Der Urknall und das Kosmische Rauschen

Urknall, Expansion und
das Kosmische Rauschen
Max Camenzind
Senioren-Uni
Bad Kissingen @ 2013

Wenn das Universum heute
expandiert Anfang der Expansion
Big Bang
Photonenhintergrund
+ Neutrinohintergrund
3-Raum
expandiert:
dx a(t) dx ;
Wellenlängen
werden ebenso
gestreckt.

Unsere Themen
• Das Universum beginnt im Urknall.
• Erzeugt das Quark-Gluon-Lepton Plasma.
• geht dann ins heutige Universum über.
• CMB als Relikt aus frühem Universum.
• CMB-Strahlung – Geschichtliches.
• CMB-Strahlung – Experimente.
• CMB-Anisotropien – Relikte aus Inflation.
• CMB bestimmt Kosmologische Parameter.
• Planck – aktuelles CMB Experiment.

?
?

Urknall wird in der Kunst häufig als
Explosion dargest – Richtig oder falsch ?

Wir sind Teil des Universums
Der Big Bang ereignete sich um uns herum !
Wir “hören das Donnergrollen” von allen Seiten
Big Bang
ist Sphäre
hinter der
Photosphäre

Am Anfang war das “Nichts” ?
Universum entsteht aus dem
Nichts
Max Camenzind

Löst Schöpfungsakt Problem ?
“Gott kann nicht Teil des Universums sein,
sonst hätte er sich selbst erschaffen müssen”
Michelangelo 1510

S. Hawking: „Wenn das Universum wirklich völlig in sich selbst abgeschlossen
ist, wenn es wirklich keine Grenze und keinen Rand hat, dann
hätte es auch weder einen Anfang noch ein Ende; es würde einfach sein.“

Big Bang = Quanten-Brücke
Genesis des 21. Jh.: am Anfang
war nur Gravitation (= RaumZeit),
daraus materialisierten die Quarks,
Photonen, Gluonen und Leptonen.
Big-Bang
Quantenbrücke
Frühere Welt
Unsere Welt
Zeit

Das Quanten
Universum …
Martin Bojowald:
Zurück vor den Urknall
S. Fischer Verlag 2009
Spiegel 2009

Lemaître: Big Bang = „Single Quantum“?
3-dimensionale Kugelfläche S³ mit Radius ~
einige Planck-Radien (~ 10 -34 m)
wächst exponentiell (Inflation);
Quantenfluktuationen „gefrieren“ aus.
S³

Expansion in drei Phasen I - III
Planck-Einheiten: t P = 10 -43 sec , L P = 10 -35 m
III
Sonne
Unbekanntes
Territorium
I
~2 L P
Entropieerzeugung
II
Beschleuniger-
Physik
Tevatron, LHC
50 Gpc
Entropieerhaltung
Camenzind 2011

Der Mikrokosmos – kleiner …
• Fundamentale Bausteine der Materie: Quarks & Leptonen
– Alle diese Teilchen sind im Rahmen der heutigen
Mikroskope punktförmig, d.h < 10 -18 m am LHC.
• Sind sie wirklich punktförmig ?
• Plancklänge von 10 -35 m kann nie aufgelöst werden !
• Was geschieht wirklich zwischen 10 -20 und 10 -35 m ?
• Zeitskalen von 10 -15 sec werden heute am LHC aufgelöst.

Omega-Parameter der Phase III - LCDM
W
W
M
k
W
8G 2
3H
R
0
kc
2
c
3H
2
H
2
2
0
M
2
0
Hubble-Radius
R H = c/H 0
= 4200 Mpc
Da das Universum
flach
erscheint:
W k = - 0,006
k = +1
R 0 > 10 R H
W
M
W
k
W
Fundamentalebene
der Kosmologie

Parameter des FL Universums
• (i) Hubble-Konstante H 0 R H = c/H 0 = 4200 Mpc.
• (ii) Dichteparameter der nicht-relativistischen
Materie: W M = W DM + W B .
• (iii) Dichteparameter der relativistischen Materie:
W r = W g + W n
• (iv) Krümmungsparameter W k = -k R H ²/R 0 ². Dabei
gilt heute R 0 >> R H CDM-Modell W k = 0.
• (v) Parameter der Dunklen Energie W DE =W
• (vi) Zustandsgleichung der Dunklen Energie
w ~ -1, w´ = 0 („Vakuum Energie“).
• (vii) Temperatur T 0 des CMB W r ~ 0,0001.

Wie expandiert das Universum ?
Radius des Universums zu heute
Dunkle Materie + Dunkle Energie
bestimmen Expansion des Universums
LambdaCDM
Einstein-de-Sitter
galt bis 1998 !
Zyklisches
Universum
hohe Dichte
Heute
Zeit [Milliarden Jahre]

Materie des heutigen Universums
Diese Zahlen stammen aus SNe Ia, WMAP
W B
22 %
W DM
W DE
73 %

Aus Gravitation @ t ~ 1000 t P
Quark-Gluon-Lepton-Plasma
Ursuppe

Standardmodell 2012
Teilchenphysik E < TeV
Masse
Kräfte
Leptonen

Standardmodell 100 GeV
Physikalische Parameter
SU(3) c x SU(2) L x U(1) Y

Planck Epoche
Inflation
Temperatur des Universums
Konsequenz der Entropieerhaltung
D, He, Li
„gekocht“
heute
Sterne und
Galaxien
10 -44
Quark-
Gluonen
Plasma
Zeit nach dem Big-Bang
2,725 K
13,7 Mrd.
Jahre

Aus Quarküberschuss
entstehen nach 10 µsec p + n

Nach 5 min entstehen D, He, Li

Nach 400 Mio. Jahren C, N, O, …

Nach 1 Mrd. Jahren erste Galaxien

… Stoff des Lebens

Universum ist Entwicklung
Planck
Epoche

Urknall im Large Hadronen Collider LHC

27 km Protonen-Rennstrecke
11.000 mal die Runde pro sec / 8 + 8 TeV

Atlas Experiment am LHC

CMS Experiment am LHC

p+p Higgs Leptonen

Strahlung und Materie
im frühen Universum
• Materie-dominierte Epoche:
Dichte wächst ~ 1/a 3 = (1+z)³
• Energiedichte der Strahlung ~ (1+z) 4
• Krümmung ~ (1+z)²
• Deshalb existiert z = z eq , wo beide
Dichten gleich ausfallen
„Equilibrium Redshift“ bei z ~ 3150
• Dies erfolgt kurz vor der Rekombination:
z rec = 1080 CMB.

3 Phasen Materieentwicklung
Strahlungs-
Dominanz
Materie-
Dominanz
Dunkle
Energie-
Dominanz
60.000 a
heute
Kritische Dichte
1,0 x 10 -27 kg/m³

1946 sagt Gamov CMB voraus
Gamov war Student von A. Friedmann
• 1946: Gamow, Alpher
& Herman: alle
chemischen Elemente
werden synthetisiert
via nukleare
Reaktionen “in hot
early universe
ylem”
• 1. Vorhersage der
Existenz des CMB mit
T 0 ~ 5 Grad Kelvin
George Gamow (1904-1975)

Ursprung der CMB-Strahlung

Blick
zurück
bis LSS
Last Scattering
Surface

Erforschung der 3K Strahlung
2012: WMAP9 Daten
April 2013: Planck Daten

Kosmische Hintergrundstrahlung – CMB 1965-2013
Die ältesten Photonen
im Universum
Entdeckten das Nachglühen vom
Big Bang.
3,0 K Rayleigh-Jeans
1989-1992
2001-2010
2009 - 2012 Planck
Schwarzer Körper 2,725 K,
Entdeckte Strukturen
(Anisotropien) im Nachglühen.
Winkelskala ~ 7° im Bereich
ΔT/T of 10 -5
(Wilkinson Microwave Anisotropy
Probe): Anisotropien auf
Winkelskala ~ 14’
Resultate WMAP7 2011
Kosmologisches Modell
Winkelskala ~ 5’,
ΔT/T ~ 2x10 -6 , 30 - 867 GHz
Resultate ~ 2013 erwartet

Die Entdeckung der 3K-Hintergrundstrahlung
1964 entdeckten die beiden Radio Ingenieure Arno Penzias und Robert
Wilson bei der Eichung einer Antenne ein Strahlungssignal im
Mikrowellenlängenbereich ( = 7,15 cm).
Da dieses Signal keine periodischen Schwankungen zeigte und aus allen
Richtungen in gleicher Stärke kam, schien es kosmischen Ursprungs zu
sein.
Beide erhielten
1978 den
Nobelpreis für
ihre Entdeckung.
Robert Dicke
ging leer aus.

Arno Penzias und Robert Wilson entdecken mit ihrer neu
entwickelten Hornantenne ein isotropes Rauschen mit λ = 7,15
cm, konnten es nicht erklären. Robert Dicke (Princeton)
identifiziertes es als CMB. Penzias + Wilson Nobelpreis, 1978.

Spektrum der 3K Strahlung Max Planck 1900
100 MHz 1 GHz
100 GHz 1000 GHz

Himmel in Hammer-Aitoff Projektion
Wie stelle ich den Himmel auf Blatt Papier dar?

Vermessung
3K CMB
Anisotropien
Planck

COBE Spacecraft, NASA - Künstlerische Darstellung
Der COBE Satellit ist das Vorgänger-Experiment zum WMAP Projekt. COBE
wurde 1989 gestartet, um die Mikrowellenhintergrundstrahlung des Big Bang
genauer zu untersuchen. Die ersten Resultate wurden 1992 veröffentlicht.

Ergebnisse von COBE
Perfekte Homogenität bei
grober Auflösung
COBE machte die
Dipolanisotropie sichtbar:
T
mov
T
rest
1
v / ccos
NachSubtraktion der
Dipolanisotropie
bleibt ein Rest
+ Milchstraße

COBE

1998 Maxima (Ballon)
Millimeter Anisotropy eXperiment Imaging Array
Palestine Texas, Flughöhe ca. 37 km
• Ziel: Verbesserung der
Winkelauflösung, 10 min
• 16 Bolometer @100mK
• Reduzierung
systematischer Effekte
• Flugdauer: einige Tage

• BOOMERanG (balloon observations of millimetric
extragalactic radiation and geophysics):
– zwei Fahrten über der Antarktis 1998 und 2003
– Dauer: 10,5 Tage
– Messungen in 37km Höhe, oberhalb der Atmosphäre
– Messung von Temperaturanisotropien und Polarisation
– Messungen bei vier Frequenzen
– Abdeckung von 3% der Himmelssphäre

2003 Boomerang Karten
Auflösung: 0,17 Grad
Photosphäre „Patchwork“

QUaD
Südpol

70-300 GHz Süd-Pol Teleskop SPT

SPT & QUaD

70-300 GHz Süd-Pol Teleskop SPT

2001-2010 WMAP / NASA
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe
- Raumsonde auf Lagrange-Punkt L2
• Winkelauflösung von 0,3°
• Detektorempfindlichkeit
von 20 μK pro 0,3° - Pixel
• Maximaler systematischer
Fehler 5 μK pro Pixel
• Spektrum: 1cm bis 3mm
• Differential-Mikrowellen-
Radiometer
• bereits nach 1 Jahr
exzellente Ergebnisse
• 2012 Ergebnisse nach 9 J.

Der Himmel
mit WMAP
@ 33 GHz

Emission der Milchstraße

95 GHz
61 GHz
Galaktischer Vordergrund
33 GHz
23 GHz
41 GHz

Subtraktion Vordergrund
23GHz 33GHz 41GHz
94 GHz Cleaned Map
61GHz

Vordergrund korrigierte Karte
Auflösung reicht nicht aus Strukturen

Interferometer CBI / Atacama
… löst die Strukturen auf

CBI Karte
Red-shift:
Überdichte
~ 10 arcmin
40 kpc @
Rekombination
40 Mpc
gestreckt heute
proto-Haufen
nicht kollabiert!
Blue-shift:
Void Struktur
Unterdichte
~ 20 arcmin
80 kpc @ Rec
80 Mpc heute

CMB Temperatur Anisotropien:
Temperatur-Korrelationsfunktion
DT(n)
DT(m)
n . m = cos C < DT(n) DT(m) >

Dipol unsauber subtrahiert
Winkelkorrelationsfunktion
3 Jahre
WMAP
keine Korrelationen
„Super-
Horizon-
Patch“
Kein Octupol, kein Quadrupol
Was hat dies zu bedeuten?
Keine Korrelation > 25 o
arXiv:1011.0377

Sarkar 2010

Analyse der T-Anisotropien
• Der CMB weist leichte Abweichungen vom isotropen
Planckschen Strahlungsspektrum auf: DT/T ~ 10 -5
• Gemessen werden kann immer nur eine winkelabhängige
Verteilung Physik steckt in der Korrelationsfunktion.
• Gauß’scher Prozess allein durch Korrelationsfunktion C
• Will man etwas über die Verteilung der Anisotropien
erfahren, ist es sinnvoll eine Entwicklung in Multipole
(Kugelflächenfunktionen, harmonische Analyse) zu machen
ΔT(
T
,
)
=
m= 1
l= 1
m= 1
a
lm
Y
lm
(
,
)

Multipole – l = 1,2,3,…

Winkelskala = 180 Grad/l
Skalenfreies Spektrum

Multipol-Beiträge zu C l

Kumulative Beiträge zu C l

Sachs-Wolfe Plateau
Akustische Oszillationen
Silk Dämpfung
Winkelskala = 180 Grad/l
3 Effekte
WMAP
Planck

Kosmologisches Modell 2013
9 globale FLRW Parameter:
H 0
q 0
t 0
T 0
W DE
W B
W DM
W n
W k
69+/- 0,8 km/s/Mpc Hubble Expansionsrate
-0,67 +/- 0,15 Abbremsparameter
13,75 +/- 0,08 Gyr Alter des Universums
2,725 +/- 0,001 K CMB Temperatur
0,712 +/- 0,001 Dunkle Energie, w=-1
0,0472 +/- 0,001 Baryonenanteil
0,2408 +/- 0,0092 Dunkle Materie DM
0,002 – 0,005 ? Dichte der Neutrinos
-0,0072 +/- 0,0042 Krümmungsparameter
WMAP9 + SNIa + BAO 2012

Materie des heutigen Universums
4,7 %
0,1 - 1 %
W B
24,0 %
W DM
W DE
71,3 %

Aktuelles CMB Experiment: Planck
• Winkelauflösung bis zu 5 Bogenminuten
• Empfindlichkeit: bis 1 Millionstel Kelvin
• Start am 14. Mai 2009, 13:20 Uhr Ende 2012
• Spektrum: 1 cm bis 0,3 mm
• bessere Filtermöglichkeiten für
Vordergrundstrahlung
• Messung bis in Bereich der Silkdämpfung
• Entdeckung 10.000 bis 30.000 neuer
Galaxiehaufen durch Sunyaev-Zel´dovich-
Effekt (SZE)
• Messung der CMB Polarisation ?

Planck ist International

Planck
im Labor

Planck im
Lagrangepunkt 2

Planck Fokalpunkt
HFI Detektoren
LFI Detektoren
nach WMAP

9 Frequenzbänder von Planck
und Strahlung der Milchstraße
Wellenlänge in mm
Staub dominiert
WMAP

Planck 1 Jahr - Frequenzkarten

WMAP Auflösung: 0,2
WMAP
COBE 1990 Resolution: 7
WMAP 2003 Resolution: 0.13
Planck Auflösung: 0,08
Planck

CMB + Staub

Planck Datenreduktion 2013

Planck Vordergrund
Milchstraße +
Staub-Filamente

Zusammenfassung
• Expansion des Universums beginnt in der
Planck-Epoche (Quantisierung wichtig).
• Expandiert dann exponentiell um ~30 Größenordnungen
– alle Skalen werden gestreckt.
• Nach 380.000 Jahren rekombinieren e und
hinterlassen den CMB mit Anisotropien.
• Fluktuationen Gaußscher Prozess, bestimmt
durch Winkelkorrelationsfunktion C(), wird
in Multipole auf der Kugel entwickelt.
• Leistungsspektrum des CMB Omegas
• alle Strukturen des Universums aus Inflation

Dunkle Materie
Dunkle Energie
Inflation
Das Moderne Universum
… ruht auf drei Säulen
Jede bedeutet Michael S neue Turner Physik!
Mike Turner

Probleme mit ΛCDM ?
“Es gibt nur zwei
Probleme mit
ΛCDM,
Λ und CDM” –
Tom Shanks

Das Universum begreifen wollen?
• „Mich erstaunen Leute, die das
Universum begreifen wollen, wo es
schwierig genug ist, in Chinatown
zurechtzukommen.“
Woody Allen