedmann-Gleichung aus Newton
Entwicklung vollständig bestimmt durch Zeitabhängigkeit der Entfernung zweier Galaxien  Skalenfaktor: Überlegung: auf m wirkt Gravitation aller inneren Galaxien R>100Mpc Birkhoff‘s Theorem: durch äußere Galaxien keine gravitative Kraft

21 Friedmann-Gleichung aus ART
Metrischer Tensor (enthält Skalenfaktor) + LSG der Feldgleichung (ART) + Robertson-Walker+Metrik

22 ausführlich: Friedmann-Gleichung aus ART

23 Diskussion Friedmann-Gleichung

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26 Kritische Dichte ρc, Ω-Parameter

27 Erste Temperaturabschätzung
1940 berechneten Gamov + Alpher die Temperatur der CMB über Mischungsverhältnis der leichten Elemente (Deuterium – H2):  T0≈5K  also Mikrowellenstrahlung

28 … 1965, Bell Labs Arno Penzias und Robert Wilson entdecken mit ihrer neuentwickelten Hornantenne ein isotropes Rauschen mit λ≈7,15cm, konnten es nicht erklären. Robert Dicke (Princeton) identifiziertes es als CMB. Penzias + Wilson NP, 1978

29 Probleme bei der Messung

30 Galaktischer Vordergrund
33 GHz 23 GHz 41 GHz 95 GHz 61 GHz

31 1989-1996, COBE (Satellit) Cosmic Background Explorer
DMR – Differential Microwave Radiometer , COBE (Satellit) Cosmic Background Explorer Aufbau: sechs Differenz-Mikrowellen-Radiometer, Differenzwinkel 60°, je zwei quasi-identische Frequenzbänder (31,5, 53, 90 GHz), Hornantennen, Auflösung effektiv 10° perfekter Schwarzkörper CMB hochisotrop, nur minimale Fluktuationen erstmals Nachweis von Anisotropien korrigiert um Dipolmoment

32 1998, Maxima (Ballon) Millimeter Anisotropy eXperiment Imaging Array Palestine Texas, Flughöhe ca. 37km Ziel: Verbesserung der Winkelauflösung, 10‘ 16 Reduzierung systematischer Effekte Flugdauer: einige Tage

33 Messverfahren Bolometer
Absorber, verbunden mit einem isolierten Wärmereservoir, FK Auftreffende Strahlung ändert die Temperatur des Reservoirs Gemessen wird Widerstandsänderung des Reservoirs TReservoir≈50-350mK  teure und aufwendige Kühlung nötig HEMT-Radiometer HEMT (High Electron Mobility Transistor) Feldeffekttransistor, für Verstärker mit bis zu 200GHz Dipolantenne

34 1999-…, Dasi Degree Angular Scale Interferometer Amundsen-Scott Südpol-Station
13 Element-Interferometer, mißt Temperatur und Polarisierungs-Anisotropien HEMT-Verstärker: 26-36GHz mit 10 Kanälen Auflösung bis 4‘, Fehler max. 20%

35 2001-…, WMAP Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Raumsonde auf Lagrange-Punkt L2
Winkelauflösung von 0,3° Sensibilität von 20 μK pro 0,3°-Pixel Max. system. Fehler 5 μK pro Pixel Spektrum: 1cm bis 3mm Differential-Mikrowellen-Radiometer bereits nach 1 Jahr exzellente Ergebnisse

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37 Dipolanisotropie Abh. von Messrichtung Blau- bzw. Rotverschiebung:
Universum homogen  Bewegung relativ zur CMB: Erde 365 km/s Milchstraße 550 km/s Lokale Gruppe 630 km/s ΔT=3,35mK ΔT=3,35mK

38 Multipolentwicklung

39 Multipolentwicklung

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41 Sachs-Wolfe-Effekt (l<200)
Überlegung: kosmische Strukturen in unserer Nachbarschaft schon vor Rekombination angelegt es existierten bereits Verdichtungen und Verdünnungen (Unterschiede im Gravitationspotential) im kosmischen Material, Quantenfluktuationen im Inflatonfeld Photonen in überdichten Gebieten  Energieverlust beim Verlassen  Verringerung der Photonentemperatur Anisotropie auf großen Winkelskalen

42 Akustische Schwingungen (l>200)
Schwingungen im kosmischen Plasma nur Materiewolken kleiner Lichtjahre können schwingen (Schallhorizont) Schallhorizont definiert Grundton der Temperaturschwankung Synchronisierung der Schwingung gleich großer Wolken

43 Silk-Dämpfung begrenzt Größe der Wolken mit akustischen Schwingungen nach unten Photonen wechselwirken mit dem Plasma (Rekombination + Entkopplung nicht instantan) treiben entstehende Materiewolken wieder auseinander kleine Wolken werden zerstört / weggedämpft

44 Analyse des Powerspektrums
Große Strukturen können nur durch Sachs-Wolfe-Effekt entstehen wegen Schallhorizont nimmt Druck (also akustische Schwingung) erst bei kleinen Strukturen Einfluss  Wellenstruktur im Powerspektrum Silk-Dämpfung erst bei kleinen Strukturen  Spektrum fällt zu kleinen Strukturen exponentiell ab

45 Λ-CDM Lambda –Cold Dark Matter
FLRW-Modell mit flacher Geometrie, BBN, CMB-Anisotropien durch Gauß‘sche Massefluktuationen Λ: kosmologische Konstante – Dunkle Energie-Term, ca. 73% der Energiedichte CDM: Nicht-Baryonische Materie, 23% der Energiedichte restliche 4% bilden unsere sichtbare Materie + Photonen

46 Ableitung kosmologischer Parameter
Bestfit für verschiedene Kombinationen kosmologischer Parameter für Powerspektrum  Lage der Maxima/Minima, Abstand zueinander, absolute Höhe und Tiefe variieren stark Beispiel: siehe: C. Grupen, Astroparticle Physics, 11.6

47 Variation der kosmologischen Parameter und das Powerspektrum
Powerspektrum für Dichteparameter Ω0 Animationen:

48 Zukunft: Planck Winkelauflösung bis zu 5‘
Sensibilität: bis 1 Millionstel Kelvin Start voraussichtlich Anfang 2007 Spektrum: 1cm bis 0,3mm  bessere Filtermöglichkeiten für Vordergrundstrahlung  Messung bis in Bereich der Silkdämpfung  Entdeckung bis neuer Galaxiehaufen durch Sunyev-Zel‘dovich-Effekt

49 Zusammenfassung WMAP: gravierende Verbesserung in Vermessung einiger kosmologischer Parameter Hubblekonstante: Universum besteht aus: 4% gewöhnliche Materie 23% unbekannte dunkle Materie 73% dunkle Energie Alter: 13,7 ± 0,2 Mrd. Jahre Bestätigung des ΛCDM-Modells Durch Planck eine noch exaktere Bestimmung kosmologischer Parameter

50 Aktuelle Daten (nach WMAP, 1. Jahr)

51 Literatur Matts Roos, Cosmology Claus Grupen, Astroparticle Physics
James Rich, Fundamentals of Cosmology Astronomie + Raumfahrt 37/2, 8 (2000) First Year WMAP Observations: The Agular Power Spectrum, Determination of Cosmological Parameters Skript: de Boer Wayne Hu: