Der Urknall und seine Teilchen Kosmische Hintergrundstrahlung Ein

Der Urknall und seine Teilchen Kosmische Hintergrundstrahlung Ein Blick in die Vergangenheit [1] KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft Anna Weigel

Überblick 1. Einführung 2. Geschichte & Entdeckung 3. Mathematische Beschreibung 4. Anisotropie 5. Messung 6. Zusammenfassung 2/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

1. Einführung Was ist kosmische Hintergrundstrahlung? • • Strahlung im Mikrowellenbereich • entstand bei der Rekombination, 380 000 Jahre nach dem Urknall • CMB = Cosmic Microwave Background • Schwarzkörperstrahlung • • Anisotropien in Größenordnung [26] 3/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

1. Einführung Darstellung des CMB: [16] 4/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

1. Einführung 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 [36] • Etwa 10 000 Jahre nach Urknall: Übergang zum Materiedominierten Universum 5/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

1. Einführung 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 [9] Strahlung & Materie im thermodynamischen Gleichgewicht 6/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

1. Einführung Wolkenanalogon: • CMB: - Protonen & Elektronen: → undurchsichtig für Photonen - Wasserstoff → durchsichtig für Photonen • Analog: Wolkendecke - Wasserstropfen → reflektieren Licht - Wasserdampf → durchsichtig für Licht 7/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [2]

2. Geschichte & Entdeckung George Gamow, Ralph Alpher, 1946: Vorhersage des CMB Berechnete Temperatur: 3 -10 K Georg Gamow, [3] 8/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

2. Geschichte & Entdeckung Robert Dicke, James Peebles, 1964: Systematische Suche nach CMB Parallel: Robert Dicke, [4] Arno Penzias, Robert Wilson: Auftrag: Optimierung Hornantenne für Radioastronomie Zufällige Entdeckung des CMB Nobelpreis 1978 Arno Penzias & Robert Wilson, [5] 9/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

2. Geschichte & Entdeckung [6] „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 10/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

2. Geschichte & Entdeckung • Weitere erdgebundene Messungen Problem: Atmosphäre Erste Messung von Anisotropien • 1989: NASA startet COBE Planck-Verteilung Projektleiter: John Mather & George Smoot Nobelpreis 2006 John Mather, [7] • 2001: NASA startet WMAP • 2009: ESA startet PLANCK 11/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel George Smoot, [8]

3. Mathematische Beschreibung [11] [10] Theoretisch 12/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel Experimentell

3. Mathematische Beschreibung Schwarzer Körper → Planksches Strahlungsgesetz: Energiedichte: Temperatur T abhängig von der Größe des Universums: 13/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

3. Mathematische Beschreibung Schwarzer Körper → Planksches Strahlungsgesetz: Temperatur abhängig vom Skalenfaktor S: mit • Energiedichte: mit: 14/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

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 15/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

3. Mathematische Beschreibung Maximum → Wiensches Verschiebungsgesetz: • Messe Intensitätsverteilung des CMB • Suche Maximum → Temperatur der Strahlung z. B. : Sonne: 16/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

3. Mathematische Beschreibung Entwicklung nach Kugelflächenfunktionen: • l = 0 : Monopolterm → keine weitere Bedeutung • l = 1 : Dipolterm → Dipolanisotropie • l ≥ 2 : Quadrupolterm & höher → intrinsische Anisotropie 17/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

4. Anisotropie Einteilung: • Dipolanisotropie • Anisotropie auf großen Winkelskalen: - Ausdehnung > 1° - zum Zeitpunkt der Rekombination kausal nicht verknüpft Intrinsische Anisotropie - z. B. Sachs-Wolfe-Effekt • Anisotropie auf kleinen Winkelskalen: - Ausdehnung < 1° - zum Zeitpunkt der Rekombination kausal verknüpft - z. B. akustische Schwingungen, Silk Dämpfung 18/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

4. Anisotropie Dipolanisotropie: • dominant auf großen Skalen • Entwicklung nach Kugelflächenfunktionen: Dipolterm, l = 1 • Dopplereffekt durch unsere Relativbewegung zum Mikrowellenhintergrund • 19/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [12]

4. Anisotropie Leistungsspektrum: Temperaturfluktuationen ∆T in Abhängigkeit von ihrer Winkelgröße [25] Großwinklige intrinsische Anisotropie Kleinwinklige intrinsische Anisotropie 20/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

4. Anisotropie auf großen Winkelskalen: Zur Zeit der Rekombination: keine Wechselwirkung zwischen Teilchen außerhalb des Ereignishorizonts Aber beobachtbar: Temperaturdifferenz durch Sachs. Wolfe-Effekt [13] 21/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

4. 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 Sachs-Wolfe-Plateau → muss Arbeit leisten → Rotverschiebung [25] 22/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

4. 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 [27] 23/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

4. 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 24/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [14]

4. 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 25/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

4. 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 26/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

4. 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 [15] 27/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

4. 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 28/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

4. Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: Berechnung: Wellenlänge Grundschwingung sichtbar unter 1° Annahme: flaches Universum, Winkelsumme im Dreieck 180° 29/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

4. Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: Messung: 1. Peak bei ≈1°→ flaches Universum geschlossen offen flach [17] 30/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

4. Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: Flaches Universum → Aus Supernovaedaten: Expansionsbeschleunigung des Universums → 31/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

4. Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: Genaue Bestimmung der Dichte der Dunklen Energie & der Materiedichte! Materie ≈ 30% der Energie Dunkle Energie ≈ 70 % der Energie [37] 32/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [29]

4. Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: Warum nimmt Amplitude der Peaks ab? → Gravitation und Silk Dämpfung 1. Akustischer Peak • Dunkle Materie entkoppelte vor Rekombination von Strahlung 3. Akustischer Peak 2. Akustischer Peak → Fluktuationen in Energiedichte 2. Akustischer Peak • Aber Baryonen: massebehaftet! üben zusätzlichen Druck auf Plasma aus → Baryon Loading 33/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [25]

4. Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: • Grundschwingung & ungerade Peaks: Gravitation & akustische Oszillation verstärken sich, konstruktive Überlagerung [28] 34/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

4. Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: • 1. Oberschwingung & gerade Peaks: Gravitation dämpft akustische Oszillation, destruktive Überlagerung [28] 35/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

4. Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: • Baryonen haben vernachlässigbare Masse: → symmetrische Schwingung um Nulllage [34] 36/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

4. 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“ [34] 37/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

4. Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Akustische Oszillationen: • Im Leistungsspektrum: Auftragung des Betrags des Temperaturunterschieds → 1. & 3. Peak > 2. Peak [34] 38/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

4. Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Silk Dämpfung: Warum ist der 3. Peak < als der 2. Peak? Exponentielle Dämpfung der Exponentielle Dämpfung akustischen Peaks auf kleinen Winkelskalen: → Entkopplung: nicht instantan → Photonen führen Zufallsbewegung aus [30] Wenn zurückgelegte Strecke > Wellenlänge akustische Schwingung: → mischen heißer und kalter Regionen → Dämpfung 39/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

4. Anisotropie auf kleinen Winkelskalen, Silk Dämpfung: Mischen heißer und kalter Regionen: [33] Aus ersten drei Peaks: Form des Universums, Dichte der Baryonen & der dunklen Materie → Berechnung der Strecke → Vergleich mit Dämpfung in Leistungsspektrum → Test der Werte 40/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

4. Anisotropie Leistungsspektrum: 1. Akustischer Peak → flaches Universum Sachs-Wolfe-Plateau → Indiz: Dunkle Energie 2. & 3. Akustischer Peak → Materiedichte Silk- Dämpfung → Überprüfung [30] 41/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

5. Messung • Erdgebundene Messungen: z. B. : CBI ( = Cosmic Background Imager): Chile, 1999 -2008 • Ballonexperimente: z. B. : BOOMERan. G ( = Balloon Observations CBI, [17] Of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics): Südpol, 1997 -2003 BOOMERan. G, [18] 42/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

5. Messung Überblick: • Satelliten: - COBE ( = Cosmic Background Explorer) [20] NASA, 1989 -1993 - WMAP ( = Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) NASA, 2001 -2010 [21] - PLANCK: ESA, 2009 -2011/2012 [32] 43/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

5. Messung • COBE = Cosmic Background Explorer - NASA, 1989 -1993 - Zeigte das Spektrum CMB = Schwarzkörperspektrum mit [19] 44/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

5. Messung • COBE = Cosmic Background Explorer - Hauptbestandteile: • FIRAS ( = Far Infrared Absolute Spectrophotometer) genaue Messung CMB & Emissionsspektrum Galaxie, Mather • DMR ( = Differential Microwave Radiometers) Vermessung der Anisotropien, Smoot • DIRBE ( = Diffuse Infrared Background Experiment) Untersuchung des CIB ( = Cosmic Infrared Background) 45/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

5. Messung • WMAP = Wilkinson Microwave Anisotropy Probe - 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 46/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [22]

5. Messung • WMAP = Wilkinson Microwave Anisotropy Probe - Position: Lagrange Punkt L 2 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 L 2 47/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [31]

5. Messung • PLANCK - ESA, 2009 - 2011/2012 - Auflösung 5‘ = 0, 08° - Hauptbestandteile: • LFI ( = Low Frequency Instrument) Mikrowellenbereich • HFI ( = High Frequency Instrument) Radiowellenbereich 48/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel [23]

6. Zusammenfassung • 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 [29] 49/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 50/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

Abbildungsverzeichnis & Quellen Abbildungsverzeichnis: [1]: http: //sci. esa. int/science-e/www/object/index. cfm? fobjectid=47339 [2]: http: //wmap. gsfc. nasa. gov/mission/sgoals_parameters_wmap. html [3]: http: //www. nndb. com/people/349/000099052/ [4]: http: //www. aip. org/history/acap/images/bios/dicker. jpg [5]: http: //media-2. web. britannica. com/eb-media/13/126913 -004 -FACDDAAB. jpg [6]: http: //www. kosmologs. de/kosmo/gallery/6/Horn_Antenna-in_Holmdel_New_Jersey. jpg [7]: http: //www. universetoday. com/wp-content/uploads/2009/03/john-mather-2008. jpg [8]: http: //blog. wizzy. com/public/AIMS/Photo_Smoot. jpg [9]: http: //background. uchicago. edu/~whu/Sci. Am/sym 2. html [10]: http: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Blackbody. Spectrum_lin_150 dpi_de. png [11]: https: //www. wiki. ed. ac. uk/download/attachments/38634225/image 001. gif [12]: http: //map. gsfc. nasa. gov/media/Content. Media/990100 b. jpg [13]: http: //background. uchicago. edu/~whu/beginners/infl. html [14]: http: //background. uchicago. edu/~whu/intermediate/gravity. html [15]: http: //background. uchicago. edu/~whu/Sci. Am/sym 2. html [16]: http: //wmap. gsfc. nasa. gov/media/030640/index. html [17]: http: //wmap. gsfc. nasa. gov/media/990006/index. html [18]: http: //en. wikipedia. org/wiki/File: Boomerang_Telescope. jpeg 51/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

Abbildungsverzeichnis & Quellen Abbildungsverzeichnis: [19]: http: //lambda. gsfc. nasa. gov/product/cobe_image_table. cfm [20]: http: //wmap. gsfc. nasa. gov/media/990166/index. html [21]: http: //wmap. gsfc. nasa. gov/media/101082/index. html [22]: http: //wmap. gsfc. nasa. gov/media/990387/index. html [23]: http: //sci. esa. int/science-e/www/object/index. cfm? fobjectid=47345 [24]: http: //background. uchicago. edu/~whu/physics/projection. html [25]: http: //blogs. discovermagazine. com/cosmicvariance/2006/10/25/reconstructing-inflation/ [26]: http: //wmap. gsfc. nasa. gov/media/101080/index. html [27]: http: //cmbcorrelations. pbworks. com/w/page/4563976/Front. Page [28]: http: //background. uchicago. edu/~whu/Sci. Am/sym 3 b. html [29]: http: //www. weltderphysik. de/de/5068. php? i=5158 [30]: http: //en. wikipedia. org/wiki/Silk_Damping [31]: http: //wmap. gsfc. nasa. gov/media/990528/index. html [32]: http: //www. kosmologs. de/kosmo/blog/einsteins-kosmos/allgemein/2009 -07 -09/wird-planck-unsere-sicht-auf-das-weltall-ver-ndern [33]: http: //background. uchicago. edu/~whu/intermediate/damping 1. html [34]: http: //background. uchicago. edu/~whu/intermediate/baryons 2. html [35]: http: //background. uchicago. edu/~whu/intermediate/baryons 3. html [36]: Skript „Einführung in die Kosmologie“, Prof. Dr. W. de Boer, Juni 2004, S. 56 [37]: http: //www. jrank. org/space/pages/2301/dark-energy. html 52/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel

Abbildungsverzeichnis & Quellen: • http: //lambda. gsfc. nasa. gov/product/cobe/ • http: //www. esa. int/SPECIALS/Planck/index. html • http: //background. uchicago. edu/ • Uni Karlsruhe, Hauptseminar „Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik“, 2008, Vortrag von Stefan Braun: „WMAP“ • KIT, Hauptseminar „Der Urknall und seine Teilchen“, 2011, Vortrag von Alexander Bett: „Die Temperaturentwicklung des Universums“ • „Teilchenastrophysik“, H. V. Klapdor-Kleingrothaus und K. Zuber, Teubner Studienbücher, 1997 • „Der Nachhall des Urknalls“, Torsten A. Enßlin, Physik Journal 5 (2006) Nr. 12 • „Der Nachhall des Urknalls“, Gerhard Börner, Physik Journal 4 (2005) Nr. 2 • „Das elegante Universum“, Brian Greene , Goldmann Verlag, 2005 • „Cosmology, The Origin and Evolution of Cosmic Structure“, Peter Coles und Francesso Lucchin, John Wiley & Sons, Ltd. 2002 • Skript „Einführung in die Kosmologie“, Prof. Dr. W. de Boer, Juni 2004 53/53 27. 05. 2011 Kosmische Hintergrundstrahlung, Anna Weigel