Kosmische Hintergrundstrahlung Clemens Adler Hauptseminar: der Urknall und seine Teilchen 8. Dezember 2006 1 Einführung Bedeutung für die Kosmologie Bestimmung der kosmologischen Konstanten Aussagen über die Topologie des Universums Blick in die Kindheit des Universums Erklärung für die Strukturbildung im Universum Zeitpunkt der Entstehung der ersten Sterne Kosmologisches Standardmodell Hot Big Bang Adiabatische Expansion Kosmologisches Prinzip: auf groÿen Skalen ist das Universum homogen und isotrop Schwarzkörperstrahlung Jeder warme Körper emittiert elektromagnetische Strahung Strahlung steht mit den Wänden im thermodynamischen Gleichgewicht Einziger Parameter ist die Temperatur I v = (2hν)3 c 2 1 e hν k bt 1 Bei adiabatischer Ausdehnung des Universums bleibt die Form der Schwarzkörperstrahlung erhalten 1
Abbildung 1: Spektrum eines schwarzen Körpers 2 Entstehung des CMB (Cosmic Microwave Background) Frühes Universum: thermisches Gleichgewicht zwischen Strahlung und Materie durch Thomson- Streuung Expansion => Temperatur nimmt ab Bei ~ 3000K Bindung der freien Elektronen an Kerne Keine Streupartner für Photonen (freie Weglänge der Photonen sehr groÿ) => freie Ausbreitung der Photonen Horizontproblem Die Ereignisse mit gröÿerem Abstand als der Kausalitätshorizont während der Entkopplung (ca 1 ) können sich nicht gegenseitig beeinusst haben Hintergrundstrahlung trotzdem sehr isotrop auf groÿen Skalen => Inationsmodell: Sichtbares Universum stand im kausalen Kontakt, dann sehr schnelle (exponentielle) Ausdehnung 2
3 Anisotropie des CMB Anisotropie notwendig zur Bildung von Strukturen (Galaxien, Planeten, Menschen) Mathematische Beschreibung der Anistropie Entwicklung in Kugelächenentwicklung T (Θ, φ) = a m l Y m l (Θ, φ) Groÿe Werte von l beschreiben Korrelationen unter kleinen Winkelnl 180 απ Abbildung 2: Multipolentwicklung l=0 Monopol; l=1 Dipol; l=2 Quadrupol... Powerspektrum: Leistungs Korrelation über der Multipolordnung l aufgetragen Dipolanisometrie Erde bewegt sich mit ca 400 km/s zum Mikrowellenhintergrund => Blauverschiebung in die eine, Rotverschiebung in die andere Richtung Resultierende Temperaturdierenz T (Θ) (1 + v c cos(θ)) Für Θ = 0(Vorwärtsrichtung): T = 3, 353mK 3
Sachs-Wolfe-Eekt Korrelation bei groÿen Winkeln (l klein) Abbildung 3: Powerspektrum Anisotropie: Kleine Verdichtungen => Gravitationspotenziale Photon wird rotverschoben Gravitationspotenziale nicht durch leuchtende (baryonische) Materie möglich, weil sie durch die Strahlungswechselwirkung homogenisiert wird Akustische Peaks im Spektrum Gravitationspotenziale ziehen Massen an => Strahlungsdruck steigt => Massen werden wieder aus dem Topf gedrückt => Oszillator Nach der Rekombination Photonen bewegen sich frei => Einfrieren der Dichteuktuationen in den CMB Grundschwingungen und Oberschwingungen im Ereignishorizont 1. Akustische Peak Grundschwingung: höchste Wellenlänge gegeben durch den Ereignishorizont Maximale Ausdehnung dieser Welle: Θ = 1, stimmt mit den beobachteten Abstand überein => Der Raum ist nicht gekrümmt k=0 Dichteschwankungen zur Zeit der Rekombination gerade maximal, dadurch groÿer Peak 4
2. Akustische Peak Fluktuationen mit der halben Wellenlänge können einmal komprimieren und einmal expandieren Zur Zeit der Rekombination im Zustand der Expansion => Expansion nur abhängig von der sichtbaren (baryonischen) Materie => Peak kleiner weil weniger sichtbare Materie als dunkle Materie Abbildung 4: 2. Peak; Rekombination be Expansion 4 Polarisation Thomson Streuung: Lange vor der Entkopplung: Polarisation durch viele Stöÿe verloren Kurz vor der Entkopplung: Streung Nach der Entkopplung: Keine Streuung, mittlere freie Weglänge zu groÿ Nach Reionisation: Streuung durch Sternentstehung Polarisation kurz nach dem akust. Peak (l=300) und auf groÿen Abständen (l>10), Hinweis auf Entstehung der ersten Sterne 5 Messung der CMB Erste Messungen Erste Entdeckung: A. McKellar 1941 Absorptionslinien in optischen Spektren von Sternen E. Le Roux 1956; falsche Einschätzung der Genauigkeit seiner Antenne 5
Dicke und Peebles postulierten mit abgewandelten Urknallmodell Hintergrundstrahlung => beauftragten von Roll und Wilkinson eine Apparatur zur Messung zu bauen. Pensias und Wilson kamen ihnen zuvor 1965 Penzias und Wilson, Bell Laboratories, Messung der Störstrahlung von der Milchstrasse, die die Kommunikation mit Satelliten stören könnte Rauschen, trotz Änderung der Ausrichtung, Reinigen der Antenne, Herunterkühlen der Elektronik nicht verschwand => Kosmische Hintergrundstrahlung Nobelpreis Cobe erste präzise Messung Messung der Anisotropie Bestätigung des Schwarzkörperspektrums mit hoher Genauigkeit 2,728 ± 0,004 K Abbildung 5: Messung der Schwarzkörperstrahlung durch COBE BOOMERanG Messung von Anisotropien auf kleinen Winkelskalen (genauer als COBE) WMAP Deutlich bessere Auösung 0,2, l 900 Messung von 5 verschiedenen Frequenzbändern von 23-94, um galaktischen Untergrund herauszultern Schwierigkeiten bei der Messung Schwierigkeiten: Thermisches Rauschen der Messgeräte Auösung begrenzt durch Durchmesser der Antenne 6
Abbildung 6: WMAP-Satellit Messung über lange Zeitdauer um das Rauschen rausltern zu können Bei erdgebundenen Messungen: starke Abschwächung durch Atmosphäre, Überlagerung durch deren Wärmestrahlung Störung durch die Milchstraÿe, galaktischen Staub 6 Zusammenfassung CMB zeigt: akustische stehende Wellen => Universum am Anfang heiÿ Entkopplung bei z=1100, T=3000K Universum ist ach CMB polarisiert => frühe Sternentwicklung 7