Kosmologie Wintersemester 2015/16 Vorlesung # 7, 01.12.2015 Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik, Fakultät für Physik Thermisches Universum - kosmische Hintergrundstrahlung Grundlagen - CMB-Experimente COBE Signal & Untergrund WMAP KIT Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu
Kerne pro Wasserstoff Masse BBN & Baryonendichte W b wichtigster BBN-Parameter: Baryon-Photon-Verhältnis h 0.019 W b h 2 0.024 (95% CL) systematische Effekte bei der BBN: CMB liefert präzisen Wert für h 4 He Produktion in der BBN: sensitiv auf Anzahl relativistischer Freiheitsgrade n eff Baryonendichte [ 10-31 g cm -3 ] LEP-Messung für Z 0 -Breite: N n = 2.994 ± 0.012 2 01.12.2015 G. Drexlin VL07
BBN & Anzahl der Neutrino-Generationen Anzahl der relativistischen Freiheitsgrade N n beeinflusst die BBN-Nukleosynthese (He-Anteil Y p ) - höheres H(t) höhere Ausfriertemperatur T fr - höheres T fr höherer Anteil an Neutronen - größeres n/p höherer He-Anteil Y p H ( t) H ( t) 2 ~ 1 7 43 N n > 1 MeV aktuell (Planck 2015): N n = 3.15 ± 0.23 3 01.12.2015 G. Drexlin VL07
3.2 kosmische Hintergrundstrahlung - Grundlagen 4 01.12.2015 G. Drexlin VL07
CMB Einordnung & Querverbindungen Big Bang CMB: Rückblick auf die Ära der Inflation & Einblick in die Strukturbildung Quantengravitation 10-43 s 10-23 s 380.000 J T = 3.000 K z = 1.100 Inflation kosmische Hintergrundstrahlung wechselwirkungsfreie Propagation der CMB heute 13.7Mrd. J T=2.7K z=0 5 01.12.2015 G. Drexlin VL07
Kosmische Hintergrundstrahlung Historie 1941: Beobachtung der Anregung von interstellaren CN Molekülen (Rotationsbanden) aus Richtung z Ophiuchi 1946: Gamov, Alpher, Herman heißer Urknall erzeugt Mikrowellenhintergrund mit heutiger T ~ 5 K 1965: A. Penzias & R. Wilson Entdeckung der CMB in Holmdel bei l =7cm (Nobelpreis 1978) 1989: Start des NASA Satelliten COBE Messung der spektralen Form mit FIRAS (Mather) 1992: Nachweis von Fluktuationen der CMB mit DMR (Smoot) 1998: Ballonexperimente messen Fluktuationen auf kleinen Winkelskalen 2001: Start der WMAP Satellitenmission, DASI sieht Polarisation 2003: erste WMAP Datenanalyse Präzisionszeitalter der Kosmologie 2006: Nobelpreis für Mather & Smoot 2009: erste Messungen von Planck (neueste Resultate: 6.2.2015) 6 01.12.2015 G. Drexlin VL07
CMB Entdeckung durch Penzias & Wilson 1965: Arno A. Penzias & Robert W. Wilson messen mit der Hornantenne der Bell Laboratories in Holmdel (NJ) bei l = 7.35 cm (!) (n = 4 GHz) eine isotrope Strahlung mit der Temperatur T = (3.5 ± 1) K theoretische Vorarbeiten & Interpretation der Resultate durch R. Dicke Radioastronomen A. Penzias & R. Wilson Nobelpreis 1978 7 01.12.2015 G. Drexlin VL07
u(l) [kj/nm] Schwarzkörperstrahlung I - Grundlagen CMB-Photonen sind im frühen Universum (T < 380.000 Jahre) in thermodynamischen Gleichgewicht mit Materie (Plasma) - Wechselwirkung über Thomson-Streuung an freien Elektronen Eigenschaften eines idealen schwarzen Strahlers - Planck sche Verteilung besitzt nur einen freien Parameter: absolute Temperatur T 800 600 400 5500 K 5000 K 4500 K 4000 K 3500 K spektrale Energiedichte u(n,t): u( n, T ) 4 I( n, T ) c 3 8 hn 1 3 hn / c e kt 1 200 500 1000 1500 2000 l [nm] Max Planck 8 01.12.2015 G. Drexlin VL07
Schwarzkörperstrahlung II - Grundlagen Schwarzkörperstrahlung = dichteste räumliche Packung von Photonen, d.h. 1 Photon im Volumen V = l 3 für die Photonendichte gilt r g ~ 1 / l 3 Heutige Temperatur der CMB: T = 2.725 K damit ergibt sich unter Nutzung des Stefan-Boltzmann-Gesetzes: u g 4.39 10 14 J m 3 Energiedichte Stefan-Boltzmann Gesetz r g r g c 2 u g 4.6510 2 c MeV 0.261 3 m 31 kg 3 m u g 2 3 15h c 3 ( kt ) 4 W g 5.0510 5 9 01.12.2015 G. Drexlin VL07
spez. Ausstrahlung W / (m² µm) Schwarzkörperstrahlung III Expansion Planck-Verteilung der CMB bleibt erhalten bei adiabatischer Expansion des Universums: Tg (z) = T g (0) (1 + z) hn(z) = hn(0) (1 + z) Temperatur Frequenz/Energie steigen an mit wachsendem z 10 8 10 4 10 0 0.1 1 10 100 Wellenlänge (µm) Wien sches Verschiebungsgesetz: l max T = 2.897 mm K für heutige CMB (T = 2.76 K) l max ~ 1 mm n max ~ 170 GHz CMB Temperaturen / Wellenlängen 10 01.12.2015 G. Drexlin VL07
Ursprung der Hintergrundstrahlung Photonen der CMB aus der Vernichtung Materie Antimaterie bei t ~ 0.1 ms BBN: Baryon-Photon-Verhältnis h ~ 10-9 hier: kein thermisches Gleichgewicht sonst h ~ 10-18! Materie eiretamitna Annihilation _ p p g + g t < 10-4 s: Materie-Antimaterie CMBR t > 10-4 s: nur Materie 11 01.12.2015 G. Drexlin VL07
Ursprung der Asymmetrie unter welchen Bedingungen entsteht eine Materie-Antimaterie Asymmetrie, damit Baryonen übrig bleiben? - keine Antimaterie im Universum sorry AMS-02 Materie 12 01.12.2015 G. Drexlin VL07 Andrej Dmitrijewisch Sacharov (1921-1989) - 1950: Tokamak-Anordnung - 1967: Baryon-Asymmetrie - 1975: Friedensnobelpreis
Ursprung der Asymmetrie nur wenn die 3 Sacharov-Kriterien erfüllt sind gelingt die Baryogenese 1 2 3 CP- und C-verletzende Prozesse verschiedene intrinsische Eigenschaften von Materie und Antimaterie (z.b. unterschiedliche Zerfallsamplituden von Kaonen / Neutrinos) kein thermodynamisches Gleichgewicht sonst ist die Teilchendichte nur abhängig von ihrer Masse (CPT-Theorem!) und der Temperatur kt des Kosmos B verletzende Prozesse Verletzung von B (Baryonenzahlerhaltung) und L (Leptonenzahlerhaltung) ist möglich in GUTs, aber die Größe (B L) bleibt erhalten! daher: zunächst Leptogenese mit L 0? Materie L-verletzender Zerfall schwerer Majorana-n s 13 01.12.2015 G. Drexlin VL07
log (r/r 0 ) Dichte r CMB: Übergang Strahlungs-Materiekosmos g a 1/ ~ t Strahlungsdichte r g (t) ~ 1/R 4 strahlungsdominiertes Universum k B T 2 ~ t 1/ 2 z eq = 1500 t ~ 30.000 Jahre Materiedichte = Strahlungsdichte t ~ 380.000 Jahre Entkopplung materiedominiertes Universum Materiedichte r m (t) ~ 1/R 3 a k B T 2 / 3 ~ t ~ t 2 / 3 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 Skalenparameter a 14 01.12.2015 G. Drexlin VL07
CMB: Übergang Plasma neutrales Gas CMB-Photonen sind über Thomson-Streuung in thermodynamischem Gleichgewicht mit Materie hohe Temperaturen: Materie ist vollständig ionisiert g + H p + e - (E g > 13.6 ev) Plasma fallende Temperaturen: Übergang zu neutralen Atomen (T ~ 3000 K) nach der Rekombination der Atome (H und He): CMB-Photonen propagieren ohne weitere Wechselwirkung durch das Universum - ideale Boten aus dem frühen Universum zum Zeitpunkt der letzten Streuung (Rekombination der Materie) Rekombination neutrale Atome 15 01.12.2015 G. Drexlin VL07
Intensität (W m -2 sr -1 ) Photon-Hintergrundstrahlungen Infrarot-, optischer, Röntgen- & g-hintergrund basieren auf zahlreichen Einzelquellen: nicht kosmologischer Ursprung (vgl. ATP-II) COBE- DIRBE IR 10-6 10-8 mev kev GeV CMB infrarot (IR) optisch Spitzer 10-10 X-Rays 10-12 Gammas 1 10 5 10 10 10 15 Frequenz (GHz) XMM-Newton 16 01.12.2015 G. Drexlin VL07
COBE Cosmic Background Explorer Erste NASA-Satelliten Mission (1989-93) mit 3 dezidierten Instrumenten zur Erforschung der CMB: Schwarzkörper? Fluktuationen? IR-Quellen? Helium Dewar thermischer Schild DMR DIRBE FIRAS DMR Elektronik FIRAS Far Infrared Absolute Spectrophotometer DMR Differential Microwave Radiometer DIRBE Diffuse Infrared Background Experiment Nobelpreis 2006 Solarzellen 17 01.12.2015 G. Drexlin VL07 polare Umlaufbahn John C. Mather George Smoot
FIRAS Far Infrared Absolute Spectrophotometer Ziel: Messung der spektralen Form der Hintergrundstrahlung (l = 0.1-10 mm) Methode: Michelson-Interferometer - Vergleich von CMB mit einem Referenz-Schwarzstrahler, externe Quelle zur Kalibration CMB beweglicher Kalibrator zu den Detektoren verschiebbarer Spiegel Stahlteiler FIRAS Horn (7 Öffnungswinkel) T = 1.5 K (gekühlt mit LHe) 18 01.12.2015 G. Drexlin VL07 Schwarzkörper- Strahler als Referenz zu den Detektoren verschiebbarer Spiegel
DMR Differential Microwave Radiometers Ziel: Nachweis von Anisotropien (Temperaturfluktuationen) in der CMB zum Test kosmologischer Modelle der Strukturbildung (vgl. Kap. 3) Methode: Messung der Temperaturdifferenz von 2 Hornantennen (Winkel 60 ) Umschalter (100 Hz Oszillator) zwischen den beiden Kanälen (Dicke-swichting) Winkelauflösung ~ 7 Antennen Wellenleiter Umschalter 19 01.12.2015 G. Drexlin VL07
Intensität (MJ Jahre/steradian) FIRAS Resultate (Mather et al.) 9 Min. Messzeit mit FIRAS zeigen: die 3 K Hintergrundstrahlung ist perfekte Schwarzkörperstrahlung Wellenlänge [mm] 2.0 1.0 0.67 0.5 400 300 400s Fehlerbalken 200 100 0 0 150 300 450 600 Frequenz (GHz) 20 01.12.2015 G. Drexlin VL07 T g = (2.725 ± 0.001)K daraus folgt mit der Relation N g 2.404 kt 2 3 c für die Anzahl N g der CMB Photonen heute: N g = (411 ± 2) / cm 3 3
DMR Resultate (Smoot et al.) 4 Jahre Messzeit mit DMR zeigen: die 3 K Hintergrundstrahlung zeigt kleine O(10-5 ) Fluktuationen in den 3 verschiedenen Frequenzbereichen erhält man sehr konsistente Temperaturverteilungen (Fluktuationen) T/T ~ -r/r Fluktuationen zeigen Beginn der kosmolog. Strukturevolution 21 01.12.2015 G. Drexlin VL07
Galaktische Koordinaten Mollweide-Projektion N galaktische Ebene galaktische Ebene S Milchstraße im IR-Licht 22 01.12.2015 G. Drexlin VL07
COBE: K Skala Isotropie 23 01.12.2015 G. Drexlin VL07
COBE: mk Skala Dipolanisotropie 24 01.12.2015 G. Drexlin VL07
COBE: µk Skala galaktisches Störsignal Fluktuationen 25 01.12.2015 G. Drexlin VL07
COBE Temperaturskalen Isotropie Dipol Fluktuationen T = 2.725 K T = 3.353 mk T = 18 µk - homogenes & isotropes Universum mit Robertson-Walker Metrik - 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 Strukturbildung - Stärke ~10-5 entspricht Vorhersage der Inflationstheorie (aber heute <r/r> ~1!) - skaleninvariante Temperaturfluktuationen 26 01.12.2015 G. Drexlin VL07
COBE: Dipolanisotropie Dipolanisotropie - dominante Anisotropie auf großen Skalen T max = (3.365 ± 0.0275) mk - Dopplereffekt durch Bewegung der Sonne relativ zum CMB-Hintergrund Dipolterm und Bewegung des Beobachters T ( ) T0 1 v c cos v = 368 km/s relativ zum CMB Bezugssystem (Rotation um galaktisches Zentrum & Fluss der lokalen Gruppe zum Shapley-Cluster) - CMB bildet ein absolutes Referenzsystem für Beobachter, ist aber kein relativistisch herausgehobenes Bezugssystem 27 01.12.2015 G. Drexlin VL07
COBE Resultate bei 31.5 / 53 / 90 GHz 31.5 GHz 53 GHz Galaxis Galaxis konsistente Temperaturfluktuationen in den drei Frequenzen 31.5/53/90 GHz - aber: deutliches nichtkosmologisches Störsignal in der galaktischen Ebene - Signal & Störeffekte sind beide (unterschiedlich) frequenzabhängig 90 GHz Galaxis -100 µk +100 µk 28 01.12.2015 G. Drexlin VL07
Modellierung der Störsignale Abtrennung der Störquellen über: - Messung in vielen verschiedenen Frequenzbereichen - genaue Modellierung der nichtthermischen & thermischen Störquellen (frequenzabhängig!) CMB freifrerauschen Staub Detektor- Cluster IR- Synchrotron Galaxien Störquellen ( Vordergrund ) 29 01.12.2015 G. Drexlin VL07
Antennentemperatur (µk) CMB Signal und Untergrund thermisch: Ekliptik, interstellarer Staub, IR-Hintergrund nicht-thermisch: relativistische e - (kosm. Strahlung) - Synchrotronstrahlung (10-100 GeV Elektronen in galaktischen Magnetfeldern mit B ~ nt) - frei-frei Streuung (galaktische HII-Regionen) 10 3 Störsignale Synchrotronstrahlung 10 2 CMB 10 1 10 0 Staub 10 100 1000 Frequenz (GHz) 30 01.12.2015 G. Drexlin VL07 Synchrotron frei-frei frei-frei Streuung: