Hauptseminar: Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik

Transkript

1 Hauptseminar: Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) Raumfahrtexperiment zur Vermessung der Hintergrundstrahlung Ein Vortrag von Stefan Braun

2 Überblick Mikrowellenhinter grundstrahlung (CMB) WMAP Ergebnisse Ausblick

3 Hintergrundstrahlung 1948 von Gamow vorhergesagt 1964 zufällig entdeckt durch Penzias und Wilson (erhielten dafür Nobelpreis) Strahlung von fast perfekten Schwarzkörperspektrum rperspektrum von ca. 2,7 K (daher 3K-Strahlung) Nahezu homogen und isotrop 400 Photonen pro Kubikzentimeter Nachhall des Urknall entstand bei Entkopplung

4 Anisotropien in der Hintergrundstrahlung In den 1970er Jahren stellte man erstmals bei Messungen an Bord eines Flugzeuges fest, dass die Hintergrundstrahlung nicht perfekt isotrop ist Abweichung im Bereich von 10-3 K Cobe stellte in den frühen 1990er Jahren Abweichung im Bereich von 10-6 K fest Gemessen wurde immer winkelabhängige ngige Verteilung der Temperatur Kann in Kugelflächenfunktionen entwickelt werden Dipolterm Akustische Oszillationen T ( θ, φ ) T = l = 1 m = 1 m = 1 a lm Y lm ( θ, φ )

5 Dipolanisotropie Größ ößte Fluktuation T=0,034K Erde bewegt sich um Sonne mit 30 km/s Sonnensystem mit 225 km/s um Zentrum der Galaxie Galaxie bewegt sich in Richtung der lokalen Gruppe mit 100 km/s Lokale Gruppe bewegt sich mit 220 km/s in Richtung des Virgo Superclusters Dieser wiederum mit 400 km/s in Richtung Hydra Centaurus Relativbewegung der Erde ist 350 km/s relativ zum CMB Dient später WMAP als kontinuierliche Kalibrationsquelle

6 Vorgängermissionen Untersuchung erdgebunden und mit Ballonen oder Satelliten Erdgebunden mommentan CBI (zehn Frequenzbereiche zwischen GHz) Boomerang befestigt an Stratosphären ren-langstreckenballon in einer Höhe H bis 37 km 1989 Cobe erste Satellitenmission Anschließend end WMAP

7 WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) Benannt nach Dr. David Wilkinson 1995 vorgeschlagen 1996 bewilligt 2001 mit Delta 2 hochgeschossen 3 monatige Flugzeit bis L2 Sollte 24 Monate messen verlängert bis September 2009

8 Lagrange-Punkte Gravitation und Zentrifugalkraft heben sich auf L2 geeignet für WMAP Erde, Sonne und Mond immer gleichzeitig im Rücken von Messrichtung Dadurch wird störende Strahlung erheblich reduziert (z.b. Mikrowellen- Emission von der Erde, Magnetfelder) Außerdem stabile thermische Umgebung

9 Aufbau Satellit wiegt 840 kg 3,1 m² Galliumarsenid Solarzellen liefern 419 Watt Hydrazinvorrat für Betriebszeit von mindestens 3 Jahren ausgelegt Übertragung der zwischengespeiche rten Daten zur Bodenstation mit 667 KBit/s Übertragung 16 Minuten pro Tag

10 WMAP Messgerät WMAP Messgerät t besteht hauptsächlich aus zwei Komponenten Die OPTIK fokussiert die ankommende Strahlung in der Brennebene Die RADIOMETER verstärken rken das Signal und wandeln es in eine messbare Spannung um OPTIK Besteht aus zwei symmetrischen back to back Teleskopen Zwei gegenüberliegende Brennebenen Einspeisung in jeder Brennebene transportiert Energie zur Verstärkerelektronik RADIOMETER Es gibt 20 Radiometer Decken 5 Frequenzbänder ab eine Einspeisung bei 22 GHz (K-Band), eine bei 30 GHz (Ka-Band), jeweils zwei bei 40 und 60 GHz (Q- und V-Band) und vier bei 90 GHz (W-Band).

11 Optik Zwei symmetrische back to back Teleskope Gregorianische Telekope mit 1,4m x 1,6 m Primärreflektor rreflektor und 0,9m x 1,0m Sekundärreflektor 10 Einspeisungen in jeder Brennebene

12 Elektronik Reflektoren leiten Strahlung in zwei getrennte Kanäle. Dabei wird die Strahlung aufgeteilt, so dass in jedem Kanal Anteile von beiden Richtungen sind. Dann werden die Signale um 180 phasenverschoben und anschließdend digitalisiert. Dadurch werden eventuelle Fluktuationen (Messinstrumente, Verstärker) rker) direkt herausgemittelt Signal kommt von der Einspeisung Das Ausgangssignal ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten Frequenzbänder nder liegen im serienmäß äßig prodzierten Bereich

13 Winkelauflösung und Sensitivität Winkelauflösung 33 höher h her als bei COBE Winkelauflösung von mehr als 0,3 Grad bei 90 GHz Notwendig wie man beim Vergleich eines Erdbildes von Cobe mit WMAP sieht Sensitivität t 45 mal höher h her als bei COBE

14 Scangeometrie Kombination aus schnellem Spin um Raumfahrzeugssymm etrieachse und Präzession um Sonne- WMAP Linie Spinperiode beträgt 2,2 Minuten Präzessionsperiode beträgt 1 Stunde Kombinierte Bewegung füllt f einen Kreisring mit Innen- bzw. Außenradius von ca. 48 bzw. 93 WMAP untersucht täglich mehr als 30% vom Himmel

15 Polarisation WMAP misst nicht nur Temperaturschwankungen sondern auch Polarisation der Hintergrundstrahlung Schwer zu messen Ermöglicht Blick auf Universum zum Zeitpunkt der letzten Streuung

16 Kartenerstellung

17 Winkelleistungsspektrum 2 Bereiche: Aufteilung mittels Horizontgröß öße e zur Zeit der Entkopplung Teilchen weiter entfernt als Horizont = keine Wechselwirkung

18 Akustische Oszillationen Bereits vor Rekombination Massenkonzentrationen Plasma aus Photonen und Baryonen folgte diesen Kondensationen aufgrund der Gravitation Dem Wunsch der Zusammenballung stand der Photonendruck entgegen Wolken beginnen zu schwingen analog zu Schallwellen, daher akustische Oszillationen Bei der Rekombination wurden die akustischen Wellen sozusagen eingefroren, da der Photonendruck wegfiel

19 Grundschwingung und Obertöne Temperaturfluktuationen der Obertöne sind weniger ausgeprägt als die der Grundschwingung Größere Wolken oszillieren langsam, kleinere Wolken oszillieren schneller Größte Wolke die schwingen kann durch Zeit vom Urknall bis zur Rekombination bestimmt Zu große Wolken schwingen nicht, da Zeit zu knapp um genug Photonendruck aufzubauen

20 Analogon Schwingungen können hörbach gemacht werden Die Untersuchung von Struktur und Aufbau des Universums mittels akustischer Oszillationen ist analog zu dem Prozess aus den Klängen eines Instruments auf den Aufbau zu schließen

21 Soundspektrum

22 Ursprung der Anisotropien Ursprung der Anisotropien sind Quantenfluktuationen, die durch die Inflation aufgeblasen wurden Durch diese plötzliche Vergröß ößerung wurden die akustischen Schwingungen synchronisiert Frequenzen der Wellen die wir heute beobachten sehen eher so aus wie die einer Stimmgabel als die einer Kakophonie durch das Schlagen auf einen Topfdeckel

23 Akustische Oszillationen 2

24 Akustische Oszillationen 3

25 Akustischer Horizont λ = c Schall t rek = c 3 t rek Lichtjahre Bei einem flachen Raum erwarten wir ersten Peak bei einem Grad tan λ(1 + z) trek 1101 Θ = = Θ 1 c t 3 t

26 1.Peak und Geometrie

27 2.Peak Verhältnis von 1. und 2. Peak verrät t uns Baryonanteil im Universum

28 Zusammenfassung 1.Peak verrät t uns, dass der Raum flach ist: Ω=1 Verhältnis von 1. und 2. Peak verrät t uns Baryonanteil im Universum

29 Supernovae und CMB Aus Supernovae 1a bekommt man die Expansionsbesc hleunigung a des Universums Aus CMB bekommt man, das der Raum flach ist und somit die Dichte des Universum gleich der kritischen Dichte ist

30 Ausblick - PLANCK ESA-Raumsonde Geplanter Start August 2007 Bessere Winkelauflösung von 0,09-0,18 0,18 Frequenzbereich von GHz

31 Quellen ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/ karlsruhe.de/~deboer/ aachen.de/~schael/seminar%20ss07.html : Vortrag und Ausarbeitung F.Nachtrodt tuebingen.de/studium/generale/bartelmann/pubttueb.pdf Vortrag im Hauptseminar Kosmologie 2004 TU Dresden: Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung und Bestimmung der kosmologischen Parameter von Hannes Gothe Vortrag im Hauptseminar Kosmologie Uni Karlsruhe: Kosmische Hintergrundstrahlung von Detlef Maurel 8.Juni 2006 Vortrag im Hauptseminar Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik: Urknalltheorie von Jens Homfeld am 2.Mai 2008 Sterne und Weltraum 2/2008: Die Planck-Mission