Die kosmische Hintergrundstrahlung
Moritz Seyfried
Inhaltsübersicht
• Chronologie der Entdeckung
• Ursprung der CMB
• Verschiedene
Messmöglichkeiten/ Messungen
• Betrachtung der Messergebnisse
• Folgerungen aus der CMB
1946: Big-Bang Modell von Gamov
- Universum entstand aus Singularität
- Anfangs extrem hohe Dichte und Druck
Kernreaktionen waren möglich
George Gamov
1948: Alpher, Bethte, Gamov können über die Big-Bang Theorie die Häufigkeit von Helium im Universum erklären
Ralph Alpher
Hans Bethe
)(
1948: Alpher, Herman berechnen eine 5K
Hintergrundstrahlung
Robert Dicke
1964: Dicke + Peebles berechnen eine 10K Hintergrundstrahlung
Robert Herman
Alternative: Steady-State Theorie
• 1946: Bondi, Gold, Hoyle suchten Alternative zu Big-Bang
Alternative: Steady-State Theorie
• 1946: Bondi, Gold, Hoyle suchten Alternative zu Big-Bang
• 1948: Steady-State Universum: - bleibt für alle Zeiten gleich - gibt kein Anfang und keine Ende - konstante Anzahl von Materie wird geschaffen: ein paar H-Atome pro m³ + 10 Milliarden Jahre
Alternative: Steady-State Theorie
• 1946: Bondi, Gold, Hoyle suchten Alternative zu Big-Bang
• 1948: Steady-State Universum: - bleibt für alle Zeiten gleich - gibt kein Anfang und keine Ende - konstante Anzahl von Materie wird geschaffen: ein paar H-Atome pro m³ + 10 Milliarden Jahre
Steady-State Theorie konnte die Heliumhäufigkeit im Universum nicht klären
Entdeckung der CMB
Entdeckung der CMB
• 1964 forschten R. Wilson + A. Penzias an den Bell Telephone Laboratories an einer Antenne zur Satellitenkommunikation
• Ständiges Rauschen in allen Richtungen bei mit für therm. GG folgt T=3,3K
• Alle Versuche dies zu beheben scheiterten• 1965: Veröffentlichung zus. mit Bericht von
Dicke + Peebles• 1978: Wilson + Penzias bekommen Nobelpreis
111107,1 s
hTkB 3
Ursprung der CMB
Schwarzkörper
Körper, der sich im thermodyn. GG befindet und die gesamte auftretende Energie der em. Strahlung unabhängig von Einfallsrichtung und Polarisation absorbiert. Seine Eigenschaften sind materialunabhängig und lediglich durch die Temperatur definiert.
Plancksche Strahlungsformel:
Beschreibt Energiedichte und em. Strahlung eines schwarzen Körpers in Abhängigkeit von der Frequenz v und der GG-Temperatur T:
1
8),(
3
kT
hv
e
hv
cTvU
Da Schwarzkörperstrahlung nur von T abhängt, genügt eine MessungUm das Spektrum zu extrapolieren
Wiensches Verschiebungsgesetz
Für die Wellenlänge der max. Strahlung eines schwarzen Körpers gilt:
mKT 8,2897max
Folgt direkt aus dem Planckschen Strahlungsgesetz.
Wiensches Verschiebungsgesetz
Für die Wellenlänge der max. Strahlung eines schwarzen Körpers gilt:
mKT 8,2897max
z.B. Sonne: nm500max
Knm
mKT 5796
500
8,2897
Folgt direkt aus dem Planckschen Strahlungsgesetz.
Ursprung der CMB•Nach dem Big-Bang: sehr hohe Temperaturen + große Dichte•Sehr gutes thermodyn.GG•Durch Ausdehnung sink Temperatur •379 000 Jahre nach Big-Bang rekombinieren Elektronen und Protonen zu Wasserstoff•Universum wird bei T=3000 K transparent•Durch Dehnung des Raumes starke Rotverschiebung•Heut noch 420 Photonen mit T=2,725 K pro cm³
RT /1
Ursprung der CMB
Die Photonen wurden bei T=3000 K zum letzen mal gestreut.
Man erhält ein Bild des Universums, wie es vor 13,7 Milliarden Jahren war.
Materiedominiert:
)(
1)(
tRtT R=Skalenfaktor, 1)( 0 tR
3/2)()( ttT 90 107,13 t Jahre
3/2
0
0 )(
)(
rec
rec
t
t
tT
tT aaK
Ktrec 376000107,13
3000
728,2 92/3
Vergrößerung des Universums: 1100728,2
3000
0
0 K
K
T
T
R
R rec
rec
Zeitpunkt der Rekombination:
Messungen der CMB
• Ab 1965: Erdantennen, CBI in Anden• Ballonexperimente, Boomerang + Maxima• Satelliten: - 1983: IRAS, Infrared Astronomical Satellit - 1984: RELIKT,
Winkelauflösung 5,5° Temperaturauflösung 0,6 mK Dipolanisotropie- 1989: COBE, Cosmic Background Explorer- 2001: (W)MAP, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe
Erdgebundene Messungen
Einfachste Art der Messung (Penzias, Wilson)
Problem: Absorption durch Atmosphäre
Lösung: Ballonexperimente in der oberen Atmosphäre
COBE (Cosmic Background Explorer)
Messinstrumente an Bord:-Diffuse Infrared Background Experiment-Differential Microwave Radiometer-Far Infrared Absolute Spectrometer
•Start 1989•Untersuchung der CMB bei verschiedenen Wellenlängen
Ergebnisse von COBE
Perfekte Homogenität bei grober Auflösung
COBE machte dieDipolanisotropie sichtbar:
Subtraktion der Dipolanisotropieliefert noch genaueres Bild
cos/1 cvTT restmov
DMR
FIRAS
Über die gemessenen Temperaturdifferenzen kann die Relativ-geschwindigkeit der Erde berechnet werden:
cos/10
cvT
Tmov
Für erhält man0 00123,10
max T
T
Umstellen obiger Formel: smcT
Tv /103100123.11 8
0
max
skm /369
Berücksichtigung der bekannten Bewegungen von Sonne und Milchstraße liefert:
skmv /600
WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)
Seit 2001 im L2-Punkt
WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)
Seit 2001 im L2-Punkt
Lagrangepunkte
WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)
Seit 2001 im L2-Punkt
Äquipotentialflächen
Lagrangepunkte
Ergebnisse von WMAP
Die Ergebnisse der fünf Frequenzen werden überlagert und somit die Galaxiestrahlung herausgefiltert
Messung bei Frequenzen von 23, 33, 41, 61 und 94 Ghz
Powerspektrum
Vergleich COBE/WMAP
WMAP hatte:-45x Temperturauflösung-33x WinkelauflösungVon COBE
Abweichungen vonMillionstel Grad wurden gemessen
Historische Entwicklung
Ergebnisse
Sonic Horizon: sss tcS
Mit und3/ccs yts 000.380
9107,133
11001000.3801tan
ct
ztc ss
009,1
Sowie t=13,7 Milliarden Jahre und z = 1100
Ergebnisse
Universum ist in sehr guterNäherung flach mitTendenz zu offen
Es gilt also: 1 NBB
Zusammensetzung der Materie
Gravitationskonstante: 0,73Materie: 0,27 (dunkle+baryonische)
Zusammensetzung der Materie
Aus Theorie:1
2
I
IB
Veränderung der bar. Masse verändert dasPowerspektrum
Ergebnisse• Universum ist 13,7 Milliarde Jahre alt, Fehler 1%
• Erste Sterne 200 Millionen Jahre nach Big-Bang
• Universum besteht zu 4% aus Materie, 23% Cold Dark Matter,
73% Dark Energy
• Schnelle Neutrinos für Strukturbildung unwichtig
• Universum ist in sehr guter Näherung flach, Tendenz zu offen
• Hubble-Parameter: H=71km/sec/Mpc
• CMB: 380.000 Jahre nach Big-Bang
T = 2,725 +/- 0,002K
• Universum wird ewig expandieren
(Dark Energy?)
• Polarisation ist Hinweis für Inflation
• Isotropie der CMB unterstützt die
isotropen, homogenen Weltenmodelle
Bedeutung der Anisotropien• Lokale Dipolanisotropie von
• Lokale Anisotropie durch Mikrowellen aus Milchstraße
• Anisotropie durch Sunayev-Zeldovich-Effekt u.a.
• Urspüngliche Anisotropie von
• Fluktuationen im frühen Universum, lokale Dichteschwankungen auf Grund der Unschärferelation
• Nur durch Existenz von Dunkler Materie (WIMPS) konnten die Dichteschwankungen bestehen
• Anisotropien sind extrem wichtig für Strukturbildung des Universums, Ursache für Entstehung der Galaxien
• Alle materiellen Objekte im Kosmos, einschließlich der Größten Strukturen mit Ausmaßen bis zu 100 Mpc könnten auf winzigste Effekte zurückgehen, die alleine durch die Quantenphysik zu erklären sind.
510T
310T
Zukünftige Möglichkeiten• Planck Surveyor (2007):
- Exaktere Messung der Anisotropie
- Polarisationsmessung
• Damit evtl. Überprüfung
der Stringtheorie (?)
• Computersimulationen an
Hochleistungsrechnern
Liertaturangaben
• http://www.nasa.gov
• http://www.wikipedia.de
• Homepage von Wayne Hu: http://background.uchicago.edu/~whu
• Carroll, Ostlie: An Introduction to Modern Astrophysics
• Bergström, Goobar: Cosmology and Particle Astrophysics
• Kutner: Astronomy
• Wim de Boer, Einführung in die Kosmologie (Skript)