Chapter 10

Chapter 10
Cosmic Microwave
Background Radiation
Karl-Heinz Kampert – Univ. Wuppertal
109
Cosmology WS 2010/2011
Recap
Temperature in the past as a fct of the scale-parameter
and redshift
1
∝ (1 + z)
Tr ∝
a(t)
;
Tm
1
2
∝
∝
(1
+
z)
a(t)2
Temperature as a fct of time (for a radiation dominated Univ.)
Tr � 1.5 · 10
10
K·
�
1
t[s]
�
1.3 MeV ·
�
1
t[s]
~370000 after Big Bang; T down to ~ 3000 K
➙ electrons combine with protons
➙ neutral Atoms
➙ Universe became transparent to photons
Karl-Heinz Kampert – Univ. Wuppertal
110
Cosmology WS 2010/2011
Universe became transparent after ~380 kyrs
H
2
a−4
a−3
a
equality
now
a
!
O
g
sis
plin
u
o
c
e
d
the
n
y
s
o
nucle
On the top, evolution of the square of the Hubble parameter as a function of the scale factor in the Hot Big Bang
scenario. We see the two stages of radiation and matter domination. On the bottom, an idealization of a typical
Figuredecoupling,
2.2: On the
evolution
of the
Hubble
a baryons and
photon trajectory. Before
thetop,
mean
free pathofisthe
verysquare
small due
to the
manyparameter
interactionsaswith
electrons. After decoupling,
thethe
Universe
becomes
transparent,
and the
photon We
travels
line, indifferent to
function of
scale factor
in the
Hot Big Bang
scenario.
see in
thestraight
two stages
the surrounding distribution
of electrically
neutral
matter. On the bottom, an idealization of a typical
of radiation
and matter
domination.
photon trajectory. Before decoupling,111the mean free path is very small due to the
Cosmology WS 2010/2011
Karl-Heinz Kampert – Univ. Wuppertal
Discovery of CMB
1978
G. Gamow
Penzias & Wilson
Measurements in 1965 @
4.08 GHz (7.35 cm)
Karl-Heinz Kampert – Univ. Wuppertal
112
Cosmology WS 2010/2011
COBE Satellite (1989-1993)
FIRAS: Far Infrared Absolute
Spectrophotometer
COsmic Background Explorer
2006
30-3000 GHz (10 - 0.1 mm)
Karl-Heinz Kampert – Univ. Wuppertal
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Cosmology WS 2010/2011
High Precision 3K Measurement
FIRAS Instrument: T = 2.726±0.010 (Mather et al, ApJ 420 (1994) 439)
1,2
0
Measured microwave
background spectrum
Intensität [10–11 J cm–2 sr–1 s–1/cm–1]
1,0
0,8
Deviation of measured data from ideal
black body radiation spectrum
0,6
0,4
Cobe/SuW-Grafik
0,2
0
Abb. 3: Die Messungen des CobeSatelliten zeigten, dass das
Spektrum der kosmischen Hintergrundstrahlung mit hoher Genauigkeit dem Spektrum eines
Schwarzen Körpers entspricht.
0
5
10
Wellenzahl [1/cm]
der Sonne kommen, vor Jahren von nahen Sternen und vor Milliarden Jahren
von entfernten Quasaren. Jenseits der
am weitesten entfernten Objekte sollten
wir aus allen Richtungen des Himmels
Photonen empfangen, die im dichten
und warmen urzeitlichen Universum
emittiert wurden, bevor irgendwelche
Sterne, Galaxien oder andere kosmische
Strukturen entstanden. Sie bilden den
Strom primordialer Photonen, den Arno
Penzias und Robert W. Wilson 1964
erstmals als die kosmische MikrowelKarl-Heinz Kampert – Univ. Wuppertal
15
20
Vor der Rekombination jedoch waren
die Photonen so eng an die Materie gekoppelt, dass ihre Energieverteilung die
Eigenschaften der Materie zu jener Zeit
direkt widerspiegelt: Sie entspricht genauestens dem Spektrum eines »Schwarzen Körpers«, dessen Form allein von
der Temperatur abhängt: Sie spiegelt die
lokale Temperatur und Dichte der Materie zum Zeitpunkt der »letzten Streuung«
wider. Eine Messung der Temperatur des
CMB verrät uns also charakteristische Eigenschaften der Materie zu jener Zeit.
trie (CMB-Dipol genannt) entsteht durch
die Bewegung der Erde und der Sonne
relativ zum CMB, (wobei ein kleiner Teil
davon noch primordialen Ursprungs
sein könnte). Wenige hundert Kilometer pro Sekunde reichen aus, um durch
den Dopplereffekt die gemessene Temperatur des Schwarzkörpers in der einen
Richtung um einige Tausendstel Kelvin
zu erhöhen, in der anderen abzusenken.
Ziehen wir die Dipolkomponente von
der gemessenen Verteilung ab und steigern den Kontrast noch weiter, so beginnen wir, auf allen Winkelskalen, von den
größten bis zu den kleinsten, räumliche
Strukturen zu erkennen (Abb. 4 c). Diese
Muster spiegeln sowohl den Zustand des
Universums 380 000 Jahre nach dem Urknall wider als auch die Auswirkungen
der 14 Milliarden Jahre währenden Reise, welche die Photonen seit ihrer letzten
Streuung an Elektronen im primordialen
Plasma hinter sich haben.
Um diese Reise nachzuvollziehen, stellen wir uns eine Gruppe von Photonen
vor, die frei durch den Raum fliegen,
nachdem sie aus dem primordialen Plasma entkamen. Anfänglich sind sie Photonen des sichtbaren Lichts bei einer Wellenlänge von ungefähr 0,5 Mikrometern.
World-Data: Tγ=2.725±0.001 K
114
Cosmology WS 2010/2011
CMB Spectrum
7AVELENGTH CM
MM
!TMOSPHERE
)N 7 M SR (Z
#/"%
0ENZIAS7ILSON
+ BLACKBODY
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-ILKY 7AY
3YNCHROTRON
&)2!3
$-2
5"#
,",)TALY
0RINCETON
#YANOGEN
#/"% SATELLITE
#/"% SATELLITE
SOUNDING ROCKET
7HITE -T 3OUTH 0OLE
GROUND BALLOON
OPTICAL
&REQUENCY '(Z
115
Cosmology WS 2010/2011
COBE Satellite (1989-1993)
COsmic Background Explorer
DMR: Differential Microwave
Radiometers
7° opening angle separated by 60°
31.5, 53, and 90 GHz (9.5, 5.7, 3.3 mm)
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Cosmology WS 2010/2011
DMR @ 53 GHz
T = 2.725 K
Dipol-Anisotropy (v≈371 km/s)
ΔT = 3.372±0.007 mK
towards Virgo Cluster
(l, b) = (264.14°, 48.26°)
„The Eyes of God“
ΔT ≈ 18 µK
After correction of DA (red band: Milky Way)
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Cosmology WS 2010/2011
()*"+,$-+.
4(6 7!
(6 ;!
02"-*"(6 >!
#34::(6 5!
7(0@C-
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Cosmology WS 2010/2011
rfaScuerfac
siu
ng
g
r
e
n
t
i
e
t
r
eca
t
t
S
csat
s
a
tL
u
ity
as
Big
Ba
ng
Si
ng
r
la
L
Regions of CMB sphere separated by more than ~ 1.5° cannot be causally connected
Re
b in a t i o
com
Galaxies
z=
1
n
Here and Now
3
e
15
00
10
00
20
6
1– 00
8522A2
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Horizon
Cosmology WS 2010/2011
Horizon Problem
Our Hubble
radius at
decoupling
Tdec = 0.3 eV
Universe
expansion
(z = 1100)
T0 = 3 K
Our
observable
universe
today
T1
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T2
T1 = T2
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Cosmology WS 2010/2011
WMAP Satellite
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe
Launch: 2002; stopped data taking Aug. 2010
Δθ ~ 15 arc-min
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Cosmology WS 2010/2011
Position of WMAP
Lagrange Points
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Cosmology WS 2010/2011
#OMPARISON OF #/"% '(Z WITH 7-!0 7BAND
COBE
– 47 –
WMAP
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Cosmology WS 2010/2011
Planck Satellite
ESA
Launch: 14.5.2009
Nominal mission period
ended 26.11.2010
Mission will end with exhaustion
of its cryogenic consumables.
Δθ ~ 5 arc-min
sensitivity: ~10-6 K
Compared to WMAP, Planck is
improved in three respects:
• it has better angular resolution, 5
arcmin compared to WMAP’s 14
arcmin
• it has a wider frequency coverage,
which is important for separating the
CMB from foreground radiation
• it has a higher sensitivity thanks to a
much lower operating temperature
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Cosmology WS 2010/2011
Planck Position
Karl-Heinz Kampert – Univ. Wuppertal
125
Cosmology WS 2010/2011
FIG 1.10.—The Planck optical system, including t
control in addition to thermal isolation. The attachment
right. The reflectors are under manufacture by Astrium G
structure (under manufacture by Contraves, Zürich). V
field-of-view is offset from the spin axis of the satellite b
sky is seen in the lower left; it covers about 8◦ on the sky
of the radiation pattern; the ellipticities seen are also r
maximum. The black crosses indicate the orientation of
The field-of-view sweeps the sky in the horizontal directi
Focal Plane
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tube which carries the satellite loads. The pro
for the HFI coolers, are located inside the tube
WS 2010/2011
126
mounted on side panels of the Cosmology
octagonal
box,
Planck Satellite
1 round per minute, full sky after one year
survey started August 2009 and ended June 2010
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Cosmology WS 2010/2011
Karl-Heinz Kampert – Univ. Wuppertal
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Cosmology WS 2010/2011
CMB Power-Spectrum
1st acoustic
peak
secondary peaks
& Silk damping
Sachs-Wolfe
Plateau
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Cosmology WS 2010/2011