Arno Penzias, Robert Wilson; Bell Laboratories, Holmdel, NJ; Experimente mit Radioantenne

1. Arno Penzias, Robert Wilson; Bell Laboratories, Holmdel, NJ; Experimente mit Radioantenne → Störeffekt: Rauschen bei 3,5 K aus allen Richtungen, zu jeder Tages- und Jahreszeit Gruppe Dicke, Peebles, Wilkinson u.a. in Princeton liefert Erklärung:

2. Kosmische Hintergrundstrahlung cosmic microwave background (CMB) Seminar: Der Unknall und seine Teilchen, WS 07/08 Markus Hötzel

3. Übersicht • Einführung • Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung • Geschichte • Bedeutung für die Kosmologie • Stütze des Big-Bang-Modells • Wiederholung: Schwarzkörperspektrum • Entstehung der kosmischen Hintergrundstrahlung • Experimente, Anisotropien • COBE → Dipolanisotropie • WMAP→ Multipolanisotropie, Leistungsspektrum • Ausblick

4. 2. Geschichte • 40er Gamov, Alpher, Herman: Falls Big Bang stattfand, sollte noch Strahlung bei T≈5 K vorhanden sein. • 60er Princeton: Gruppe Dicke, Peebles, Wilkinson planen Experiment zum Nachweis der CMB. • 1964 Penzias und Wilson experimentieren mit Radio- antenne und entdecken CMB; Interpretation durch Dicke • 1978 Nobelpreis für Penzias und Wilson • 1989 COBE-Mission → Dipolanisotropie • 2001 WMAP → Multipolanistropie • geplant 2008 Planck-Surveyor

5. 3. Bedeutung für die Kosmologie • Stütze des Urknalls, zeigt dass Universum heiß war! • Bestimmung wichtiger kosmologischer Parameter, wie Hubble-Konstante, Materie-Dichte, … • Entstehung von Sternen und Galaxien • Erkenntnisse über Dunkle Energie • Inflation?

6. 4. Schwarzkörperspektrum Ein Schwarzer Körper absorbiert jede auftreffende elektro-magnetische Strahlung. Er emittiert Strahlung nach dem Planckschen Strahlungsgesetz: HIER: BBS

7. 4. Schwarzkörperspektrum Stefan-Boltzmann: Wiensches Verschiebungsgesetz: Anzahl Photonen im Einheitsvolumen: Für T=2,725K:

8. 4. Schwarzkörperspektrum Das Spektrum der Photonen im heißen Plasma (therm. Gleich-gewicht) ist das eines Schwarzen Körpers. Bei Expansion/ Abkühlung des Universums bleibt die Form des Spektrums erhalten, es verschiebt sich zu größeren Wellenlängen. zur Erinnerung: für heutiges 2,7K-Spektrum:

9. 5. Entstehung der CMB T 0,1 MeV Big Bang … Heißes, dichtes Plasma: Protonen, Elektronen, He-Kerne, Photonen im thermischen Gleichgewicht. Thomson-Streuung: Bildung von Wasserstoff ist aufgrund der hohen Temperaturen noch nicht möglich, hochenergetische Photonen spalten ihn sofort. Zeit 0 3 min

10. 5. Entstehung der CMB Zeit 300000 a 380000 a heute T 0,3 eV 0,25 eV 2,725 K Rekombination Energie der Photonen reicht nicht mehr aus, um H zu spalten. Dichte der freien Elektronen nimmt ab Entkopplung Mittlere freie Weglänge für Photonen nimmt zu, Photonen entkoppeln von der Materie, Universum wird transparent für Licht Expansion führte zu einer Rotverschiebung der Photonen, so dass wir heute ein 2,7K-Schwarzkörperspektrum messen

11. 5. Entstehung der CMB letzte Streuung Photonen streuen an freien Elektronen im Plasma durch Bildung von neutralem H ent-koppeln Photonen

12. 5. Entstehung der CMB LSS (Last Scattering Surface) Die Schicht, in der die Photonen zum letzten mal gestreut wurden, ist für uns beobachtbar. analog: Beobachtung von Wolken, Sonnenoberfläche

13. 6. Experimente, Anisotropien • Messungen der CMB an der Erdoberfläche • → Störeffekte (Atmosphäre, Störsignale) • Verbesserung durch Messungen auf Bergen oder Ballonexperimente (Wilkinson) • Satelliten-Experimente: COBE, WMAP • → kleinere systematische Fehler • Rückblick: Penzias/Wilson: „CMB ist isotrop.“ • Präzisere Messungen zeigen: „CMB besitzt Anisotropie!“

14. COBE-Mission Cosmic Background Explorer Verlauf 18.11.1989 bis 1993 Start auf Delta-Trägerrakete Messungen der CMB FIRAS: zur Messung des Spektrums DMR: zur Bestimmung von kleinen Temperaturfluktuationen DIRBE: zur Untersuchung von Infrarot-Strahlung 23.4.1992 Veröffentlichung: CMB besitzt Anisotropie

15. COBE-Mission: Ergebnisse FIRAS: perfektes Schwarzkörperspektrum T=2,726 ± 0,001 K

16. COBE-Mission: Ergebnisse DMR: Fluktuationen der Temperatur zwischen verschiedenen Raumbereichen, 1:100000 Anisotropie der Hintergrundstrahlung

17. Dipolanisotropie Erklärung für Anisotropie: Bewegung der Erde „durch“ CMB (beachte Bewegung des Sonnen-systems, der Milchstraße, usw.) Blauverschiebung der CMB zu höheren Temperaturen in Bewegungsrichtung, Rotverschiebung entgegen Bewegungsrichtung. aber: Relativbewegung kann alleine nicht gesamte Anisotropie erklären!

18. WMAP Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Verlauf 30.06.2001 01.10.2001 Feb. 2003 Start der Mission WMAP erreicht Lagrange-Punkt L2 Veröffentlichung der ersten Daten Ziel: genaue Messung der Anisotropien, bessere Winkelauflösung (<1°)

19. WMAP: Ergebnisse Karte der CMB mit hoher Winkelauflösung Fluktuationen sind gut sichtbar

20. Multipolanisotropie Allgemein: beliebige Funktion T(θ,Φ) lässt sich entwickeln Laplace-Entwicklung Multipolentwicklung: l=0 Monopol → l=1 Dipol → l=2 Quadrupol usw. Anpassung der Koeffizienten alm an Messwerte

21. Multipolanisotropie Leistungsspektrum (Power Spectrum) beschreibt, welche Winkelseparation man betrachtet:

22. Leistungsspektrum 1. Peak Skaleninvarianz: Sachs-Wolfe-Effekt aus Lage des ersten Peaks: Dichteparameter 2. Peak, usw. Sachs-Wolfe-Effekt aus Höhe der Peaks: Baryonendichte kausal zusammenhängend Silk-Dämpfung

23. Leistungsspektrum bei welchem Winkel der erste Peak liegt, bestimmt die Krümmung des Universums geschlossen flach offen Vergleich des berechenbaren Winkels (unter welchem Winkel erscheint ein zur Zeit der Entkopplung kausal zusammenhängendes Gebiet heute) mit der Lage des ersten Peaks → flaches Universum

24. Akustische Oszillationen Gravitation vs. Strahlungsdruck Gebiete höherer Dichte zieht die Gravitation zusammen, Strahlungsdruck wird größer und führt zu einer Expansion, Gravitation, Strahlungsdruck, … Akustische Oszillationen

25. Sachs-Wolfe Effekt: wenn Photonen entkoppeln: dichtere Gebiete sind heißer → Blauverschiebung aber: höheres zu überwindendes Gravitationspotential → Rotverschiebung Rotverschiebung überwiegt: „dichtere Gebiete sind kälter“, sie erscheinen als Cold Spots der CMB außerdem: integrierter Sachs-Wolfe-Effekt: nach Entkopplung durchquert CMB Gravitationspotentiale (z.B. Galaxien), die sich durch die Expansion verändern können → Energiegewinn oder –verlust lässt Rückschlüsse auf Struktur des Universums zu!

26. kosmologische Parameter bestimmt mit WMAP: Hubble-Parameter Baryon-Photon-Verhältnis Dichte/kritische Dichte Anteil Baryonen Anteil Materie Anteil dunkle Energie (aus Grupen: Astroparticle Physics)

27. 6.Experimente, Zusammenfassung

28. 7.Ausblick Planck Surveyor geplanter Start: August 2008 Messungen bis Dezember 2010 noch präziser als WMAP, Winkelauflösung 5‘, wodurch höhere Multipolmomente messbar werden großer Frequenzbereich Untersuchung auf Polarisation

29. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit.

30. Quellen: • Bergström, Goobar: Cosmology and Particle Astrophysics, 2004 • Bryson: A Short History of Nearly Everything, 2003 • Grupen: Astroparticle Physics, 2005 • Klapdor-Kleingrothaus, Zuber: Particle Astrophysics, 2000 • Roos: Introduction to Cosmology, 2003 • Vorlesungsfolien Prof. de Boer, Einführung in die Kosmologie 06/07 • Vorlesungsfolien Prof. Drexlin, Astroteilchenphysik I 07/08 • http://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe • http://map.gsfc.nasa.gov • http://www.rssd.esa.int • http://en.wikipedia.org