Kosmische Hintergrundstrahlung. Frederik Nachtrodt

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1 Kosmische Hintergrundstrahlung Frederik Nachtrodt 1

2 Inhalt Entdeckung der Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) Was ist die CMB? Ursprung Schwarzkörperstrahlung Anisotropie Messung der CMB Der COBE Satellit Der WMAP Satellit Weitere Experimente Ergebnisse der Messungen Resultate für die Astrophysik 2

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4 Galaktisches Koordinatensystem Bezugsebene: Ebene der Milchstraße Nullpunkt ist durch das galaktische Zentrum festgelegt Nächster Bezugspunkt: Radioquelle Sagittarius A* 4

5 2,7 K Hintergrundstrahlung Penzias & Wilson 1965 Entdeckung eines Hintergrundsignals (Rauschen) bei Test einer Antenne Signal entspricht Temperatur von 3,5 +/- 1,0 K Isotrop & homogen 1946 von Gamow als Überrest des Big Bang vorhergesagt 5

6 Ursprung des CMB Mit Expansion kühlt sich das Universum ab Rekombination: Elektronen verbinden sich mit Protonen zu Atomen Jahre nach Urknall bzw. Rotverschiebung z~1100 Strahlung und Materie entkoppeln, Photonen fliegen nun ungehindert durch das Universum Strahlung, die zuletzt bei einer Temperatur des Universums von 3000 K mit Elektronen streute, hat sich nun auf 2,725 +/- 0,002 K abgekühlt und wurde rotverschoben, so dass sie nun im Mikrowellenbereich beobachtet werden kann 6

7 CMB: Strahlung eines schwarzen Mikrowellenhintergrund entspricht Schwarzkörperstrahlung eines schwarzen Körpers mit T= 2,725 +/- 0,002 K Körpers Gesamtenergiedichte im Hohlraum: U (T)= σ* T 4 σ* = 7, J(m 3 K 4 ) -1 7

8 CMB: Schwarzkörperstrahlung Nach Urknalltheorie: Photonen im frühen Universum im thermischen Gleichgewicht: Universum nahezu perfekter schwarzer Körper Planck Gesetz für Schwarze Körper Differentielle Energiedichte Rotverschiebung Differentielle Photonendichte Totale Energiedichte Stefan-Boltzmann Gesetz -> Photonendichte Dominierende Strahlung, aber Massenäquivalent heute unwichtig 8

9 CMB Anisotropie Gaußförmige Fluktuationen in Temperatur Größenordnung der Fluktuationen: 10-5 K Kausaler Horizont: <1 Ursache der Fluktuationen unbekannt Temperaturfluktuationen sichtbar Jahre nach Urknall Materie kondensiert Fällt in Gravitationspotential der dunklen Materie Erste Sterne entstehen Jahre nach Urknall Galaxieketten entstehen Das Universum heute Jahre nach Urknall 9

10 CMB Anisotropie: Akustische Strahlungsdruck und Gravitation bewirken Oszillation Oszillationen Gebiete mit höherer und niedrigerer Temperatur Idee: Quantenfluktuationen im frühen Universum, durch Inflation gedehnt 10

11 Inflation Hypothese 1981 von Alan H. Guth vorgeschlagen Beschreibt inflationäre Expansion des frühen Universums Kein Element des ursprünglichen Urknallmodells Ermöglicht Erklärung einiger kosmologischer Probleme Zusammenhang der Fluktuationen der CMB auf großen Winkelskalen Magnetische Monopole Keine Erklärung für Ursache der Inflation 11

12 COBE (Cosmic Background NASA Satellit Explorer) Experimente von Messung der kosmischen Hintergrundstrahlung FIRAS: Messung des Schwarzkörperspektrums über Michelson Interferometer DMR: Messung der CMB Anisotropie über Radiometer 6 Radiometer Jedes misst die Leistungsdifferenz zwischen 2 60 voneinander entfernten Richtungen 12

13 Nobelpreisträger 13

14 COBE: CMB Anisotropie DMR: Winkelauflösung von 7 Fluktuation der CMB Temperatur von ΔT=0,003 K (Dipol), ΔT=10-5 K (nach Entfernen der Dipolstrahlung und des Vordergrunds) Tatsächliches Fluktuationsspektrum in Größenordnung von wenigen Bogenminuten 14

15 CMB Dipolmoment Erzeugt durch Bewegung der Erde relativ zum CMB mit ca. 350 km/s Temperaturunterschiede ~Δ T=0,0034 K Ausgezeichnetes Bezugssystem im Universum Unterhalb von 100 Mpc Entfernung relative Bewegungen der Galaxiengruppen aufgrund von Anhäufungen. Darüber hinaus scheint die Verteilung der Galaxien sehr homogen. 15

16 COBE - Auflösungsvermögen COBE WMAP 16

17 WMAP (Wilkinson Microwave COBE: Winkelauflösung ~ 7 Anisotropy Probe) WMAP: Winkelauflösung 0,2-0,8 Start: Juni 2001 Voraussichtliches Ende der Mission: September

18 WMAP WMAP an Lagrange-Punkt L2 1,5 Millionen Kilometer von Erde entfernt 18

19 Fehler in der WMAP-Messung Durch Abschirmung der Sonde von Strahlung und magnetischem Feld der Erde am Lagrange-Punkt L2 starke Reduzierung der systematischen Fehlerquellen des COBE-Satelliten Stabiles Design des Satelliten thermale Isolation der Messinstrumente und strahlungssichere Abschirmungen sowie unterschiedliche Radiometer Ziel von <4 µk systematischer Fehler erreicht Kontinuierliche Aktualisierung der Ergebnisse statistischer Fehler gering, letzte Veröffentlichung: 3-year-results Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Three Year Results: Implications for Cosmology hy.cfm 19

20 WMAP Frequenzen Messung der CMBR bei verschiedenen Frequenzen zum Herausfiltern des Vordergrunds WMAP Frequenzbänder bei 22 GHz, 33 GHz, 41 GHz, 61 GHz, 94 GHz im optimalen Bereich des Schwarzkörperspektrums 20

21 WMAP: Herausrechnen der Vordergrundstrahlung 33 GHz 22 GHz 41 GHz 94 GHz 61 GHz 21

22 WMAP: Anisotropie Power Spektrum Maximale Fluktuationen im Bereich von 400 µk Charakterisierung der Fluktuationen über Power Spektrum : Definieren der Gaußischen Fluktuationen Autokorrelationsfunktion Fourier-Transformierte Power Spektrum Spektralindex n = 0,7..1,3 22

23 Erweiterung der Temperaturfluktuationen in Sphärische Koordinaten Winkelkorrelation der Fluktuationen Entwicklung der Korrelationsfunktion C in Legendre-Polynome Set der C l grundlegende Beschreibung des CMB. Vergleich der gemessenen C l mit theoretisch berechneten durch Variation der kosmischen Parameter ergibt hohe Genauigkeit der Ergebnisse 23

24 WMAP-Messung der Anisotropie 24

25 Weitere Experimente ACBAR (Arcminute Cosmology Bolometer Array Receiver) Antarktisches Viper Telescope : Bisher beste Messungen über ein kleines Gebiet Boomerang (Balloon Observations Of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics) Ballonexperiment über der Antarktis CBI (Cosmic Background Imager) Interferometer in den Chilenischen Anden in der Höhe von 5000 m VSA (Very Small Array) Radioteleskop (Interferometer) auf Teneriffa 25

26 Kombination der Experimente 26

27 1. Akustischer Peak Die Position hängt stark von der totalen Dichte ab. Diese bestimmt die Krümmung des Universums und damit den Winkel, unter dem wir den akustischen Horizont heute sehen. Die Höhe hängt von der Amplitude der akustischen Schwingungen und damit von der Baryonendichte und dem Baryon-Photonverhältnis ab. Mehr Baryonen führen zu einer erhöhten Gravitationswirkung, Photonen hingegen zu höherem Strahlungsdruck. 27

28 Kosmologische Parameter Beschreibung des ΛCDM- Modells mit 6 Parametern: Materiedichte Atomdichte Expansionsrate des Universums Amplitude der primordialen Fluktuationen Skalenabhängigkeit der primordialen Fluktuationen Optische Tiefe des Universums 28

29 Kosmologische Parameter Bestimmung über numerische Rechnungen Hubble-Konstante: Expansionsrate des Universums Nicht direkt über CMB messbar Messung durch Hubble Key Project zu H 0 = 72 ± 8 Kombination der Experimente : H 0 = 70,4 ± 1,6 Materiedichte & Atomdichte: Bestimmung der Zusammensetzung des Universums Ω i Verhältnis der Dichte zu kritischer Dichte, z.b. Ω b = ρ b / ρ 0 ΛCDM Modell: Summe der Ω i = 1 flaches Universum Messung ergibt: Baryondichte (Atomdichte) = 4% Materiedichte (Dunkle Materie) = 22% Dichte der dunklen Energie = 74% v s H 0 29

30 Dunkle Materie Kalte dunkle Materie (CDM) verstärkt die höheren akustischen Oszillationen In einem Modell ohne CDM kann speziell der 3. akustische Peak nicht an die Daten angepasst werden (Δχ² = 248) Ein Modell ohne dunkle Energie wird aus den Messungen nicht ausgeschlossen (Δχ² = 0), wenn allerdings eine Hubble-Konstante H 0 > 40 km s -1 Mpc -1 angenommen wird ist das Modell nicht mehr konsistent mit den Messungen. 30

31 Ergänzungen Baryon-Photon Verhältnis Ergänzungen: Aus Messungen ergeben sich eine Obergrenze für die Neutrinomassen massive Neutrinos werden in Fit nicht bevorzugt Optimierung durch nicht-flaches Universum: Δχ² = 6 n(γ 0 ) = 412 cm -3 n(γ 0 ) / n (B 0 ) = Charakteristisch für gegenwärtiges Universum Symmetrieverletzung oder Baryonasymmetrie zu Beginn erforderlich um gegenwärtiges Verhältnis zu erklären Materie-Antimaterie Verhältnis muss mit 1 / gestört sein Keine Erklärung im Rahmen der Teilchenphysik 31

32 Entwicklung des Universums 32

33 Das Planck-Experiment Geplanter Start der ESA- Raumsonde: August 2007 Winkelauflösung: 0,09-0,18 Frequenzbereich: GHz Messung der kosmischen Parameter mit einer Genauigkeit von etwa 1% 33

34 Das Planck-Experiment Geplanter Start der ESA- Raumsonde: August 2007 Winkelauflösung: 0,09-0,18 Frequenzbereich: GHz Messung der kosmischen Parameter mit einer Genauigkeit von etwa 1% 34

35 Zusammenfassung CMB : Isotrope Hintergrundstrahlung, T= 2,725 K Bestätigt Urknallmodell Schwarzkörperstrahlung Fluktuationen: Möglicherweise Quantenfluktuationen, durch Inflation gedehnt, Ursache für Galaxien Messung der CMB: 1965 Entdeckung durch Penzias & Wilson Satelliten COBE ( ) WMAP ( ) Planck (ab 2007) Bestimmung der kosmologischen Parameter: Zusammensetzung des Universums Alter des Universums Universum ohne dunkle Energie und dunkle Materie nicht erklärbar! Noch viele Fragen offen 35

36 Ende 36

37 Weitere kosmologische Parameter Optische Tiefe: Optische Dichte bis zum Zeitalter der Reionisation Entspricht Transparenz Verhältnis emittierter Strahlung zu observierter Bestimmt die Rotverschiebung der Reionisation: z ion = Amplitude & Skalenabhängigkeit der primordialen Fluktuationen: Informationen über die Dichtefluktuationen n s (Skalenabhängigkeit; Spektralindex) misst, wie sich die Fluktuationen abhängig von der Skala ändern (n s = 1 beschreibt ein Skaleninvariantes Spektrum) 37