Astroteilchenphysik - I

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1 Astroteilchenphysik - I WS 2012/2013 Vorlesung # 06, Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik kosmische Hintergrundstrahlung: - WMAP: Messmethode & Resultate - Multipolanalyse & Multipolspektrum - primäre Anisotropien: Sachs-Wolfe Effekt - sekundäre Anisotropien: integrierter Sachs-Wolfe Effekt KIT University of the State of Baden-Württemberg and National Research Center of the Helmholtz Association

2 CMB - Grundlagen Erzeugung: Materie/Antimaterie-Annihilation (B-Asymmetrie ~10-9 ) CMB heute MeV g c strahlungsdominiertes Wellenzahl [cm -1 ] Materie g m 5 eiretamitna Sacharov: C/CP Verletzung, B-Asymmetrie, kein thermisches Gleichgewicht Universum t < 10 4 a g + H p + e - (E g > 13.6 ev) Rekombination des Plasmas zu neutralen Atomen (CMB seither wechselwirkungsfrei) bei Rotverschiebung z ~ G. Drexlin VL06

3 COBE Temperaturskalen Isotropie Dipol Fluktuationen T = K DT = mk DT = 18 µk - homogenes & isotropes Universum kosmologischer Ursprung der CMB - Ursache der Isotropie? (Horizontproblem) - Dopplereffekt durch Bewegung mit v = 370 km/s relativ zum CMB-System - CMB kein relativistisch ausgezeichnetes Bezugssystem - primordiale Dichtefluktuationen als Saatkerne der späteren Strukturbildung - Stärke ~10-5 entspricht Vorhersage der Inflationstheorie (aber heute <D/> ~1!) G. Drexlin VL06

4 Wilkinson Microwave Anisotropy Probe WMAP: CMB-Raumsonde der NASA ( ) am L2 Lagrangepunkt Ziel: Untersuchung von CMB Temperatur-fluktuationen auf kleinen Winkelskalen m Primärreflektoren Sekundärreflektor passive thermische Kühlung Fokalebenendetektoren Fokussierhörner Solar- Panel Methode: 2 5 differentielle Radiometer bei n = 23 / 33 / 41 / 61 / 94 GHz 140 Elektronik Fokalebeneninstrumentierung G. Drexlin VL06

5 WMAP Resultate in 5 Frequenzbändern Kombination der Ergebnisse für untergrundkorrigierte CMB-Temperaturkarte 23/33 GHz: Studium des galaktischen Untergrunds 33 GHz 23 GHz 41 GHz 94 GHz G. Drexlin VL06 61 GHz

6 WMAP Temperaturfluktuationen CMB Temperaturverteilung nach Abzug galaktischer Störsignale WMAP 7 Jahre ( ) Kugeldarstellung G. Drexlin VL06

7 Vergleich von COBE und WMAP COBE: Winkelauflösungen n [GHz] COBE FWHM [ ] ~ 7 WMAP: Winkelauflösungen n [GHz] FWHM [ ] <0.23 WMAP G. Drexlin VL06

8 Multipolentwicklung statistische Analyse der Temperaturfluktuationen DT um mittleres T 0 DT(n) q DT(m) Entwicklung nach Kugelfächenfunktionen mit Koeffizienten a lm : T( n) T m 0 0 m a m Y m für Gauß sche Fluktuationen gilt: DT ( n) DT ( m) C( q) T0 T0 1 C( q) (2 1) C P (cosq ) G. Drexlin VL06 Korrelationsfunktion C(q) Entwicklung nach Legendre-Polynomen Koeffizienten C l C a m m kosmische Varianz 2

9 Multipolentwicklung niedrige Multipole Darstellung der einzelnen Multipole l = 1, 2, m = -l,,0, +l Dipol l = 1 Quadrupol l = 2 DT(n) q DT(m) m=+1 m=+2 m=0 m=+1 2 DT ( 1) C / 2 m=-1 m=0 Temperaturfluktuationen als Funktion der Multipolordnung 3 Meßwerte m=-1 5 Meßwerte m= G. Drexlin VL06

10 Multipolentwicklung Resultate Resultate für die einzelnen Multipole l DT(n) q DT(m) l=2 2 DT ( 1) C / 2 l=3 l=4 Temperaturfluktuationen als Funktion der Multipolordnung l=5 l=6 l=7 l= G. Drexlin VL06

11 Leistungsspektrum [µk 2 ] WMAP: Multipolverteilung (7 Jahre) Multipolordnung l Dq Dq /l /l 200 /l 200 /l COBE COBE Meßbereich Meßbereich Winkelskala Dq G. Drexlin VL06

12 Temperaturfluktuationen [µk] Multipolverteilung physikalische Ursachen Gebiete ohne kausalen Kontakt kausal zusammenhängende Gebiete akustische Oszillationen Sachs-Wolfe- Effekt Silk- Dämpfung Multipolordnung l G. Drexlin VL06

13 Temperaturfluktuationen [µk] Energiedichte Inflatonfeld Sachs-Wolfe Effekt & Inflation Sachs-Wolfe-Effekt : was ist Ursache der Skaleninvarianz großräumiger Fluktuationen? Mögliche Ursache: Inflation Inflation: exponentielles Anwachsen des Skalenparameters a(t) im Zeitraum von t = s bis t = s um Faktor >> Einführung eines Skalarfeldes: Inflaton Plateau (Inflation) Entwicklung Inflatonfeld Sachs-Wolfe- Effekt 10 Multipolordnung l extrem flach (weshalb?) Reheating (Ende Inflation) Stärke des Inflatonfelds heute G. Drexlin VL06

14 Temperaturfluktuationen [µk] Sachs-Wolfe Effekt & Inflation Sachs-Wolfe-Effekt : was ist Ursache der Skaleninvarianz großräumiger Fluktuationen? Mögliche Ursache: Inflation Sachs-Wolfe- Effekt Inflation: - Ausgleich von Anisotropien, Inhomogenitäten und Krümmung zu tot = 1 (euklidisch), Verdünnung magnetischer Monopole (GUT) - erste Dichtefluktuationen durch quantenmech. Fluktuationen des Inflatonfeldes Vorhersage der Skaleninvarianz : - Auftragung von l(l+1)c l gegen l ergibt eine Konstante (Harrison-Zel dovich Spektrum) 10 Multipolordnung l G. Drexlin VL06

15 logarithmische Längenskala Inflation Einfrieren von Dichteschwankungen QM sichtbar am CMB-Himmel Nullpunktsfluktuationen des Inflatonfeldes Inflation: Fluktuationen des Inflatonfeldes werden exponentiell vergrößert & frieren ein : Wellenlänge l der Dichtefluktuation t 2 Hubble Radius t < t 1 - Gebiete stehen in kausalem Zusammenhang - Inflation: exponentielles Wachsen von l einer Dichtefluktuation D t 1 < t < t 2 t 1 Inflation logarithmische Zeitskala - l der Dichtefluktuation D ist größer als der Hubbleradius R Fluktuation ist eingefroren - weitere Wechselwirkung ab t > t G. Drexlin VL06

16 Primäre & sekundäre CMB-Anisotropien Ursprung der CMB-Temperaturanisotropien DT auf großen Skalen (q > 2 ): zwei Effekte zu unterschiedlichen kosmischen Zeiten Sachs-Wolfe Effekt primäre Anisotropien durch Dichtefluktuationen D im frühen Universum zum Zeitpunkt der CMB Entkopplung Integrierter Sachs-Wolfe Effekt sekundäre Anisotropien Propagation der CMB im späten, L-dominiertem Universum (a > 0.5) mit beschleunigter Expansion gedehnte Cluster & Voids: zeitabhängige Gravitationspotenziale F(t) Sachs-Wolfe Effekt Integrierter Sachs-Wolfe Effekt G. Drexlin VL06

17 µk ISW als Hinweis auf dunkle Energie Korrelation von CMB & Galaxien- Daten (WMAP & Sloan Galaxien-Survey) DT = (9.6 ± 2.2) µk durch den ISW (~ 4s) kosm. Dehnung von Supercluster/Voids ISW: weitere Evidenz für dunkle Energie Voids (blaue Kreise), Supercluster (rote Kreise) S = 50 Voids DT ~ 10 µk S = 50 Cluster G. Drexlin VL06

18 Temperaturfluktuationen [µk] Regionen in kausalem Zusammenhang T-Anisotropien auf kleinen Winkelskalen q ~1 (l ~ 200) sind bei t = t dec in kausalem Zusammenhang (Gravitation Strahlungsdruck) Abschätzung der kausalen Winkelskala q dec (heute, t 0 = 13.7 Mrd. Jahre): 1.Peak Zeit der CMB-Entkopplung: t dec = J 2.Peak 3.Peak Horizont: 2 c t dec = LJ kosm. Expansion: (1 + z dec ) = 1100 akustische Oszillationen Horizont jetzt: c t dec Winkelskala jetzt: q dec 2ctdec(1 z) 1 3 c( t t ) 0 dec Multipolordnung l G. Drexlin VL06

19 akustische Oszillationen akustische Schallwellen im frühen Universum: t = t 0 : Dichtefluktuation d beginnt zu propagieren im Plasma mit v s = c / 3 t = t rec : Rekombination Schallwellen werden eingefroren mit v s = 0 t 0 < t < t rec : Oszillation zwischen Kompression Verdünnung stehende akustische Wellen mit unterschiedlichen l i Fundamentalwelle Kompression Verdünnung 1. Peak 1. Oberton 2. Peak 2. Oberton 3. Peak 3. Oberton 4. Peak Inflation zeitliche Entwicklung Rekombination G. Drexlin VL06

20 akustische Oszillationen vom MPA akustische Schallwellen im frühen Universum: 2 neugierige MPA-Postdocs beim Wellenreiten G. Drexlin VL06

21 Silk Dämpfung Silk Dämpfung: Diffusion/Strahlungsdruck der Photonen dämpft exponentiell die Weiterentwicklung von Materiefluktuationen auf den kleinsten Skalen 1000 Silk- Dämpfung Multipolordnung l strahlungsdominiertes Universum: Photonen diffundieren: keine Fluktuationen mit M < M materiedominiertes Universum: Strahlungsdruck der Photonen gegen nichtrelativistische Materie l(l+1)c l Verlauf Silk Dämpfung ohne Dämpfung mit Dämpfung Multipol l G. Drexlin VL06

22 Lage des 1. Maximums & Geometrie propagierende Schallwellen offen Topologie euklidisch die Wellenlänge l 1 der Grundschwingung ist eine absolute Größe (~ v s t dec ), wird durch die anschließende kosmische Expansion um einen Faktor (1+z) = 1100 vergrößert Beobachter Geometrie des Universums Lage des 1. akustischen (l 1 ) Peaks ist abhängig von : offen flach geschlossen Q < 1 Q = 1 Q > 1 l 1 ~ 1/ tot G. Drexlin VL06

23 1. Maximum: Schema Lage & Geometrie Temperaturfluktuationen DT Maximum bei geschlossener Geometrie tot >1 Maximum bei offener Geometrie tot < 1 geschlossen offen Multipolordnung l G. Drexlin VL06

24 Temperaturfluktuation DT [µk] Baryonendichte Baryonen-Photonen-Verhältnis: wird bestimmt aus Höhe des ersten akustischen Peaks: mehr Baryonen baryon loading größere DT-Fluktuationen b Baryonen Gegenspieler bei Oszillation: Gravitationskraft ( m, b ) Strahlungsdruck ( g ) b h Multipol l Gravitationspotenzial: - dunkle Materie: dominanter Beitrag aber wechselwirkungsfrei (keine Oszi.) - baryonische Materie: subdominant, akustische Oszillationen da Plasma G. Drexlin VL06

25 Leistungsspektrum [µk 2 ] Multipolverteilung & kosmolog. Parameter Multipolordnung l b b m tot gleiche Peaks: m ~ 5 b Winkelskala Dq G. Drexlin VL06