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

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2. Geschichte

• 40er Gamov, Alpher, Herman Falls Big Bang
  stattfand, sollte noch Strahlung bei T5 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

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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?

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4. Schwarzkörperspektrum
Ein Schwarzer Körper absorbiert jede auftreffende
elektro-magnetische Strahlung. Er emittiert
Strahlung nach dem Planckschen Strahlungsgesetz
HIER BBS
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4. Schwarzkörperspektrum
Stefan-Boltzmann
Wiensches Verschiebungsgesetz
Anzahl Photonen im Einheitsvolumen
Für T2,725K
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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
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5. Entstehung der CMB
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.
T 0,1 MeV
Zeit 0 3 min
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5. Entstehung der CMB
Rekombination Energie der Photonen reicht nicht
mehr aus, um H zu spalten. Dichte der freien
Elektronen nimmt ab
Zeit 300000 a 380000 a heute
T 0,3 eV 0,25 eV 2,725 K
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
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5. Entstehung der CMB
letzte Streuung
Photonen streuen an freien Elektronen im Plasma
durch Bildung von neutralem H ent-koppeln Photonen
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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
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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!

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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 DIR
BE zur Untersuchung von Infrarot-Strahlung
23.4.1992
Veröffentlichung CMB besitzt Anisotropie
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COBE-Mission Ergebnisse
FIRAS perfektes Schwarzkörperspektrum T2,726
0,001 K
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COBE-Mission Ergebnisse
DMR Fluktuationen der Temperatur zwischen
verschiedenen Raumbereichen, 1100000 Anisotropie
der Hintergrundstrahlung
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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, Rotv
erschiebung entgegen Bewegungsrichtung.
aber Relativbewegung kann alleine nicht gesamte
Anisotropie erklären!
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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 (lt1)
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WMAP Ergebnisse
Karte der CMB mit hoher Winkelauflösung
Fluktuationen sind gut sichtbar
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Multipolanisotropie
Allgemein beliebige Funktion T(?,F) lässt sich
entwickeln
Laplace-Entwicklung
Multipolentwicklung l0 Monopol ? l1
Dipol ? l2 Quadrupol usw.
Anpassung der Koeffizienten alm an Messwerte
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Multipolanisotropie
Leistungsspektrum (Power Spectrum)
beschreibt, welche Winkelseparation man
betrachtet
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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
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Leistungsspektrum
bei welchem Winkel der erste Peak liegt, bestimmt
die Krümmung des Universums
flach
geschlossen
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
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Akustische Oszillationen
Gravitation vs. Strahlungsdruck Gebiete höherer
Dichte zieht die Gravitation zusammen,
Strahlungsdruck wird größer und führt zu einer
Expansion, Gravitation, Strahlungsdruck,
Akustische Oszillationen
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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!
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kosmologische Parameter
bestimmt mit WMAP
Hubble-Parameter Baryon-Photon-Verhältnis Dichte
/kritische Dichte Anteil Baryonen Anteil
Materie Anteil dunkle Energie
(aus Grupen Astroparticle Physics)
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6.Experimente, Zusammenfassung
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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
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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit.
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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