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Der Urknall und seine Teilchen Kosmische Hintergrundstrahlung

Der Urknall und seine Teilchen Kosmische Hintergrundstrahlung. Ein Blick in die Vergangenheit. [1]. Überblick. Einführung Geschichte & Entdeckung Mathematische Beschreibung Anisotropie Messung Zusammenfassung. 1. Einführung. [26]. Was ist kosmische Hintergrundstrahlung?

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Der Urknall und seine Teilchen Kosmische Hintergrundstrahlung

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Presentation Transcript

  1. Der Urknall und seine TeilchenKosmische Hintergrundstrahlung Ein Blick in die Vergangenheit [1]

  2. Überblick Einführung Geschichte & Entdeckung Mathematische Beschreibung Anisotropie Messung Zusammenfassung Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  3. 1. Einführung [26] Was ist kosmische Hintergrundstrahlung? • Strahlung im Mikrowellenbereich • entstand bei der Rekombination, 380 000 Jahre nach dem Urknall • CMB = CosmicMicrowaveBackground • Schwarzkörperstrahlung • Anisotropien in Größenordnung Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  4. 1. Einführung [16] Darstellung des CMB: Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  5. 1. Einführung [36] Wie kam es zur Rekombination? • Kurz nach Urknall: Strahlungsdominiertes Universum dichtes Plasma aus Elektronen, Protonen, Neutronen & Photonen undurchsichtig für Photonen • Weitere Expansion: Energiedichte Strahlung nimmt schneller ab als Energiedichte Materie • Etwa 10 000 Jahre nach Urknall: Übergang zum Materiedominierten Universum Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  6. 1. Einführung [9] Wie kam es zur Rekombination? • Weitere Expansion: Energie der Photonen sinkt weiter • Etwa 380 000 Jahre nach Urknall: Rekombination Bildung von Wasserstoff • Weitere 10 000 Jahre: Alle Protonen & Elektronen gebunden „durchsichtiges“ Universum Vollständige Entkopplung von Strahlung & Materie Strahlung & Materie im thermodynamischen Gleichgewicht Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  7. 1. Einführung [2] Wolkenanalogon: • CMB: • Protonen & Elektronen: → undurchsichtig für Photonen • Wasserstoff → durchsichtig für Photonen • Analog: Wolkendecke • Wasserstropfen → reflektieren Licht • Wasserdampf → durchsichtig für Licht Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  8. 2. Geschichte & Entdeckung Georg Gamow, [3] George Gamow, Ralph Alpher, 1946: Vorhersage des CMB Berechnete Temperatur: 3-10K Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  9. 2. Geschichte & Entdeckung Robert Dicke, [4] Arno Penzias & Robert Wilson, [5] Robert Dicke, James Peebles,1964: Systematische Suche nach CMB Parallel: Arno Penzias, Robert Wilson: Auftrag: Optimierung Hornantenne für Radioastronomie Zufällige Entdeckung des CMB Nobelpreis 1978 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  10. 2. Geschichte & Entdeckung [6] Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel „Die einen sagten sie voraus, die anderen suchten sie und die dritten wussten nichts von beiden und fanden sie.“ „Licht vom Rande der Welt“, Rudolf Kippenhahn

  11. 2. Geschichte & Entdeckung George Smoot, [8] John Mather, [7] • Weitere erdgebundene Messungen Problem: Atmosphäre Erste Messung von Anisotropien • 1989: NASA startet COBE Planck-Verteilung Projektleiter: John Mather & George Smoot Nobelpreis 2006 • 2001: NASA startet WMAP • 2009: ESA startet PLANCK Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  12. 3. Mathematische Beschreibung [11] [10] Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  13. 3. Mathematische Beschreibung Schwarzer Körper → Planksches Strahlungsgesetz: Energiedichte: Temperatur T abhängig von der Größe des Universums: Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  14. 3. Mathematische Beschreibung Schwarzer Körper → Planksches Strahlungsgesetz: Temperatur abhängig vom Skalenfaktor S: mit • Energiedichte: mit: Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  15. 3. Mathematische Beschreibung Schwarzer Körper → Planksches Strahlungsgesetz: Temperatur abhängig vom Skalenfaktor S: wenn bekannt: Temperatur CMB heute & Größe Universum zur Zeit der Entkopplung → Temperatur CMB zur Zeit der Entkopplung Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  16. 3. Mathematische Beschreibung Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel Maximum → Wiensches Verschiebungsgesetz: • Messe Intensitätsverteilung des CMB • Suche Maximum → Temperatur der Strahlung z.B.: Sonne:

  17. 3. Mathematische Beschreibung Entwicklung nach Kugelflächenfunktionen: • l = 0 : Monopolterm → keine weitere Bedeutung • l = 1 : Dipolterm → Dipolanisotropie • l ≥ 2 : Quadrupolterm & höher → intrinsische Anisotropie Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  18. 4. Anisotropie Intrinsische Anisotropie Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel Einteilung: • Dipolanisotropie • Anisotropie auf großen Winkelskalen: • Ausdehnung > 1° • zum Zeitpunkt der Rekombination kausal nicht verknüpft • z.B. Sachs-Wolfe-Effekt • Anisotropie auf kleinen Winkelskalen: • Ausdehnung < 1° • zum Zeitpunkt der Rekombination kausal verknüpft • z.B. akustische Schwingungen, Silk Dämpfung

  19. 4. Anisotropie [12] Dipolanisotropie: • dominant auf großen Skalen • Entwicklung nach Kugelflächenfunktionen: Dipolterm, l = 1 • Dopplereffekt durch unsere Relativbewegung zum Mikrowellenhintergrund Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  20. 4. Anisotropie [25] Großwinklige intrinsische Anisotropie Kleinwinklige intrinsische Anisotropie Leistungsspektrum: Temperaturfluktuationen ∆T in Abhängigkeit von ihrer Winkelgröße Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  21. 4. Anisotropie [13] Anisotropie auf großen Winkelskalen: Zur Zeit der Rekombination: keine Wechselwirkung zwischen Teilchen außerhalb des Ereignis- horizonts Aber beobachtbar: Temperaturdifferenz durch Sachs- Wolfe-Effekt Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  22. 4. Anisotropie Sachs-Wolfe-Plateau [25] Anisotropie auf großen Winkelskalen, Sachs-Wolfe-Effekt: • Rekombination: Fluktuationen in der Energiedichte des Plasmas → Gravitationspotentiale = Punkte hoher Dichte / Temperatur • Photon „fällt“ in Potential → gewinnt an Energie → Blauverschiebung • Austritt aus Potential → muss Arbeit leisten → Rotverschiebung Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  23. 4. Anisotropie [27] Anisotropie auf großen Winkelskalen, Sachs-Wolfe-Effekt: • Woher kommen Fluktuationen? Vor Rekombination Strahlungsdruck zu groß für Bindung von Baryonen & Leptonen → Indiz für dunkle Materie, die schon vor Rekombination von Strahlung entkoppelte • Indiz für dunkle Energie: Eigenschaft der Antigravitation: Potentiale werden schwächer Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  24. 4. Anisotropie [14] Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: • Vor der Entkopplung: heißes Plasma aus Photonen, Baryonen & Elektronen, vergleichbar mit Gas • Fluktuationen in der Energiedichte (dunkle Materie): Gravitation übt Druck auf Plasma aus, dem wirkt der Strahlungsdruck ( = Photonen ) entgegen → Dichteschwankungen im Plasma → Akustische Oszillationen Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  25. 4. Anisotropie Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: • Durch Inflation im frühen Universum: Dichteschwankungen in allen Größenordnungen • Größte schwingende Plasmawolke: → genau einmal durchlaufen kleinere Wolken: höhere Schwingungsfrequenz → öfter durchlaufen größere Wolken: können keinen Strahlungsdruck aufbauen → keine Schwingung Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  26. 4. Anisotropie Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: • Durch den Urknall alle Schwingungen in Phase • Nach der Entkopplung: Strahlungsdruck entfällt, aktueller Schwingungszustand der Photonen wird „eingefroren“ → Gebiete hoher Strahlungsdichte = heiße Gebiete → Gebiete niedriger Strahlungsdichte = kalte Gebiete → heute beobachtbar im CMB Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  27. 4. Anisotropie [15] Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: • Größte schwingenden Plasmawolke (Grundschwingung): → Weg den Welle bis zur Rekombination zurücklegen kann • Analog zu Schallwelle in Röhre: Oberschwingungen → verschiedene Peaks im Leistungsspektrum Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  28. 4. Anisotropie Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: Was lernen wir aus den akustischen Oszillationen? Geometrie des Universums bestimmt durch Dichteparameter der verschiedenen Materie- und Energiekomponenten: • Dunkle Energie: • Materie (dunkle + baryonische): • Strahlung: → vernachlässigbar Wenn: • Ωtot >1→ geschlossenes, sphärisches Universum • Ωtot <1→ offenes, hyperbolisches Universum • Ωtot =1 → flaches, euklidisches Universum Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  29. 4. Anisotropie Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: Berechnung: Wellenlänge Grundschwingung sichtbar unter 1° Annahme: flaches Universum, Winkelsumme im Dreieck 180° Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  30. 4. Anisotropie geschlossen offen flach [17] Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: Messung: 1.Peak bei ≈1°→ flaches Universum Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  31. 4. Anisotropie Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: Flaches Universum → Aus Supernovaedaten: Expansionsbeschleunigung des Universums → Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  32. 4. Anisotropie Genaue Bestimmung der Dichte der Dunklen Energie & der Materiedichte! Materie ≈ 30% der Energie Dunkle Energie ≈ 70 % der Energie [37] [29] Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  33. 4. Anisotropie [25] 1. Akustischer Peak 3. Akustischer Peak Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: Warum nimmt Amplitude der Peaks ab? → Gravitation und Silk Dämpfung • Dunkle Materie entkoppelte vor Rekombination von Strahlung → Fluktuationen in Energiedichte • Aber Baryonen: massebehaftet! üben zusätzlichen Druck auf Plasma aus → Baryon Loading Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel 2. Akustischer Peak 2. Akustischer Peak

  34. 4. Anisotropie [28] Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: • Grundschwingung & ungerade Peaks: Gravitation & akustische Oszillation verstärken sich, konstruktive Überlagerung Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  35. 4. Anisotropie [28] Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: • 1. Oberschwingung & gerade Peaks: Gravitation dämpft akustische Oszillation, destruktive Überlagerung Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  36. 4. Anisotropie [34] Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: • Baryonen haben vernachlässigbare Masse: → symmetrische Schwingung um Nulllage Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  37. 4. Anisotropie [34] Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: • Mehr Baryonen im Plasma: → „Masse an der Feder“, „Schwere Kugeln“ → stärkere Kompression des Plasmas in Potentialtöpfen → asymmetrische Schwingung → Peaks „Verdichtung“ > Peaks „Auseinanderdrücken“ Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  38. 4. Anisotropie [34] Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: • Im Leistungsspektrum: Auftragung des Betrags des Temperaturunterschieds → 1. & 3. Peak > 2. Peak Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  39. 4. Anisotropie Exponentielle Dämpfung [30] Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Silk Dämpfung: Warum ist der 3. Peak < als der 2. Peak? Exponentielle Dämpfung der akustischen Peaks auf kleinen Winkelskalen: → Entkopplung: nicht instantan → Photonen führen Zufallsbewegung aus Wenn zurückgelegte Strecke > Wellenlänge akustische Schwingung: → mischen heißer und kalter Regionen → Dämpfung Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  40. 4. Anisotropie [33] Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Silk Dämpfung: Mischen heißer und kalter Regionen: Aus ersten drei Peaks: Form des Universums, Dichte der Baryonen & der dunklen Materie → Berechnung der Strecke → Vergleich mit Dämpfung in Leistungsspektrum → Test der Werte Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  41. 4. Anisotropie 1. Akustischer Peak → flaches Universum 2. & 3. Akustischer Peak → Materiedichte Sachs-Wolfe-Plateau → Indiz: Dunkle Energie Silk- Dämpfung → Überprüfung [30] Leistungsspektrum: Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  42. 5. Messung CBI, [17] BOOMERanG, [18] • Erdgebundene Messungen: z.B.: CBI ( = CosmicBackground Imager): Chile, 1999-2008 • Ballonexperimente: z.B.: BOOMERanG( = Balloon Observations Of MillimetricExtragalactic Radiation and Geophysics): Südpol, 1997-2003 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  43. 5. Messung [20] [21] [32] Überblick: • Satelliten: • COBE ( = CosmicBackground Explorer) NASA, 1989-1993 • WMAP ( = Wilkinson MicrowaveAnisotropyProbe) NASA, 2001-2010 • PLANCK: ESA, 2009-2011/2012 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  44. 5. Messung [19] • COBE = CosmicBackground Explorer • NASA, 1989-1993 • Zeigte das Spektrum CMB = Schwarzkörperspektrum mit Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  45. 5. Messung • COBE = CosmicBackground Explorer • Hauptbestandteile: • FIRAS ( = Far Infrared Absolute Spectrophotometer) genaue Messung CMB & Emissionsspektrum Galaxie, Mather • DMR ( = Differential MicrowaveRadiometers) Vermessung der Anisotropien, Smoot • DIRBE ( = Diffuse Infrared Background Experiment) Untersuchung des CIB ( = CosmicInfrared Background) Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  46. 5. Messung [22] • WMAP = Wilkinson MicrowaveAnisotropyProbe • NASA, 2001-2010 • Auflösung etwa 13‘ = 0,22° • Alter des Universums: Jahre • Energieverteilung im Universum: • 4,6% Baryonen • 23,3% Dunkle Materie • 72,1% Dunkle Energie Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  47. 5. Messung [31] • WMAP = Wilkinson MicrowaveAnisotropyProbe • Position: Lagrange Punkt L2 Lagrange Punkt: Gravitations- & Zentripetalkraft heben sich auf → WMAP führt zur Erde synchrone Bewegung aus → Vorteil: Sonne, Mond & Erde immer im Rücken → Seit 2009 befindet sich PLANCK am Punkt L2 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  48. 5. Messung [23] • PLANCK • ESA, 2009- 2011/2012 • Auflösung 5‘ = 0,08° • Hauptbestandteile: • LFI ( = Low FrequencyInstrument) Mikrowellenbereich • HFI ( = High FrequencyInstrument) Radiowellenbereich Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  49. 6. Zusammenfassung [29] • CMB entstand etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall, als Universum „durchsichtig“ wurde • zeigt, wie Universum zur Zeit der Rekombination aussah • CMB ist isotrop bis auf Anisotropien im Bereich • wichtigste Anisotropie: akustische Schwingungen • zeigt, dass Universum nahezu flach ist • Zusammensetzung unseres Universums: etwa 5% baryonische Materie, 25% dunkle Materie & 70% dunkle Energie Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

  50. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

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