Mikrowellen-Hintergrundstrahlung

Transkript

1 Mikrowellen-Hintergrundstrahlung Norbert Elsässer Universität Würzburg / 36

2 1 Eigenschaften 2 3 Bedeutung für die Kosmolgie 4 Unstimmigkeiten und Ausblick 2 / 36

3 Eigenschaften Eigenschaften 3 / 36

4 Eigenschaften Physikalische Eigenschaften Hintergrund Nicht nach Quellen auflösbare Strahlung Beobachtbar im Mikrowellen-, Röntgen- und Infrarot-Bereich Infrarot- und Röntgen-Hintergrund wahrscheinlich jedoch nur Überlagerung vieler Einzelquellen Mikrowellen relevant CMB echter Hintergrund Weitreichende Erkenntnisse für Kosmologie 4 / 36

5 Eigenschaften Physikalische Eigenschaften Planck-Spektrum T = (2, 725 ± 0, 002)K 5 / 36

6 Eigenschaften Physikalische Eigenschaften Momentane Gestalt Rotverschiebung beträgt z = 1089 ca. 700 Photonen pro cm 3 des Raumes Verteilung Stark isotrop Größte Anisotropien im Bereich von 0,1 %, kleinere bei 10 5 Beide Arten haben unterschiedlichen Ursprung 6 / 36

7 Eigenschaften Entstehung Entstehungszeitraum ca Jahre nach Urknall Zeit vor Rekombination Strahlung mit Materie im Gleichgewicht Weiterentwicklung Abkühlung des Universums auf 3000 K Rekombination Hauptwechselwirkung (Thomson-Streuung) fällt weg Universum durchsichtig Strahlung behält Form bei Einzige Veränderung bis heute: Rotverschiebung 7 / 36

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9 Theoretische Vorhersagung Erklärung der Teilchenvielfalt Gamovs Erklärungsversuch mit Reihe von Umwandlungsprozessen im frühen heißen Universum (1946) Probleme bei Beschreibung der Enstehung schwerer Elemente Frühzustand des Universums Probleme mit sehr heißem Universum bei damaliger Hubblezeit t 0 = 10 9 Jahren Auch Konflikt mit bereits bekanntem Erdalter 9 / 36

10 Theoretische Vorhersagung Alternative Steady-State-Universum (isotrop, homogen, zu allen Zeiten gleich) Probelme Expansion mit gleichzeitiger Materie-Synthese Universum behält Form Führt zur Erzeugung von nicht nachweisbaren Materiemengen (ein paar H-Atome pro 10 Mrd. Jahre pro m 3 ) Erklärt nicht die ernorme Häufigkeit von Helium Unstimmigkeit mit Beobachtungen von Quasaren 10 / 36

11 Theoretische Vorhersagung Stellare Nukleosynthese Gamov und Kollegen erarbeiten Theorie der Nukleosynthese in Sternen Veröffentlich 1957, sowohl konsistent mit Urknall- als auch mit Steady-State-Universum Lösung des Konflikts Experimenteller Nachweise des Urknalls schien unmöglich Viele Astronomen hielten daher Fragestellung für unwissenschaftlich 11 / 36

12 Theoretische Vorhersagung Aus den Annahmen großer Hitze und Dichte des frühen Universums der Rekombination und der Expansion Vorhersage einer Schwarzkörperstrahlung 12 / 36

13 Theoretische Vorhersagung Gesuchte Eigenschaften 8πhc Strahlungsdichte: u λ dλ = ( ) λ 5 e hc λ kt 1 Aus Expansion: Verknüpfung zwischen heutiger und damaliger Temperatur über Skalenfaktor: R T (R) = T 0. Zur Heliumsynthese passende Temperatur ergibt ein R Zu erwarten: T 0 3, 68K und aus Wien-Gesetz λ max 7, 87 cm 13 / 36

14 Theoretische Vorhersagung Rate für Fluchtbewegung: H 0 = 1 R dr dt t=t 0 Rotverschiebung: (1 + z) = R(t 0) R(t e ) Da T R 1 : (1 + z) = T e T 0 T 0 T e = R e R 0 T 0 = T e R e für R 0 = 1 14 / 36

15 Entdeckung Zufällig Entdeckung Arno Penzias und Robert Wilson 1964 bei einem Test einer neuen Antenne Unerklärbarer Überschuss von ca. 3 K Nach Ausschluss systematischer Fehler: Veröffentlichung der Entdeckung einer isotropen, unpolarisierten, zeitlich konstanten Strahlung Nobelpreis / 36

16 Entdeckung 16 / 36

17 Anisotropien Dipol-Anisotropie (IRAS 1977) Bewegung der Milchstraße mit 600 km/s durch den Raum aufgrund Anziehung von anderen Galaxien Durch diese Bewegung relativ zum Mikrowellenhintergrund erfolgt Dopplerverschiebung 17 / 36

18 Anisotropien COBE (Cosmic Background Explorer) Satellit seit 1989 im All, entdeckt 1992 erstmals kleine Unregelmäßigkeiten Kombiniert mit Daten von früherem Satelliten IRAS nützlich für Erklärung der Strukturbildung im Universum 18 / 36

19 Anisotropien WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) Konzipiert zur besseren Analyse der Anisotopien Lieferte neue Aufnahmen im Jahr 2001 Auflösung um den Faktor 20 verbessert Beobachtungs-Position Satellit befindet sich in Bezug auf die Stellung Sonne-Erde immer auf der selben Position sog. Lagrange-Punkt 19 / 36

20 Anisotropien Lagrange-Punkte Drei-Körper-Problem analytisch lösbar für Spezial-Fall, dass einer von ihnen gegenüber den anderen eine verschwindend kleine Masse besitzt Dann existieren fünf Punkte, an denen sich Kräfte aufheben WMAP-Satellit sitzt auf zweitem Lagrange-Punkt Vorteil: Sonne stört die Beobachtung nicht 20 / 36

21 Lagrange-Punkte 21 / 36

22 Anisotropien 22 / 36

23 Anisotropien 22 / 36

24 Anisotropien Entstehung Massenkonzentrationen von dunkler Materie vor der Rekombination Nachweis Baryonen in Plasmawolken verdichten Gegenkraft durch Druck der Photonen Akustische Schwingung Nach Rekombination verlassen Photonen Plasmawolken Schwingungen noch sichtbar in Temperaturschwankungen 23 / 36

25 Anisotropien Akustische Schwingungen Größte schwingende Wolke war bis zur Rekombination genau 1x durchlaufen Kleinere Wolken schwingen mit höherer Frequenz Größere Wolken noch nicht durchlaufen Alle Schwingungen in Phase 24 / 36

26 Anisotropien T = 1 3 Ψ [cos(kr s) (1 + R s )] Ψ Relativistisches Gravitations-Potential k Wellenzahl r s = c s t Schallhorizont c 2 Schallgeschwindigkeit: c s = 3 (1 + R s ) mit R s = 3ρ B 4ρ γ (Verhältnis Energiedichte Baryonen/Strahlung) Erwartung von Schwankungen in der Hintergrundstrahlung: T cos(kr s ) mit k = mπ r s, m = 1, 2, 3, / 36

27 Bedeutung für die Kosmolgie Bedeutung 26 / 36

28 Bedeutung für die Kosmolgie Bisherige Erkenntnisse Beweis für die Urknall-Theorie Hinweise auf Sturkturbildung im Universum Hinweise über Zusammensetzung der Materie 27 / 36

29 Bedeutung für die Kosmolgie Zusammensetzung der Materie Geometrie des Universums Übertragung der Temperatur-Fluktuatione auf Himmelskugel abhängig von Raumkrümmung Entwicklung der Anisotropien nach Kugelflächen-Funktionen T ( n) = l,m a lm Y lm ( n) Wellenzahlen entsprehen Multipol-Indzizes: k m = mπ r s ˆ= l m 28 / 36

30 Bedeutung für die Kosmolgie Zusammensetzung der Materie 29 / 36

31 Bedeutung für die Kosmolgie Zusammensetzung der Materie Geometrie des Universums Maximum bei l = 200 entspricht ca. 1 Zugehörige Länge ist physikalische festgelegt Vergleich mit Beobachtungen ergibt eine Krümmung von annähernd 0 Genauer Wert: Ω = 1, 02 ± 0, 02 Verhältnis der Dichte zur kritischen Dichte: Ω = ρ ρ c 30 / 36

32 Bedeutung für die Kosmolgie Zusammensetzung der Materie Verschiedene Beiträge Ω setzt sich aus mehreren Beiträgen zusammen Ω = Ω B + Ω CDM +... Messungen ergeben: Ω B = 0, 0224 ± 0, 009 Ω CDM = 0, 135 ± 0, 004 Unbekannter Anteil Baryonen und Dunkle Materie ergeben zusammen nicht den Wert 1 Weiterer Beitrag wird postuliert: Dunkle Energie 31 / 36

33 Bedeutung für die Kosmolgie Zusammensetzung der Materie Dunkle Energie Es muss also einen Anteil Ω Λ = 0, 73 ± 0, 04 existieren Deutung als Energie des Vakuums Abschätzungen weichen allerdings um 180 Größenordnungen von Beobachtungen ab Wenn Ω Λ konstant Ewig beschleunigte Expansion 32 / 36

34 Unstimmigkeiten und Ausblick Unstimmigkeiten und Ausblick 33 / 36

35 Unstimmigkeiten und Ausblick Unstimmigkeiten Winkelverteilung Einige der niedrigsten Momente der Winkelverteilung niedriger als vorhergesagt Nord-Süd-Asymmetrie Polarisation Ursprüngliche Strahlung unpolarisiert Durch Streuung an Materie kann Polarisaiton auftreten WMAP leider sehr schlecht für Polarisations-Messungen 34 / 36

36 Unstimmigkeiten und Ausblick Neue Beobachtungen 2008 Planck-Satellit Auflösung um Faktor vier verbessert ebenfalls in Nähe des L2-Punktes Sehr genaue Vermessung der Anisotropien Polarisation der Hintergrundstrahlung 35 / 36

37 Quellen [1] [2] Carrol, Ostlie: Modern Astrophysics, Addison-Wesley, 1996 [3] M. Rowan-Robinson: Das Flüstern des Urknalls, Spektrum akademischer Verlag GmbH Heidelberg, 1994 [4] G. Börner: Der Nachhall des Urknalls, Physik-Journal 4 (2005), S [5] G. Börner, M. Bartelmann: Astronomen entziffern das Buch der Schöpfung, Physik in unserer Zeit 33(3), S [6] G. Starkmann, D. Schwarz: Missklänge im Universum, Spektrum der Wissenschaft, 12/05, S [7] [8] 36 / 36