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C O B E, W M A P und CBI erforschen die Mikrowellenhintergrundstrahlung Vortrag im Rahmen des Seminars „Spezielle Probleme der Astrophysik“ von Carola Gübitz am 22.4.2004 Übersicht • Historisches: Einstein, Hubble, Friedmann-Modell, Gamow, die Entdeckung der Mikrowellenhintergrundstrahlung • COBE: Messinstrumente und Ergebnisse • Entstehung der Mikrowellenhintergrundstrahlung und ihrer Anisotropien, das Leistungs-Spektrum • CBI und MAXIMA • WMAP • Zukunft: PLANCK • Zusammenfassung Aristoteles und Einstein • Aristoteles (384 bis 322 v. Chr.): Das Universum ist im Großen zeitlich unveränderlich. • Albert Einstein wandte 1917 seine Allgemeine Relativitätstheorie auf den Kosmos an: Er fand keine mathematische Lösung, die einem zeitlich unveränderlichen Weltall entsprach. ⇒ Einführung der Kosmologischen Konstante (Ë). Hubblegesetz und Rotverschiebung • Edwin Powell Hubble erforschte in den 1920er Jahren Nebel, unter anderem bestimmte er die Entfernung extragalaktischer Nebel. Rotverschiebung: Hubble-Gesetz: Hubble-Konstante: λB − λe z≡ λe cz = H 0 D H 0 = 100h km sMpc mit 0,5 ≤ h ≤ 0,8 Friedmann-Modell Hubblekonstante und Expansionsfaktor R(t) H0 = 1 dR R dt t =t0 R& 2 + kc 2 c 2 Λ 8πGρ − = 2 R 3 3 Friedmann-Gleichungen: && R& 2 + kc 2 R 8πGP 2 2 + −c Λ = − 2 R R2 c 2 Für Ë= 0 und P << ρ0c Def.: 3H 02 ρc ≡ 8πG kc 2 8πGρ 0 H + 2 = R0 3 2 0 Ω≡ ρ ρc k=0,±1 George Gamow • Bisher: - das Universum dehnt sich aus, Strahlung entfernter Objekte ist rotverschoben. - Es muss vor endlicher Zeit einen sehr dichten Anfangszustand gegeben haben. • Ein dichter Anfangszustand des Universums muss auch eine sehr hohe Temperatur gehabt haben. • Heute stark rotverschoben noch vorhanden? • Vermutung: abgekühlt auf 5-50K. 1964/65: Penzias und Wilson Arno A. Penzias und Robert W. Wilson arbeiteten bei Bell Telephone Laboratories an einer Antenne, um die Kommunikation mit Satelliten zu testen. Sie fanden ein „Rauschen“, das gleichförmig aus allen Richtungen kam. Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB = Cosmic Microwave Background) war entdeckt. T 2,7K. Nobelpreis für Physik 1978. CMB • Die Hintergrundstrahlung ist außerordentlich homogen und isotrop. Sie stellt einen Äther dar, gegen den sich die Erde bewegt, was zu einer Dopplerverschiebung führt. • Rotverschiebung des CMB: z 1080 • Bei höheren Rotverschiebungen ist das Universum undurchsichtig: die Temperatur war so hoch, dass Elektronen und Kerne als Plasma vorlagen. • Das Universum wurde bei T 3000K durchsichtig und war zu diesem Zeitpunkt etwa 400000 Jahre alt. Übersicht Experimente Abkürzung/ Name Name COBE Cosmic Background Explorer 1989-1993 Satellit MAXIMA Millimeter Anisotropy Experiment Imaging Array 1998,1999 Ballon CBI Cosmic Background Imager 1999- Boden WMAP Wilkinson Microwave Anisotropy Probe 2001- Satellit Zukunft Satellit PLANCK Zeit Art Motivation für COBE • Die kosmische Mirowellehintergrundstrahlung sollte, wenn UrknallTheorie stimmt, das Spektrum eines schwarzen Körpers haben. ⇒Spektrum der Strahlung bestimmen. • Die kosmische Hintergrundstrahlung ist sehr isotrop, gegen diesen „Äther“ bewegt sich die Erde, was zu einer Dopplerverschiebung führt. ⇒Dipolanteil der Strahlung vermessen. • Anisotropien in der Hintergrundstrahlung als Beginn der Strukturbildung im Universum? ⇒Anisotropien untersuchen. • Strahlung aus Galaxis, Sonnensystem und extragalaktischen Quellen überlagert die Hintergrundstrahlung, Wechselwirkungen mit Staub etc. ⇒Andere Strahlungsquellen und sonstige Einflüsse identifizieren. COBE • COBE = Cosmic Background Explorer • Start am 18.11.1989 • Orbit am L2-Punkt • 3 Messinstrumente: - DIRBE - FIRAS - DMR DIRBE = Diffuse Infrared Background Experiment Absolute Vermessung der Infrarotstrahlung in 10 Bändern, Wellenlängen von 1,25µm240µm. Strahlung aus Sonnensystem und Galaxis soll von der Hintergrundstrahlung unterschieden werden. In den kurzwelligen Bändern wird auch lineare Polarisation gemessen, um an interplanetarem Staub gestreutes Sonnenlicht zu identifizieren. DIRBE DIRBE FIRAS = Far Infrared Absolute Spectrophotometer Messung des Spektrums der kosmischen Hintergrundstrahlung. Differenzielle Messung durch Interferenz mit Referenzquelle. Zur Kalibrierung dient ein externer schwarzer Strahler. FIRAS Das Spektrum der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung weicht um weniger als 0,005% vom Spektrum eines schwarzen Strahlers ab. DMR = Differential Microwave Radiometer Differentielle Vermessung der Anisotropien der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung, in drei Frequenzbändern (31,5, 53 und 90GHz). Jeweils zwei 60° voneinander entfernte Himmelsausschnitte werden direkt verglichen. DMR • Dipolanteil abgezogen • Anisotropien: ∆T/T • 3 Wellenlängen: 9,5mm 5,6mm 3,3mm 10-5 COBE COBE erreichte eine Winkelauflösung von 7°, was dem 14fachen der scheinbaren Mondgröße entspricht. Entstehung der Mikrowellenhintergrundstrahlung Nach der inflationären Phase kühle sich das Universum innerhalb von 380000 Jahren auf etwa 3000K ab. Erst zu diesem Zeitpunkt entstehen neutrale Atome, das Universum wird optisch dünn. Innerhalb der „undurchsichtigen Phase“ müssen die Fluktuationen in der Mikrowellenhintergrundstrahlung entstanden sein. Wie entstehen die Anisotropien? • Man nimmt an, dass drei Effekte die Größe der Anisotropien beeinflussen: - Der Sachs-Wolfe Effekt - Schallwellen - Die Silk-Dämpfung Der Sachs-Wolfe-Effekt • Die Dunkle Materie hatte bereits Strukturen ausgebildet, bevor das kosmische Plasma soweit auskühlte, dass sich Atome bildeten und das Universum durchsichtig wurde. An Stellen größerer Dichte bewegten sich die entstandenen Photonen also gegen eine stärkere Gravitation. • Der Sachs-Wolfe-Effekt beruht also auf gravitativer Rotverschiebung. Schallwellen • Gravitation verdichtet das Materiegemisch (Dunkle Materie, Baryonen, Photonen) solange, bis der Druck der Baryonen und Photonen die Gravitation überwiegt und die Materie wieder auseinander treibt. • Das Materiegemisch gerät also in Schwingungen. • Die Schwingungen breiten sich mit Schallgeschwindigkeit ( 0,6c ) aus. • Es können nur Materiewolken schwingen, die während 380000Jahren wenigstens einmal von einer Schallwelle durchlaufen werden können. ⇒Schallhorizont 240000Lichtjahre. Silk-Dämpfung • Zu kleine Materiewolken wurden zerstört, da die Photonen zu schnell aus ihnen herausströmten, um Schwingungen anzuregen. ⇒ Struktur der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung sollte also eine bestimmte Größe haben, die dem Schallhorizont entspricht. Doch unter welchem Winkel sehen wir heute, etwa 13,7 Milliarden Jahre später, eine Strecke von 240000 Lichtjahren (den Schallhorizont) ? Leistungsspektrum • Ein Fenster festgelegter Größe wird über die Karte der Mikrowellenhintergrundstrahlung geschoben und es wird die Durchschnittstemperatur jedes Fensters mit der Gesamt-Durchschnittstemperatur verglichen. • Dies wird für verschiedene Fenstergrößen durchgeführt. • Schließlich kann man die mittleren Temperaturabweichungen gegen die Fenstergrößen auftragen. Die CMB-Karte wird durch Punkte T(l,b) (Temperatur bei Länge und Breite) beschrieben. Winkelkorrelationsfunktion: C (Θ ) = ∆T (l , b )∆T (l´, b´) Leistungsspektrum: Cl = alm T (l , b ) = ∑lm almYlm (l , b ) 2 Zusammenhang über: C (Θ ) = 1 4π ∑ (2l + 1)C P (cos Θ) l l l Leistungsspektrum Das Leistungsspektrum ist abhängig von verschiedenen kosmologischen Parametern. Wird also das Leistungsspektrum der kosmischen Hintergrundstrahlung mit ausreichender Genauigkeit gemessen, kann man daraus diese Konstanten bestimmen. Hinweis: Winkelskala und Skala der Multipolmomente sind umgekehrt proportional. Leistungsspektren verschiedener Experimente Leistungsspektren von 22 Experimenten, zusammen mit einem „besten“ Fit. ⇒ Ziel: Winkelauflösung erhöhen, Fehler verringern. MAXIMA • MAXIMA = Millimeter Anisotropy Experiment Imaging Array • 16 Detektoren messen in drei Frequenzbereichen (150, 240, 410GHz). • Maximale Auflösung 10arcmin. • 1998 wurde in einer Nacht einen Ausschnitt von 122 Quadratgrad vermessen. MAXIMA: Ergebnisse CBI CBI=Cosmic Background Imager • CBI ist ein aus 13 Elementen aufgebautes Interferometer. • CBI misst auf Winkelskalen von 5arcmin bis 1° (300< l <3000). • Frequenzbereich von 26-36GHz in 10 1-GHz-Bändern. • CBI ist seit November 1999 in Betrieb. Chile, Bergplateau in 5080m Höhe. CBI WMAP • WMAP = Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, Benannt nach Dr. David Wilkinson (1935-2002). • Nachfolge-Satellit für COBE. • Ziel: Karte des gesamten Himmels mit besserer Auflösung als COBE. Missionsstart am 30.6.2001 Erreichen des Orbits um L2-Punkt am 1.10.2001 WMAP Instrumente WMAP misst in fünf Frequenzbereichen, ähnlich wie COBE-DMR durch direkten Vergleich zweier Himmelssausschnitte, die 141° auseinanderliegen. Ergebnisse von WMAP K Band, 13mm Ka Band, 9,1mm Q Band, V Band, 7,3mm 4,9mm W Band, 3,2mm Q=rot V=grün W=blau WMAP: Karte und Leistungsspektrum „Beste Parameter“ Zukunft: PLANCK • Geplanter Missionsstart Februar 2007 • Geplantes Missionsende 2008 oder 2009 • Gewicht: 1800kg, Transport mit Ariane 5 • Orbit am L2-Punkt PLANCK • Instrumente an Bord: HFI und LFI (High/Low Frequency Instrument). • Decken in 10 Bändern einen Frequenzbereich von 27GHz bis 1THz ab. • Winkelauflösung: bis zu 10arcmin. Zusammenfassung • Entdeckung der Mikrowellenhintergrundstrahlung 1965 durch Penzias und Wilson. • Die Mikrowellenhintergrundstrahlung - ist sehr isotrop, hat eine Temperatur von 2,725K. - hat das Spektrum eines schwarzen Strahlers. - wurde emittiert, als der Universum erst 300000Jahre alt war. - zeigt Anisotropien im µK-Bereich. • Viele Experimente untersuchten bzw. untersuchen die Mikrowellenhintergrundstrahlung: COBE, MAXIMA, CBI, WMAP, PLANCK. • Aus den Ergebnissen, darstellbar in Leistungsspektren, lassen sich viele kosmologische Parameter ableiten. Quellen • • • • • • • • • • Skript zur Vorlesung „Einführung in die Astronomie und Astrophysik“ Sterne und Weltraum Special 2: „Schöpfung ohne Ende“ Sterne und Weltraum Special 1/03: „Das junge Universum“ Artikel aus: Physik in unserer Zeit „Astronomen entziffern das Buch der Schöpfung“ C.L. Bennet et al.: „First Year WMAP Observations: Preliminary Maps and Basic Results“ http://lambda.gsfc.nasa.gov http://map.gsfc.nasa.gov http://astro.estec.esa.nl/PLANCK/ http://cosmology.berkeley.edu http://www.astro.caltech.edu/~tjp/CBI Ende und Diskussion
