Kosmische Hintergrundstrahlung

Kosmische Hintergrundstrahlung
Clemens Adler |Hauptseminar: der Urknall und seine Teilchen
8. Dezember 2006
1
Einführung
Bedeutung für die Kosmologie
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Bestimmung der kosmologischen Konstanten
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Aussagen über die Topologie des Universums
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Blick in die Kindheit des Universums
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Erklärung für die Strukturbildung im Universum
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Zeitpunkt der Entstehung der ersten Sterne
Kosmologisches Standardmodell
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Hot Big Bang
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Adiabatische Expansion
•
Kosmologisches Prinzip: auf groÿen Skalen ist das Universum homogen und isotrop
Schwarzkörperstrahlung
•
Jeder warme Körper emittiert elektromagnetische Strahung
•
Strahlung steht mit den Wänden im thermodynamischen Gleichgewicht
•
Einziger Parameter ist die Temperatur
Iv =
•
1
(2hν)3
hν
2
c
e kb T − 1
Bei adiabatischer Ausdehnung des Universums bleibt die Form der Schwarzkörperstrahlung
erhalten
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Abbildung 1: Spektrum eines schwarzen Körpers
2
Entstehung des CMB (Cosmic Microwave Background)
•
Frühes Universum: thermisches Gleichgewicht zwischen Strahlung und Materie durch ThomsonStreuung
•
Expansion => Temperatur nimmt ab
•
Bei ~ 3000K Bindung der freien Elektronen an Kerne
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Keine Streupartner für Photonen (freie Weglänge der Photonen sehr groÿ) => freie Ausbreitung der Photonen
Horizontproblem
•
Die Ereignisse mit gröÿerem Abstand als der Kausalitätshorizont während der Entkopplung
◦
(ca 1 ) können sich nicht gegenseitig beeinusst haben
•
Hintergrundstrahlung trotzdem sehr isotrop auf groÿen Skalen
•
=> Inationsmodell: Sichtbares Universum stand im kausalen Kontakt, dann sehr schnelle
(exponentielle) Ausdehnung
2
3
Anisotropie des CMB
•
Anisotropie notwendig zur Bildung von Strukturen (Galaxien, Planeten, Menschen)
Mathematische Beschreibung der Anistropie
•
Entwicklung in Kugelächenentwicklung
T (Θ, φ) =
•
X
m
am
l Yl (Θ, φ)
Groÿe Werte von l beschreiben Korrelationen unter kleinen Winkelnl
≈
180◦
απ
Abbildung 2: Multipolentwicklung
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l=0 Monopol; l=1 Dipol; l=2 Quadrupol ....
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Powerspektrum: Leistungs Korrelation über der Multipolordnung l aufgetragen
Dipolanisometrie
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Erde bewegt sich mit ca 400 km/s zum Mikrowellenhintergrund => Blauverschiebung in die
eine, Rotverschiebung in die andere Richtung
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Resultierende Temperaturdierenz
v
T (Θ) ≈ (1 + cos(Θ))
c
•
Für
Θ = 0(Vorwärtsrichtung):∆T = 3, 353mK
3
Abbildung 3: Powerspektrum
Sachs-Wolfe-Eekt
•
Korrelation bei groÿen Winkeln (l klein)
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Anisotropie: Kleine Verdichtungen => Gravitationspotenziale
•
Photon wird rotverschoben
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Gravitationspotenziale nicht durch leuchtende (baryonische) Materie möglich, weil sie durch
die Strahlungswechselwirkung homogenisiert wird
Akustische Peaks im Spektrum
•
Gravitationspotenziale ziehen Massen an => Strahlungsdruck steigt => Massen werden
wieder aus dem Topf gedrückt => Oszillator
•
Nach der Rekombination Photonen bewegen sich frei => Einfrieren der Dichteuktuationen
in den CMB
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Grundschwingungen und Oberschwingungen im Ereignishorizont
1. Akustische Peak
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Grundschwingung: höchste Wellenlänge gegeben durch den Ereignishorizont
•
Maximale Ausdehnung dieser Welle:
Θ = 1◦ ,
stimmt mit den beobachteten Abstand überein
=> Der Raum ist nicht gekrümmt k=0
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Dichteschwankungen zur Zeit der Rekombination gerade maximal, dadurch groÿer Peak
4
2. Akustische Peak
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Fluktuationen mit der halben Wellenlänge können einmal komprimieren und einmal expandieren
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Zur Zeit der Rekombination im Zustand der Expansion => Expansion nur abhängig von der
sichtbaren (baryonischen) Materie => Peak kleiner weil weniger sichtbare Materie als dunkle
Materie
Abbildung 4: 2. Peak; Rekombination be Expansion
4
Polarisation
Thomson Streuung:
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Lange vor der Entkopplung: Polarisation durch viele Stöÿe verloren
•
Kurz vor der Entkopplung: Streung
•
Nach der Entkopplung: Keine Streuung, mittlere freie Weglänge zu groÿ
•
Nach Reionisation: Streuung durch Sternentstehung
Polarisation kurz nach dem akust. Peak (l=300) und auf groÿen Abständen (l>10), Hinweis auf
Entstehung der ersten Sterne
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Messung der CMB
Erste Messungen
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Erste Entdeckung: A. McKellar 1941 Absorptionslinien in optischen Spektren von Sternen
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E. Le Roux 1956; falsche Einschätzung der Genauigkeit seiner Antenne
5
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Dicke und Peebles postulierten mit abgewandelten Urknallmodell Hintergrundstrahlung =>
beauftragten von Roll und Wilkinson eine Apparatur zur Messung zu bauen. Pensias und
Wilson kamen ihnen zuvor
•
1965 Penzias und Wilson, Bell Laboratories, Messung der Störstrahlung von der Milchstrasse,
die die Kommunikation mit Satelliten stören könnte
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Rauschen, trotz Änderung der Ausrichtung, Reinigen der Antenne, Herunterkühlen der Elektronik nicht verschwand => Kosmische Hintergrundstrahlung Nobelpreis
Cobe
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erste präzise Messung
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Messung der Anisotropie
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Bestätigung des Schwarzkörperspektrums mit hoher Genauigkeit 2,728
±
0,004 K
Abbildung 5: Messung der Schwarzkörperstrahlung durch COBE
BOOMERanG
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Messung von Anisotropien auf kleinen Winkelskalen (genauer als COBE)
WMAP
◦
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Deutlich bessere Auösung 0,2 , l≈900
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Messung von 5 verschiedenen Frequenzbändern von 23 - 94, um galaktischen Untergrund
herauszultern
Schwierigkeiten bei der Messung
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Schwierigkeiten: Thermisches Rauschen der Messgeräte
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Auösung begrenzt durch Durchmesser der Antenne
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Abbildung 6: WMAP-Satellit
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Messung über lange Zeitdauer um das Rauschen rausltern zu können
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Bei erdgebundenen Messungen: starke Abschwächung durch Atmosphäre, Überlagerung durch
deren Wärmestrahlung
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Störung durch die Milchstraÿe, galaktischen Staub
Zusammenfassung
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CMB zeigt: akustische stehende Wellen => Universum am Anfang heiÿ
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Entkopplung bei z=1100, T=3000K Universum ist ach
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CMB polarisiert => frühe Sternentwicklung
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