Die kosmische Hintergrundstrahlung Moritz Seyfried Inhaltsbersicht Chronologie der
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 5 K Hintergrundstrahlung Robert Herman 1964: Dicke + Peebles berechnen eine 10 K Hintergrundstrahlung Robert Dicke
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, 3 K • Alle Versuche dies zu beheben scheiterten • 1965: Veröffentlichung zus. mit Bericht von Dicke + Peebles • 1978: Wilson + Penzias bekommen Nobelpreis
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 GGTemperatur T: Da Schwarzkörperstrahlung nur von T abhängt, genügt eine Messung Um das Spektrum zu extrapolieren
Wiensches Verschiebungsgesetz Für die Wellenlänge der max. Strahlung eines schwarzen Körpers gilt: Folgt direkt aus dem Planckschen Strahlungsgesetz.
Wiensches Verschiebungsgesetz Für die Wellenlänge der max. Strahlung eines schwarzen Körpers gilt: Folgt direkt aus dem Planckschen Strahlungsgesetz. z. B. Sonne:
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
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.
R=Skalenfaktor, Materiedominiert: Zeitpunkt der Rekombination: Vergrößerung des Universums: Jahre
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 m. K 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) • Start 1989 • Untersuchung der CMB bei verschiedenen Wellenlängen Messinstrumente an Bord: -Diffuse Infrared Background Experiment -Differential Microwave Radiometer -Far Infrared Absolute Spectrometer
Ergebnisse von COBE Perfekte Homogenität bei grober Auflösung COBE machte die Dipolanisotropie sichtbar: Subtraktion der Dipolanisotropie liefert noch genaueres Bild
DMR FIRAS
Über die gemessenen Temperaturdifferenzen kann die Relativgeschwindigkeit der Erde berechnet werden: Für erhält man Umstellen obiger Formel: Berücksichtigung der bekannten Bewegungen von Sonne und Milchstraße liefert:
WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) Seit 2001 im L 2 -Punkt
WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) Seit 2001 im L 2 -Punkt Lagrangepunkte
WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) Seit 2001 im L 2 -Punkt Lagrangepunkte Äquipotentialflächen
Ergebnisse von WMAP Messung bei Frequenzen von 23, 33, 41, 61 und 94 Ghz Die Ergebnisse der fünf Frequenzen werden überlagert und somit die Galaxiestrahlung herausgefiltert
Powerspektrum
Vergleich COBE/WMAP hatte: -45 x Temperturauflösung -33 x Winkelauflösung Von COBE Abweichungen von Millionstel Grad wurden gemessen
Historische Entwicklung
Ergebnisse Sonic Horizon: Mit und Sowie t=13, 7 Milliarden Jahre und z = 1100
Ergebnisse Universum ist in sehr guter Näherung flach mit Tendenz zu offen Es gilt also:
Zusammensetzung der Materie Gravitationskonstante: 0, 73 Materie: 0, 27 (dunkle+baryonische)
Zusammensetzung der Materie Aus Theorie: Veränderung der bar. Masse verändert das Powerspektrum
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=71 km/sec/Mpc • CMB: 380. 000 Jahre nach Big-Bang T = 2, 725 +/- 0, 002 K • 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.
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)
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