die kosmische hintergrundstrahlung moritz seyfried

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



• 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



• 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



Lagrangepunkte



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)

http://www.nasa.gov/

http://www.nasa.gov/

http://www.wikipedia.de/

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