Kosmologie. Wintersemester 2015/16 Vorlesung # 6, He. Thermisches Universum - Nukleosynthese in Sternen - Häufigkeitsbestimmung von

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1 Kosmologie Wintersemester 2015/16 Vorlesung # 6, He Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik Thermisches Universum - Nukleosynthese in Sternen - Häufigkeitsbestimmung von 4 He, 2 H, 7 Li - BBN und Baryonendichte W b - 4 He-Rate und Anzahl der n s ein Fallbeispiel D KIT University of the State of Baden-Württemberg and National Research Center of the Helmholtz Association

2 Big Bang Nukleosynthese BBN BBN: in den ersten 3 Minuten entstehen aus p und n die leichten Kerne 2 H, 3 He, 4 He, 7 Li und 7 Be (12 Hauptreaktionspfade) 4 Phasen der BBN: 1 thermisches Gleichgewicht (T = K, t = 0.01 s) 2 Ausfrieren der schwachen Ww. (T = K, t = 1 s) 3 Neutronenzerfall (T > 10 9 K, t = 1 s 1 min) 4 Fusionsreaktion (T ~ 10 9 K, t = 1 10 min) G. Drexlin VL06

3 Element-Häufigkeit CMB-Analysen Nukleosynthese Modellrechnungen 10-1 Helium Deuterium Helium Lithium Baryon-Photon Verhältnis h G. Drexlin VL06

4 Nukleosynthese Modellrechnungen Helium-4: größeres h : höhere T BBN, größeres n/p Verhältnis mehr Helium-4 wird erzeugt Y p 2nn n n n p 0.25 Deuterium größeres h : mehr Material wird zu 4 He fusioniert weniger Deuterium bleibt übrig Lithium-7 größeres h : 4 He( 3 H,g) 7 Be Reaktionspfad dominant kleineres h : 7 Be + e - 7 Li + n e Prozess dominant EC >> G. Drexlin VL06

5 Bestimmung der Elementhäufigkeiten 4 He: galaktische HII-Regionen und blaue kompakte Galaxien Beobachtung der He + Rekombination 2 H: Quasar-Absorptionslinien von 2 H (Ly-a Linien) in extragalakt. Wolken 7 Li: Spektroskopie von Atmosphären von Halo-Sternen (Spite-Plateau) Li He H Lithium-7: Spite-Plateau Sterne Helium-4: Blaue kompakte Galaxien Deuterium: Quasar Gaswolke G. Drexlin VL06

6 Helium-4 Häufigkeit Objekte: Blue Compact Dwarf (BCD) Galaxien - metallarme, gasreiche Galaxien mit großen Sternentstehungsgebieten UV-Licht massereicher Sterne - H-II Regionen: Ionisation des interstellaren Mediums (He-I) Beobachtung: Emissionslinien durch die Rekombination von interstellarem He-I - bester Übergang: 1s 3d (23.07 ev) 1s 2p (20.96 ev) DE = 2.11 ev (l = nm, gelb) BCD l = nm G. Drexlin VL06

7 Fluss [10-16 erg s -1 cm -2 Å -1 ] Spektroskopie in BCD-Galaxien hochauflösende Spektroskopie einer blauen kompakten nahen Zwerggalaxie (SBS E) mit ESO s YEPUN Teleskop (VLT), FORS-Spektrograph Wellenlänge [nm] G. Drexlin VL06

8 Y He-Massenanteil Helium-4 Häufigkeit: Messungen Systematik: primordialer Helium-4 Massenanteil Y erhöht durch Fusionsreaktionen in Sternen (4p + 2e - 4 He + 2n e ) Suche metallarme Sterne (Metallizität: Sauerstoff O / Wasserstoff H) Analyse: Auftragung von Y als Funktion der Metallizität O/H - Extrapolation zu O/H = 0 (keine Metalle, d.h. primordialer BBN-Anteil) primordiales 4 He Y P - heutiger Wert [PDG 2012]: Particle Data Group Metallizität 2( n / p) 1 n / p Y p = ± [10 6 (O/H)] G. Drexlin VL06

9 Fluss Deuterium Häufigkeit Beobachtung: Lyman a - Absorptionslinien von neutralem H-Gas bei l i = nm (1+z) gegen ferne Quasare (breite Emission) Problem: spektroskopische Trennung der Lya-Linien von 1 H & 2 H Quasar(z=3) Wolke A (z=1.4) Wolke B (z=0.2) Wolke C (z=0.01) D H Wellenlänge [nm] G. Drexlin VL06 Teleskop

10 Atomphysik Ly-a Linienprofile Spektroskopie von Wasserstoff ( 1 H) und Deuterium ( 2 H) mit der Lyman-a-Linie bei l 0 = nm - minimale Unterschiede der Ly-a-Linien von H und D : DE/E = Lyman Serie Ly-a reduzierte Masse m 1 m 2 / (m 1 +m 2 ) Ba-a Balmer Serie sichtbar 100 nm 1000 nm Paschen Serie G. Drexlin VL06

11 Intensität Deuteriumhäufigkeit: der Lyman a-wald Deuterium wird in Sternen fusioniert (zerstört), daher Suche nach alten Objekten, größter experimenteller Wert definiert die D-Häufigkeit Beispiel: Quasar HE (z = 2.89) Lyman a - Absorption sichtbar Lyman a Wald Deuterium Lya- Wald Absorption Lya- Emission Quasar: HE z = 2, Wellenlänge l (nm) G. Drexlin VL06

12 Deuteriumhäufigkeit: Ly-a Linienprofile Probleme bei der Datenanalyse: a) Dopplerverbreiterung der Absorptionslinien (Rotationseffekte in der Wolke) b) Sättigung der H Ly-a-Linie, sobald die Ly-a Linie von D sichtbar ist (Intensitätsverhältnis 10 5 : 1) D H heutiger Wert [Particle Data Group]: Ly-a Linien 2 1 H H ( ) 10-5 stat. + syst. Fehler G. Drexlin VL06

13 Lithium-7 Häufigkeit Objekte: Methode: metall-arme, sehr alte Population-II Sterne im galaktischen Halo mit dünner Konvektionszone Oberflächen-Temperatur T > K halo dwarves Spektroskopie der Sternatmosphäre: Beobachtung von 7 Li-Resonanz-Absorptions-Doubletts bei l = nm Systematik: 7 Li wird bei T > 2, K zerstört (tiefe Konvektionszone!) Lithium-7 Stoß He-4 Proton Zwergstern Gliese 623b (d=8 pc) G623b: L~2x10-5 L m~0.1 m Konvektionszone: 7 Li wird sofort verbrannt bei hohem T 7 Li-Brennen in Sternen: 7 Li + 1 H 2 4 He G. Drexlin VL06

14 Lithium-7/Wasserstoff-Verhältnis Lithium-7 Häufigkeit (Li-Anomalie) heutiger Wert für Li-7 [Particle Data Group 2012]: 7 1 Li H ( ) WMAP & BBN Erwartung Spite Plateau deutliche Lithium-7- Vernichtung nur oberflächen nahe Konvektion NGC : Li-7 Analysen in metallarmen Kugelsternhaufen zeigen systematische Konvektionseffekte (Li-7 wird verbrannt) G. Drexlin VL Konvektion! primordiales Lithium-7 (aber: ein Teil durch Konvektion zerstört) Oberflächentemperatur [K]

15 Häufigkeit relativ zu H He-4 Massenanteil BBN - Resultate Anteil an kritischer Dichte [%] Kombination experiment. Resultate von D, 3 He, 4 He & 7 Li ergibt im Rahmen der systematischen Fehler konsistente Resultate (Konkordanz) [PDG 2012] : 5.1 h (95% CL) N(g) ist bekannt aus CMB (vgl. Kap. 3.3) mit h 10 = W b h 2 ergibt sich für Baryonendichte W b : W b h (95% CL) Baryonendichte [10-31 g cm -3 ] h 2 = 0.5 Baryonendichte W b ~4-5 % aber: leuchtende baryonische Materie W b,lum ~ 0.3%, ~ 90% nichtleuchtende baryonische Materie (heißes Clustergas) G. Drexlin VL06

16 Kerne pro Wasserstoff Masse Primordiale Nukleosynthese Baryonendichte kosmische Hintergrundstrahlung: erlaubt eine genaue Bestimmung von W b aus der Analyse der akustischen Peaks des Multipolspektrums (vgl. Kap. 3.3) l (l+1) C l 10 W b h W b = ± G. Drexlin VL Multipol l Baryonendichte [ g cm -3 ]

17 Kerne pro Wasserstoff Masse Primordiale Nukleosynthese Baryonendichte Elementbestimmung von 4 He, 2 H und 7 Li Musterbeispiel für systematische Effekte in der Kosmologie: - für hohe Genauigkeit (accuracy) a) hohe Präzision (precision) b) hohe Richtigkeit (trueness) hohe Präzision hohe Richtigkeit hohe Präzision geringe Richtigkeit geringe Präzision geringe Richtigkeit Baryonendichte [ g cm -3 ] G. Drexlin VL06

18 Kerne pro Wasserstoff Masse Primordiale Nukleosynthese Baryonendichte 2 Ly-a-Wolken ohne Metalle! Leo-Wolke (z = 3.10): < 1/6000 der solaren Metallizität Ursa Major-Wolke (z = 3.41): < 1/16000 der solaren Metallizität D/H Verhältnis in Übereinstimmung mit BBN Theorie Baryonendichte [ g cm -3 ] G. Drexlin VL06

19 BBN & Anzahl der n-generationen N n BBN erlaubt Tests fundamentaler Physik die primordiale 4 He-Rate in der BBN ist abhängig von der Expansionsrate H(t) des Universums bei T ~ 1 MeV H(t) abhängig von der Energiedichte aller relativistischen Teilchen Rückschlüsse auf die Anzahl N der Teilchengenerationen (N = 3, 4..?) n t n µ David Schramm n e G. Drexlin VL06

20 LEP & Anzahl der n-generationen N n LEP erlaubt Tests fundamentaler Physik am LEP (Elektron-Positron Speicherring) wurde doch schon die Breite der Z 0 Resonanz bestimmt & daraus N n bestimmt! unsichtbare Breite: G inv (Z 0 n n) = N n (174 ± 11) MeV n t e + + e - Z G. Drexlin VL06

21 Wirkungsquerschnitt s (nb) LEP & Anzahl der n-generationen N n LEP erlaubt Messung der unsichtbaren Z 0 Zerfallsbreite N n = 3 gilt nur für aktive Neutrinos mit M n < 45 GeV, die ans Z 0 koppeln DELPHI direkt aus der Z 0 Breite: G inv = G Z G hadr. 3 G gel.lept Energie (GeV) G. Drexlin VL06 Breit-Wigner Resonanzkurve N n = 2.92 ± 0.06 indirekt aus SM-Fits an gesamte LEP Daten: N n = ± Z 0 koppelt nur an aktive n s, nicht an sterile n s!

22 BBN & Anzahl der n-generationen N n Zeit und Ort: strahlungsdominiertes Universum vor Beginn der BBN (t = 1s) T = 1 MeV Phase II (Ausfrieren schwache Wechselwirkung) > 1 MeV n R n 4 wie ändert sich H(t)? G. Drexlin VL06

23 BBN & relativistische Teilchenstrahlung Relativistische Teilchen: RH Anti-Neutrinos Photonen, Elektronen, Positronen, LH Neutrinos, H 2 ( t) Expansionsrate: a ( t) a( t) 2 8 G 3 tot ( t) Quarks, Gluonen: QGP kondensiert in nichtrelativistische p,n g s (CMB) e - /e + 3 n s Bosonen: zerfallen Leptonen: Myonen, Taus zerfallen G. Drexlin VL06

24 BBN & relativistische Freiheitsgrade Relativistische Teilchen: Photonen, Elektronen, Positronen, LH Neutrinos, RH Anti-Neutrinos haben Freiheitsgrade g eff rel g eff / g 2 g s (CMB) e - 3 n s ( t) tot ( t) 2 ( t) 3 g e n ( t) Photonen: g eff = 2 (Spin parallel / antiparallel zu Impuls) Neutrinos: g eff = 2 3 (LH Neutrinos/ RH Anti-Neutrinos, 3 Familien: n e, n µ, n t ) Elektronen: g eff = 4 (Spin parallel / antiparallel zu Impuls, Ladung + / ) G. Drexlin VL06

25 BBN & relativistische Freiheitsgrade zusätzliche Neutrino-Generationen N n erhöhen die Expansionsrate H(t) im frühen Universum, pro n-generation um 7/43 = 16% g s (CMB) e - 3 n s tot ( t) (2 3) g ( t) (43/ 8) ( t) g statistische Gewichtung: Bosonen [=1] Fermionen [=7/8] DN n : zusätzliche Neutrinogeneration(en) extra Neutrinos N n : (oder andere relativistische Teilchen: Axionen, ) H ( t) H ( t) 2 ~ 1 7D 43 N n G. Drexlin VL06

26 BBN & Anzahl der n-generationen N n Argumentationskette: mehr Neutrino-Generationen der schwachen Ww. mehr Neutronen verfügbar frühere Entkopplung T = 0.7 MeV: G(T) = H(T) n p 1 7 n Y p 0.25 Hubble Fermi G. Drexlin VL06

27 BBN & Anzahl der n-generationen N n Argumentationskette: mehr Neutrino-Generationen frühere Entkopplung der schwachen Ww. mehr Neutronen verfügbar mehr 4 He erzeugt man erwartet für das Standardmodell N n = (N n ǂ da endliche Entkopplungs- Zeitspanne) N n» 3.046: sterile n s (ev), Axionen, Dunkle Photonen, G. Drexlin VL67

28 BBN & Anzahl der n-generationen N n Analyse von BBN-Resultaten (Y p ) und CMB-Resultaten B (W B ) für N n 4 Helium-Massen-Verhältnis YP Modellrechnung N n = BBN CMB W b Baryonendichte B [10-31 g/cm 3 ] G. Drexlin VL06

29 BBN & Anzahl der n-generationen N n Analyse von BBN-Resultaten (Y p ) und CMB-Resultaten B (W B ) für N n Planck 2013: N n = 3.41 ± 0.30 Wahrscheinlichkeit P / P max N n (Anzahl relativistischer Freiheitsgrade) G. Drexlin VL06

30 N n (Anzahl rel. Freiheitsgrade) BBN & Anzahl der n-generationen N n Analyse von BBN-Resultaten (Y p ) und CMB-Resultaten B (W B ) für N n aktuell (Planck 2015): N n = 3.15 ± Baryonendichte G. Drexlin VL06