1

KosmischeHintergrundstrahlung

Frederik Nachtrodt

2

Inhalt• Entdeckung der Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB)

• Was ist die CMB?– Ursprung– Schwarzkörperstrahlung– Anisotropie

• Messung der CMB– Der COBE – Satellit– Der WMAP – Satellit– Weitere Experimente

• Ergebnisse der Messungen

• Resultate für die Astrophysik

3

4

Galaktisches Koordinatensystem• Bezugsebene: Ebene der Milchstraße

• Nullpunkt ist durch das galaktische Zentrumfestgelegt– Nächster Bezugspunkt: Radioquelle

Sagittarius A*

5

2,7 K Hintergrundstrahlung• Penzias & Wilson 1965

• Entdeckung eines Hintergrundsignals(Rauschen) bei Test einer Antenne

• Signal entspricht Temperatur von 3,5+/- 1,0 K

• Isotrop & homogen

• 1946 von Gamow als Überrest des BigBang vorhergesagt

6

Ursprung des CMB• Mit Expansion kühlt sich das Universum ab

• Rekombination: Elektronen verbinden sich mitProtonen zu Atomen

• 380.000 Jahre nach Urknall bzw. Rotverschiebungz~1100

• Strahlung und Materie entkoppeln, Photonen fliegennun ungehindert durch das Universum

• Strahlung, die zuletzt bei einer Temperatur desUniversums von 3000 K mit Elektronen streute, hatsich nun auf 2,725 +/- 0,002 K abgekühlt und wurderotverschoben, so dass sie nun im Mikrowellenbereichbeobachtet werden kann

7

CMB: Strahlung eines schwarzenKörpers

• MikrowellenhintergrundentsprichtSchwarzkörperstrahlung einesschwarzen Körpers mitT= 2,725 +/- 0,002 K

• Gesamtenergiedichte imHohlraum: U°(T)= σ* T4

σ* = 7,56 . 10 -16 J(m3K4) -1

8

CMB: Schwarzkörperstrahlung• Nach Urknalltheorie: Photonen im frühen

Universum im thermischen Gleichgewicht:Universum nahezu perfekter schwarzerKörper

• Planck – Gesetz für Schwarze Körper Differentielle Energiedichte

• Rotverschiebung

• Differentielle Photonendichte

• Totale Energiedichte Stefan-Boltzmann – Gesetz

-> Photonendichte

Dominierende Strahlung, aberMassenäquivalent heute unwichtig

9

CMB Anisotropie• Gaußförmige

Fluktuationen inTemperatur

• Größenordnung derFluktuationen: 10-5K

• Kausaler Horizont: <1°

• Ursache derFluktuationen unbekannt

Temperaturfluktuationen sichtbar300 000 Jahre nach Urknall

Materie kondensiert Fällt in Gravitationspotentialder dunklen Materie

Erste Sterne entstehen400 000 000 Jahre nach Urknall

Galaxieketten entstehen

Das Universum heute13 700 000 000 Jahre nach Urknall

10

CMB Anisotropie: AkustischeOszillationen

• Strahlungsdruck undGravitation bewirkenOszillation

• Gebiete mit höherer undniedrigerer Temperatur

• Idee:Quantenfluktuationenim frühen Universum,durch „Inflation“gedehnt

11

Inflation• Hypothese 1981 von Alan H. Guth vorgeschlagen

• Beschreibt inflationäre Expansion des frühen Universums

• Kein Element des ursprünglichen Urknallmodells

• Ermöglicht Erklärung einiger kosmologischer Probleme– Zusammenhang der Fluktuationen der CMB auf großen

Winkelskalen– Magnetische Monopole

• Keine Erklärung für Ursache der Inflation

12

COBE (Cosmic BackgroundExplorer)

• NASA – Satellit

• Experimente von 1989 – 1993

• Messung der kosmischenHintergrundstrahlung

• FIRAS: Messung desSchwarzkörperspektrums überMichelson – Interferometer

• DMR: Messung der CMBAnisotropie über Radiometer– 6 Radiometer– Jedes misst die

Leistungsdifferenz zwischen 260° voneinander entferntenRichtungen

13

Nobelpreisträger

14

COBE: CMB Anisotropie• DMR: Winkelauflösung von 7°

• Fluktuation der CMB Temperaturvon ΔT=0,003 K (Dipol), ΔT=10-5 K(nach Entfernen derDipolstrahlung und desVordergrunds)

• TatsächlichesFluktuationsspektrum inGrößenordnung von wenigenBogenminuten

15

CMB Dipolmoment

• Erzeugt durch Bewegung der Erderelativ zum CMB mit ca. 350 km/s

• Temperaturunterschiede ~ΔT=0,0034 K

• Ausgezeichnetes Bezugssystem imUniversum

• Unterhalb von 100 Mpc Entfernungrelative Bewegungen derGalaxiengruppen aufgrund vonAnhäufungen. Darüber hinausscheint die Verteilung der Galaxiensehr homogen.

16

COBE - Auflösungsvermögen

COBE WMAP

17

WMAP (Wilkinson MicrowaveAnisotropy Probe)

• COBE: Winkelauflösung ~ 7°

• WMAP: Winkelauflösung 0,2°-0,8°

• Start: Juni 2001

• Voraussichtliches Ende derMission: September 2009

18

WMAP• WMAP an Lagrange-Punkt L2

• 1,5 Millionen Kilometer von Erdeentfernt

19

Fehler in der WMAP-Messung• Durch Abschirmung der Sonde von Strahlung und magnetischem

Feld der Erde am Lagrange-Punkt L2 starke Reduzierung dersystematischen Fehlerquellen des COBE-Satelliten

• Stabiles Design des Satelliten – thermale Isolation derMessinstrumente und strahlungssichere Abschirmungen sowieunterschiedliche Radiometer

• Ziel von <4 µK systematischer Fehler erreicht

• Kontinuierliche Aktualisierung der Ergebnisse – statistischerFehler gering, letzte Veröffentlichung: 3-year-results

– Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Three YearResults: Implications for Cosmology

– http://lambda.gsfc.nasa.gov/product/map/dr2/map_bibliography.cfm

20

WMAP Frequenzen• Messung der CMBR bei

verschiedenen Frequenzen zumHerausfiltern des Vordergrunds

• WMAP Frequenzbänder bei 22 GHz,33 GHz, 41 GHz, 61 GHz, 94 GHz – imoptimalen Bereich desSchwarzkörperspektrums

21

WMAP: Herausrechnen derVordergrundstrahlung

22 GHz

33 GHz

41 GHz

94 GHz 61 GHz

22

WMAP: AnisotropiePower Spektrum

• Maximale Fluktuationen imBereich von 400 µK

• Charakterisierung derFluktuationen über „PowerSpektrum“:

Definieren der GaußischenFluktuationen

Autokorrelationsfunktion

Fourier-Transformierte

Power Spektrum

Spektralindex n = 0,7..1,3

23

Winkelkorrelation derFluktuationen

• Erweiterung derTemperaturfluktuationen inSphärische Koordinaten

• Entwicklung derKorrelationsfunktion C inLegendre-Polynome

• Set der Cl grundlegendeBeschreibung des CMB.

• Vergleich der gemessenen Clmit theoretisch berechnetendurch Variation der kosmischenParameter ergibt hoheGenauigkeit der Ergebnisse

24

WMAP-Messung der Anisotropie

25

Weitere Experimente• ACBAR (Arcminute Cosmology

Bolometer Array Receiver) –Antarktisches „Viper Telescope“:Bisher beste Messungen über einkleines Gebiet

• Boomerang (Balloon Observations OfMillimetric Extragalactic Radiation andGeophysics) – Ballonexperiment überder Antarktis

• CBI (Cosmic Background Imager) –Interferometer in den ChilenischenAnden in der Höhe von 5000 m

• VSA (Very Small Array) –Radioteleskop (Interferometer) aufTeneriffa

26

Kombination der Experimente

27

1. Akustischer Peak• Die Position hängt stark von

der totalen Dichte ab. Diesebestimmt die Krümmung desUniversums und damit denWinkel, unter dem wir denakustischen Horizont heutesehen.

• Die Höhe hängt von derAmplitude der akustischenSchwingungen und damit vonder Baryonendichte und demBaryon-Photonverhältnis ab.Mehr Baryonen führen zu einererhöhten Gravitationswirkung,Photonen hingegen zuhöherem Strahlungsdruck.

28

Kosmologische Parameter• Beschreibung des ΛCDM-

Modells mit 6 Parametern:• Materiedichte• Atomdichte• Expansionsrate des

Universums• Amplitude der

primordialen Fluktuationen• Skalenabhängigkeit der

primordialen Fluktuationen• Optische Tiefe des

Universums

29

Kosmologische Parameter• Bestimmung über numerische Rechnungen

• Hubble-Konstante:– Expansionsrate des Universums– Nicht direkt über CMB messbar – Messung durch Hubble Key Project zu H0 = 72 ± 8– Kombination der Experimente : H0 = 70,4 ± 1,6

• Materiedichte & Atomdichte:– Bestimmung der Zusammensetzung des Universums– Ωi Verhältnis der Dichte zu kritischer Dichte, z.B. Ωb = ρb / ρ0– ΛCDM Modell: Summe der Ωi = 1 flaches Universum– Messung ergibt:

• Baryondichte (Atomdichte) = 4%• Materiedichte (Dunkle Materie) = 22%• Dichte der dunklen Energie = 74%

vs

H0

30

Dunkle Materie

• Kalte dunkle Materie (CDM) verstärkt diehöheren akustischen Oszillationen

• In einem Modell ohne CDM kann speziell der 3.akustische Peak nicht an die Daten angepasstwerden (Δχ² = 248)

• Ein Modell ohne dunkle Energie wird aus denMessungen nicht ausgeschlossen (Δχ² = 0),wenn allerdings eine Hubble-Konstante H0> 40km s-1 Mpc-1 angenommen wird ist das Modellnicht mehr konsistent mit den Messungen.

31

ErgänzungenBaryon-Photon Verhältnis

• Ergänzungen:– Aus Messungen ergeben sich eine Obergrenze für die

Neutrinomassen – massive Neutrinos werden in Fit nichtbevorzugt

– Optimierung durch nicht-flaches Universum: Δχ² = 6

• n(γ0) = 412 cm-3

• n(γ0) / n (B0) = 1010

• Charakteristisch für gegenwärtiges Universum

• Symmetrieverletzung oder Baryonasymmetrie zu Beginn erforderlichum gegenwärtiges Verhältnis zu erklären – Materie-Antimaterie –Verhältnis muss mit 1 / 1010 gestört sein

• Keine Erklärung im Rahmen der Teilchenphysik

32

Entwicklung des Universums

33

Das Planck-Experiment• Geplanter Start der ESA-

Raumsonde: August 2007

• Winkelauflösung: 0,09° -0,18°

• Frequenzbereich: 30-850 GHz

• Messung der kosmischenParameter mit einerGenauigkeit von etwa 1%

34

Das Planck-Experiment• Geplanter Start der ESA-

Raumsonde: August 2007

• Winkelauflösung: 0,09° -0,18°

• Frequenzbereich: 30-850 GHz

• Messung der kosmischenParameter mit einerGenauigkeit von etwa 1%

35

Zusammenfassung• CMB : Isotrope Hintergrundstrahlung, T= 2,725 K

– Bestätigt Urknallmodell– Schwarzkörperstrahlung

• Fluktuationen: Möglicherweise Quantenfluktuationen,durch Inflation gedehnt, Ursache für Galaxien

• Messung der CMB:– 1965 Entdeckung durch Penzias & Wilson– Satelliten

• COBE (1989-1993)• WMAP (2001-2009)• Planck (ab 2007)

• Bestimmung der kosmologischen Parameter:– Zusammensetzung des Universums– Alter des Universums– Universum ohne dunkle Energie und dunkle Materie nicht

erklärbar!

• Noch viele Fragen offen

36

Ende

37

Weitere kosmologischeParameter

• Optische Tiefe: Optische Dichte bis zum Zeitalter der Reionisation– Entspricht „Transparenz“ – Verhältnis emittierter Strahlung zu

observierter– Bestimmt die Rotverschiebung der Reionisation:

zion =

• Amplitude & Skalenabhängigkeit der primordialen Fluktuationen:– Informationen über die Dichtefluktuationen– ns (Skalenabhängigkeit; Spektralindex) misst, wie sich die

Fluktuationen abhängig von der Skala ändern (ns = 1 beschreibtein Skaleninvariantes Spektrum)