Die kosmische Hintergrundstrahlung (CMB)

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1 Die kosmische Hintergrundstrahlung (CMB) Hauptseminarvortrag von Stephan Beyer SOFTWARE-ENTWURF UND -QUALITÄT INSTITUT FÜR PROGRAMMSTRUKTUREN UND DATENORGANISATION, FAKULTÄT FÜR INFORMATIK KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Vorhersage und Entdeckung der Strahlung der Strahlung 5. der Strahlung 6. des Universums

3 Zeitliche Einordnung

4 Einleitung Strahlung im Mikrowellenbereich (1 mm bis 300 mm) Spektrum eines Schwarzen Körpers Temperatur von K Sehr isotrop n im mk- und µk-bereich Rückschlüsse auf Geometrie und Struktur des Universums

5 Historie 1941: Beobachtung von Absorptionslinien im interstellarem Gas (Ursache blieb ungeklärt) 1948: G. Gamov, R. Alpher, R.Herman sagen Strahlungshintergrund (Urknalltheorie) voraus Schätzungen reichen von 4 bis 40 Kelvin 1964: Entdeckung durch A. Penzias und R.W.Wilson und Interpretation u.a. durch R. Dicke 70er: Etablierung des Urknallmodells aufgrund der Bestätigung der Schwarzkörperform

6 Entdeckung Zufällige Entdeckung bei Arbeiten an einer neuen empfindlichen Antenne (Bell Laboratories, Holmdel) Isotropes Störsignal bei Abb. 1: Penzias und Wilson

7 Entdeckung Zeitgleich bereiteten R. Dicke, J. Peebles, D. Wilkinson Experimente zur Suche vor (nur 60 km entfernt in Princeton) Penzias hört von der Theorie einer Hintergrundstrahlung, welche im Mikrowellenbereich liegen soll Kontaktaufnahme mit Dicke und Interpretation Veröffentlichung zweier Artikel im Astrophysical Journal Penzias und Wilson erläuterten ihre Vorgehensweise Dicke erklärte, worum es sich bei der Strahlung handelte 1978: Nobelpreis für Penzias und Wilson

8 Universum expandiert Kosmologische Rotverschiebung Änderung der Teilchen-/Energiedichten Strahlung und Materie im thermischen Gleichgewicht im frühen Universum Schwarzkörperspektrum

9 Kosmologische Rotverschiebung Rotverschiebung: Vergrößerung der Raumzeit bewirkt Vergrößerung der Wellenlänge Mikrowellenhintergrund Definition mit Skalenparameter: häufig mit Proportionalitäten:

10 Energie-/Teilchendichte Strahlung: Volumen: Energiedichte: Stefan-Boltzmann-Gesetz: Universum kühlt bei Expansion ab: Frage: Schwarzkörperform erhalten?

11 Schwarzkörperspektrum Planck: Mittlere Photonenenergie: Expansion reduziert Teilchendichte Rotverschiebung senkt Frequenz Dies ergibt ein Spektrum bei geringerer Temperatur. Abb. 2: Erhaltung der Schwarzkörperform

12 Photonen im thermodynamischen Gleichgewicht mit der vollständig ionisierten Materie Wechselwirkung in Form von Thomson-Streuung Temperatur sinkt bei Expansion Rekombination zu neutralen Atomen bei T~3000 K Zeitpunkt der letzten Streuung ~ Jahre nach Urknall Entkopplung der Strahlung von der Materie Abb

13 Frage: Baryonen-Photonen-Verhältnis Pro Baryon gibt es ~ 10 9 Photonen. Auch bei sinkender Temperatur gab es noch genügend Photonen, welche die Ionisationsenergie aufbrachten. Genaue Berechnung der Temperatur erfolgt mit Saha-Gleichung, die Zeit erhält man aus den Friedmann-Gleichungen. Temperatur von K liefert eine Rotverschiebung von: Aus der heutigen Energiedichte und der mittleren Photonenenergie bei K ergibt sich eine Dichte von ~ 400 CMB-Photonen pro Kubikzentimeter

14 n der Hintergrundstrahlung Wie konnten sich Strukturen bilden, wenn die Strahlung so homogen und isotrop erscheint? Es muss schon vor der Rekombination Dichteschwankungen gegeben haben! Diese müssen sich in Temperaturschwankungen niederschlagen! Abb. 4: Informationen aus der letzten Streuung

15 n der Hintergrundstrahlung : erfolglose Suche nach diesen n 1992: COBE DMR (G. Smoot) entdeckt primäre Temperaturanisotropien Isotropie Primäre A.: verursacht durch Effekte zur Zeit der Rekombination Sekundäre A.: verursacht durch spätere Effekte Der rote Gürtel (unteres Bild) erscheint aufgrund der galaktischen Emission der Milchstraße Winkelauflösung von ~10 Dipol Dichtefluktuationen Abb. 5: COBE DMR Images

16 Das Leistungsspektrum Ziel: Quantifizierung der n anhand ihrer räumlichen Größe Prinzip: Wähle Punkte mit festem Abstand r Messe die Temperaturdifferenz und Korrelation auf dieser Skala Mittelung über alle Punktepaare mit festem r liefert Wert C(r) in (µk)² Wiederholung für verschiedene Punkteabstände r In der Praxis: Entwicklung nach Kugelflächenfunktionen Statt C(r) nun C l l-index ist verknüpft mit Winkelskala Abb

17 Das Leistungsspektrum Erinnerung: Horizont bei ~2 : Abb

18 (Integrierter) Sachs-Wolfe-Effekt Photonen aus Gebieten höherer Massendichte verlieren Energie beim Entkommen aus dem Gravitationspotential (Rotverschiebung, kältere Gebiete) Aber: Baryonische Materie konnte bei der damaligen Strahlungsdichte noch keine Gravitationspotentiale bilden Dunkle Materie Abb. 8 Insgesamt kommt dies einer Blauverschiebung gleich

19 Das Leistungsspektrum Erinnerung: Horizont bei ~2 : Abb

20 Akustische Schwingungen Oszillierende Dichtewellen zwischen Inflation und Rekombination Prinzip: Dunkle Materie übt Gravitationskraft auf Baryonen und Photonen aus Kompression Dem Zustand der Kompression wirkt Photonendruck entgegen Verdünnung Dunkle Materie führt keine Oszillation aus! Gleich große Materiewolken in Phase, und daher im Leistungsspektrum zu erkennen Schallgeschwindigkeit im Plasma:

21 Akustische Schwingungen Abb Peak entspricht der Grundschwingung Baryonendichte im durch Dunkle Materie gebildeten Potentialtopf maximal Zusammenhang: Gravitative Rotverschiebung dreht das Temperaturverhalten um

22 Akustische Schwingungen 1. Oberton Abb. 11 Kleinere Gebiete erreichen schneller den Zustand der Verdichtung Bei Rekombination daher gerade wieder den Zustand der Verdünnung erreicht Druck und Gravitation in Gegenphase Temperaturdifferenzen dadurch geringer 2. Peak niedriger

23 Silk-Dämpfung Silk-Dämpfung unterbindet kleinere Materieansammlungen bemerkbar auf kleinen Skalen Abb. 12 Ursache: Photonen wechselwirken noch während der Phase der Rekombination mit Baryonen und treiben noch nicht so massereiche Materiewolken wieder auseinander. Homogenisierung der Hintergrundstrahlung Weiterer Hinweis für Dunkle Materie, da weiterhin kleine n beobachtet werden

24 des Universums Wie trägt die Vermessung der Kosmischen Hintergrundstrahlung zu diesem Bild bei? Abb. 13: Universe Content - WMAP 9yr Pie Chart

25 des Universums Beschreibung des Universums durch Dichteparameter: Baryonen, Dunkle Materie, Vakuumenergiedichte/Dunkle Energie Parameter für die Strahlungsdichte vernachlässigbar Abb. 14: Geometrie des Universums

26 Lage des 1.Peaks und Geometrie Akustische Welle kann eine maximale Ausdehnung von erreichen Diese wird durch die Expansion um das 1100-fache vergrößert Abschätzung des Winkels unter dem der 1.Peak beobachtet wird: Schallhorizont ~ entfernt und Öffnungswinkel klein Exakte Berechnung (ART) liefert Abb

27 Lage des 1.Peaks und Geometrie Vergleich mit Leistungsspektrum: flach: geschlossen: offen: Exakt: Abb. 16 Messungen bestätigen daher, dass das Universum sehr flach ist CMB liefert

28 Kombination mit Supernovaedaten Parametrisierung der beschleunigten Expansion: Supernovaebeobachtungen liefern Daten für Gleichung Aus CMB: Daraus folgt: Abb

29 Verhältnis Dunkle Materie - Atome Wie beeinflusst dieses Verhältnis das Leistungsspektrum? Mehr Atome: Potentialtöpfe aus DM kleiner Hohe Dichte entspricht nun höherer Temperatur Gravitation dreht dieses Verhalten nicht mehr um 1.Peak wird höher Gravitation der Baryonen schwächt Verdünnungsprozess Potentialunterschiede geringer 2.Peak daher schwächer Wichtiger Indikator: Verhältnis 1.Peak zu 2.Peak Abb. 18: Universe Content WMAP 9yr Pie Chart WMAP Analyzer Tool:

30 Abbildungsverzeichnis Titelbild 1: Titelbild 2: Abb. 1: Abb. 2: Andrew Liddle, Einführung in die moderne Kosmologie, S. 85 Abb. 3: Bang/recombination2.jpg Abb. 4: Abb. 5: Abb. 6: Abb. 7: auf S.12 Abb. 8: Abb. 9: auf S.12 Abb. 10/11: Abb. 12: Ausschnitt aus auf S.12 Abb. 13: Abb. 14: Abb. 15: selbst erstellte Grafik Abb. 16: Abb. 17: Abb. 18: Alle Links wurden zuletzt am :51 abgerufen

31 Quellen Liddle, Andrew : Einführung in die moderne Kosmologie. Übers. von Sybille Otterstein. Weinheim: WILEY-VCH, Klapdor-Kleingrothaus, Hans Volker / Zuber, Kai: Teilchenastrophysik. Stuttgart: Teubner, de Boer, Wim: Transparente der Vorlesung Einführung in die Kosmologie (WS2012/13) Drexlin, Guido: Transparente der Vorlesung Astroteilchenphysik (WS2012/13) Hu, Wayne / White Martin: The Cosmic Symphony. In Scientific American. S Februar Was ist Hintergrundstrahlung? Aus der Fernseh-Sendereihe alpha-centauri. Erstmals ausgestrahlt am 13. Mai Alle Links wurden zuletzt am :51 abgerufen

32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit