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Die 3K - Kosmischen Hintergrundstrahlung

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Ausarbeitung des Seminarvortrags vom 14.11.02 von Stefan Schwarzburg:<br />

<strong>Die</strong> <strong>3K</strong> - <strong>Kosmischen</strong> <strong>Hintergrundstrahlung</strong><br />

(Cosmic Microwave Background Radiation)<br />

1. Vorhersagen und Entdeckung der CMBR<br />

Gamov:<br />

Doroshkevich<br />

& Novikov:<br />

Entdeckung<br />

durch CN, CH<br />

Moleküle:<br />

Penzias &<br />

Wilson,<br />

Dicke:<br />

<strong>Die</strong> Existenz der <strong>Kosmischen</strong> <strong>Hintergrundstrahlung</strong> wurde ca. 1948 von Gamov,<br />

Alpher und Herman vorhergesagt, für den Fall, dass die Urknall Theorie stimmen<br />

sollte.<br />

Eine weiter unabhängige Vorhersage kam von den Astrophysikern Doroshkevich und<br />

Novikov aus der UdSSR im Jahr 1964.<br />

(wäre schon früher möglich gewesen)<br />

Obwohl man bereits 1941 bei Beobachtung von interstellarem CN – Gas<br />

Fraunhoferlinien beobachtete, die auf eine Anregung von Rotationsniveaus<br />

hindeuteten, wurde diese Beobachtung nicht erklärt.<br />

1965 wurde dann „zufällig“ eine isotrope, von Tages- und Jahreszeit unabhängige<br />

Mikrowellen Strahlung von 3.0 ± 0.5 K von Penzias & Wilson (Nobelpreis 1978)<br />

entdeckt. Eigentlich hatten sie an einer Untersuchung zur Rauschunterdrückung einer<br />

Hornantenne der Bell Telephone Gesellschaft gearbeitet, als sie dabei auf die CMBR<br />

stießen.<br />

Doch erst über ebenfalls eher zufällige Gespräche mit Wissenschaftlern aus<br />

Princeton (Robert Dicke u.a.) gelang die richtige Deutung der Entdeckung.<br />

Daraufhin veröffentlichten beide Gruppen ihre Entdeckung und Deutung in der<br />

Zeitschrift „Astrophysical Journal“ (in getrennten Artikeln).<br />

Weitere Forschungen der Gruppe um Robert Dicke zeigten, dass die CMBR einem<br />

Planck–Spektrum gehorcht und bestätigten deren Isotropie.<br />

(mehr dazu z.B. siehe: „The Cosmological Background Radiation“)<br />

2. Entstehung der CMBR<br />

2.1. Allgemeines:<br />

Urknallmodell:<br />

Danach entstand unser heutiges Universum aus einem sehr dichten und sehr heißen Zustand,<br />

und dehnt sich seit dem aus.<br />

Dabei kann man jeder Distanz (jeder Zeit) eine Rotverschiebung (oder Temperatur) zuordnen.<br />

Definition der Rotverschiebung z: 1+z = λ obs / λ em = R 0 /R(t)<br />

R 0 :Skalenfaktor heute; R(t): Skalenfaktor zur Zeit der Emission<br />

<strong>Die</strong>se Rotverschiebung ist nicht durch eine Geschwindigkeit der Sterne o.ä., sondern durch die<br />

Ausdehnung des Raumes zu erklären.<br />

Für die CMBR ist die dabei die Rekombination die wichtigste Zeit, d.h. als aus freien Elektronen<br />

und Protonen Wasserstoff entstand.<br />

Zusammenfassung der heutigen Werte und Abhängigkeiten der CMBR von z:<br />

Temperatur T=2.7 K ∝ (1+z)<br />

Energie Dichte ρ = 0,26 eV cm -3 ∝ (1+z) 4<br />

Photonen Dichte n ~ 400 cm -3 ∝ (1+z) 3<br />

Mittlere Photonen Energie ε ~ 6,2 * 10 -4 eV ∝ (1+z)<br />

1


¢<br />

£<br />

2.2. Vor der Rekombination: Wechselwirkungen zwischen Materie und Strahlung:<br />

2.2.1. Thermalisierung und Schwarz-Körper-Strahlung:<br />

Vor z ~10 7 waren zwei Prozesse wichtig, um das Planck – Spektrum aufzubauen:<br />

<strong>Die</strong> Bremsstrahlung und die Doppelte Compton Streuung:<br />

Bremsstrahlung: symbolisiert durch: e + Z → e‘ + Z‘ + γ<br />

Doppelte Compton Streuung: e + γ → e + 2γ<br />

<strong>Die</strong>se Prozesse sind in der Lage, Photonen zu erzeugen und zu zerstören, außerdem tendieren sie<br />

dazu, die Energien der Wechselwirkungspartner anzugleichen, was man Thermalisierung nennt.<br />

Damit sind diese Prozesse in der Lage, ein<br />

thermisches Gleichgewicht mit einem Planck -<br />

Spektrum der Photonen aufzubauen.<br />

Aus dem thermischen Gleichgewicht ergibt sich die<br />

Intensitätsverteilung der Photonen:<br />

I(λ, T) = 8 π h c / (λ 5 exp(hc/λkT) – 1)<br />

Für große Wellenlängen: Rayleigh – Jeans<br />

Für kleine Wellenlängen: Wien<br />

Für das Schwarzkörper – Spektrum hängt die<br />

Verteilung also nur von der Temperatur ab.<br />

Aus der großen Genauigkeit, mit der die CMBR<br />

durch ein Planck – Spektrum beschrieben werden<br />

kann, folgt, dass kaum Energiezufuhr stattgefunden<br />

haben kann in der Phase zwischen der Entstehung<br />

des Planck-Spektrums und der Rekombination, denn<br />

das hätte zu folgenden Störungen geführt:<br />

Störungen des chemischen Potentials (Bose – Einstein Störungen):<br />

In der Zeit zwischen z~10 7 und z~ 10 5 wäre diese Störung in ein „kinetisches<br />

Gleichgewichtsspektrum“ verwandelt worden.<br />

Wären zu wenige oder zu viele Photonen für ein thermisches Gleichgewicht vorhanden gewesen,<br />

hätte man ein chemisches Potential µ0 annehmen müssen (benannt nach Bose und<br />

Einstein).<br />

Compton Streuung:<br />

Falls eine Energiezufuhr zu einem Zeitpunkt ca. z ¤¦¥¨§ 5 erfolgt wäre, würde das ebenfalls als<br />

Abweichung vom Planck – Spektrum bemerkbar sein.<br />

Der wichtigste dann stattfindende Prozess wäre hier die einfache Compton – Streuung<br />

(e + γ → e‘ + γ‘). Sie reicht aber in diesem Zeitraum nicht mehr aus, um ein „kinetisches<br />

Gleichgewicht“ herzustellen (wie oben).<br />

Beschreibung dieser Störung durch Compton - Parameter y (aufgeteilt in : Rayleigh – Jeans und<br />

Wien Bereich):<br />

(∆T/T) RJ = - 2 y<br />

(∆T/T) Wien = x y<br />

Mit x= hν / (k B Tγ)<br />

Durch die genauen Messungen, die bisher durchgeführt wurden, kann man aber größere<br />

Energiezufuhren in diesen Zeiträumen vor der Rekombination ausschließen.<br />

2


2.3. Rekombination<br />

Als Rekombination bezeichnet man nun die Phase, während der sich Elektronen und Protonen zu<br />

ungeladenen Wasserstoff – Atomen (H ) verbunden haben, und die Strahlung von der Materie<br />

entkoppelte.<br />

Eine Teilchensorte entkoppelt aus dem Gleichgewicht, wenn die mittlere freie Weglänge λ sehr groß<br />

wird. Da die freie Weglänge von den freien Elektronen (die durch die Compton – Streuung mit den<br />

Photonen wechselwirken) abhängt, ist der<br />

Ionisationsanteil der Materie entscheidend:<br />

(BILD: Ionisationsbruchteil als Funktion der<br />

Rotverschiebung (aus: Astroteilchenphysik).<br />

Anmerkung: Zeit „andersherum“ aufgetragen).<br />

Der Prozeß passierte also nicht instantan, sondern<br />

zog sich über einen Bereich zwischen ca. z=1500<br />

(T=4000K) bis z=1100 hin.<br />

<strong>Die</strong> durchschnittliche Photonen – Energie betrug da<br />

etwa 0,3 eV. <strong>Die</strong> Ionisationsenergie von Wasserstoff<br />

liegt zwar bei 13,6 eV, aber durch die Planck -<br />

Verteilung gibt es noch genug hochenergetische<br />

Photonen, um Wsserstoff ionisieren zu können.<br />

Entscheidend für die Entstehung der kosmischen<br />

<strong>Hintergrundstrahlung</strong> ist jetzt, dass nach dieser<br />

Phase die mittlere freie Weglänge λ also so groß war, dass die Photonen sich praktisch ungehindert<br />

fortbewegen konnten.<br />

(zu den Ausnahmen komme ich bei den „Extrinsischen Fluktuationen“)<br />

Anmerkung: Planck – Spektrum für Hintergrund - Neutrinos<br />

Lange vor der Rekombination und vor der Elektron – Positron Vernichtung waren die Neutrinos im<br />

Gleichgewicht mit der <strong>Kosmischen</strong> Materie durch die schwache Wechselwirkung. Da sie sich schon<br />

lange vor den Photonen entkoppelt hatten, kann man ein Planck – Spektrum des Neutrino<br />

Hintergrundes erwarten (Tν ~1,95 K)<br />

3. Eigenschaften der CMBR<br />

3.1. Mathematische Beschreibung (Kugelflächenfunktionen):<br />

Für einen Beobachter scheint die CMBR von der Innenseite einer Kugeloberfläche zu kommen. Daher<br />

liegt es nahe, die CMBR Temperatur nach Kugelflächenfunktionen zu entwickeln:<br />

∆T/T (θ, φ) = ∑ lm a lm Y lm (θ, φ)<br />

Wir haben also die Summe über die Kugelflächenfunktionen Y, die sich als Multipole auffassen lassen.<br />

Man kann diese Entwicklung nach Y machen, da diese Kugelflächenfunktionen eine Orthonormalbasis<br />

bilden, d.h.:<br />

∫Y lm Y l’m‘ dΩ= δ ll‘ δ mm‘<br />

Außerdem gilt:<br />

∑ m Y lm (p) Y lm (q) =(2l+1 / 4π) P l (cosα)<br />

wobei Pl die zugeordneten Legendre Polynome sind und cos α = p*q.<br />

Man kann für die statistische Betrachtung der Winkelunterschiede eine Correlationsfunktion einführen:<br />

C(θ) = = (1/4π)∑ l=2<br />

∞<br />

(2l+1) C l P l (cosθ),<br />

wieder mit cosθ=q 1 *q 2 , und P l den Legendrepolynomen.<br />

Anmerkung: Winkelunterschied θ ~ 1/ l.<br />

3.2. Surface of last scattering (Relativbewegung der Erde):<br />

Alle Photonen, die wir in der <strong>Hintergrundstrahlung</strong> betrachten, wurden etwa zur gleichen Zeit emittiert<br />

bzw. gestreut. Da sie sich alle mit gleicher Geschwindigkeit c fortbewegt haben, haben auch alle etwa<br />

die gleiche Distanz d zurückgelegt.<br />

Man kann sich die Strahlung also wirklich von einer Kugel kommend vorstellen, in deren Mittelpunkt<br />

wir uns befinden.<br />

3


<strong>Die</strong>se Kugel stellt einen absoluten Bezugsrahmen (nicht im relativistischen Sinne!) für uns dar, d.h.<br />

u.a. wir haben eine messbare Geschwindigkeit bezüglich dieser Kugel.<br />

Das zweite Bild der <strong>Hintergrundstrahlung</strong> unten, aufgenommen vom Satellit COBE zeigt eine deutliche<br />

Dipolcharakteristik. Sie wird durch eben diese Relativbewegung der Erde verursacht.<br />

In der Multipolentwicklung ist dies der Term mit l=1.<br />

<strong>Die</strong> Messungen von RELIKT, FIRAS und DMR ergaben einen Dipolwert von ∆T Dipol = 3,343 ± 0,024<br />

mK.<br />

<strong>Die</strong> Richtung wird durch die galaktischen Koordinaten l=264,4° und b= 48,4° angegeben.<br />

Daraus ergibt sich eine Geschwindigkeit der Erde bezüglich der Oberfläche der letzten Streuung von<br />

v=365 km/s.<br />

Da man die Geschwindigkeiten der Erde bezüglich der Sonne, der Sonne bezüglich unserer Galaxie,<br />

unserer Galaxie bezüglich der Lokalen Gruppe kennt oder abschätzen kann, ergibt sich damit ein Wert<br />

für die Geschwindigkeit der Lokalen Gruppe bezüglich der <strong>Hintergrundstrahlung</strong> von v= 627 km/s.<br />

Zieht man nun diesen Dipolbeitrag von den gemessenen Daten ab, so ergibt sich das dritte der<br />

unteren Bilder.<br />

Hier sind jetzt noch Quellen unserer Galaxie zu sehen. Wenn man auch diese abzieht, sieht der<br />

Hintergrund so aus wie im vierten Bild.<br />

Das erste der Bilder soll nur die exakte Übereinstimmung mit einem Planck-Spektrum verdeutlichen.<br />

3.3. Intrinsische Fluktuationen in der CMBR:<br />

3.3.1. Sachs-Wolfe – Effekt:<br />

<strong>Die</strong>ser Effekt ist der dominante Effekt auf großen Winkelskalen und kommt von Potential-Störungen δφ<br />

(Gravitationspotential) während der Phase des „last scattering“.<br />

<strong>Die</strong>se haben zwei Folgen:<br />

1) die Photonen müssen aus einen Potentialwall entkommen, und sind daher rotverschoben.<br />

δT/T =δφ /c 2<br />

2) es entstehen Zeitdilatationen an der Oberfläche des „last scattering“, so dass wir auf ein jüngeres<br />

(und heißeres) Universum zu schauen scheinen. δt/t =δφ /c 2<br />

Nun ist der Skalenfaktor a ∝ t 2/3 und a ∝ T -1 . Daraus folgt: δT/T =-(2/3)δφ /c 2<br />

Insgesamt also δT/T =(1/3)δφ /c 2<br />

3.3.2. Doppler – Effekt:<br />

Natürlich kann das Plasma zur Zeit der „last scattering“ auch eine Eigenbewegung gehabt haben. <strong>Die</strong>s<br />

hätte eine Dopplereffekt zu Folge:<br />

δT/T =δv *r/c<br />

3.3.3. Gravitationswellen vs. Dichteschwankungen: Polarisation der CMBR<br />

Akustische Schwingungen im frühen Universum:<br />

Vor der Rekombinationszeit hatten sich in der (angenommenen) Dunklen Materie (WIMPs) erste,<br />

schwach ausgeprägte Massenkonzentrationen gebildet. Durch die Gravitation folgte das Baryonen –<br />

Photonen Plasma dieser Kondensation.<br />

<strong>Die</strong>ser Konzentration aufgrund der Gravitation stand der Strahlungsdruck der Photonen gegenüber,<br />

durch den die Plasmawolken wieder auseinander getrieben wurden.<br />

Das führte zu Schwingungen des Plasmas.<br />

Wie wir schon gesehen haben, führen aber Bewegungen in der Zeit der Rekombination zu Rot- bzw.<br />

Blauverschiebungen in der <strong>Hintergrundstrahlung</strong>. <strong>Die</strong>se müssten also zu messen sein. <strong>Die</strong><br />

4


Schwierigkeit hierbei ist, dass<br />

diese Schwingungen sich auf<br />

kleinen Skalen unter einem Grad<br />

zeigen (COBE hatte eine<br />

Winkelauflösung von 7 Grad).<br />

<strong>Die</strong> größten dieser<br />

Schwingungen sollten dabei etwa<br />

die Größe des damaligen<br />

Ereignishorizonts (l ~ 200 Ω -1/2 )<br />

haben, was heute unter einem<br />

Winkel von ca. 1° bzw. l ~200 zu<br />

sehen wäre.<br />

Für mehrere solcher und anderer<br />

Modelle hat man nun (für<br />

typische Werte der unbekannten<br />

Parameter) errechnet, wie die<br />

Anisotropie – Verteilung<br />

aussehen müsste: (Bild aus:<br />

Cosmic Background Radiation).<br />

<strong>Die</strong> neuesten Ergebnisse von Maxima, BOOMERaNG, CBI und MAP zeigen folgendes Bild:<br />

<strong>Die</strong>s deckt sich am besten mit<br />

dem ΛCDM Modell.<br />

Das heißt:<br />

Ω 0 = 0,99 ± 0,12<br />

Ω M ~ 0,3<br />

Ω Λ ~ 0,7<br />

Um endgültig zwischen<br />

Dichteschwankungen und<br />

inflationären Gravitationswellen<br />

unterscheiden zu können, muß<br />

man sich allerdings die<br />

Polarisation der CMBR<br />

anschauen:<br />

Während Dichteschwankungen<br />

radiale oder ringförmige<br />

Polarisation hervorrufen, ergibt<br />

sich aus Gravitationswellen ein<br />

Wirbelmuster in der Polarisation<br />

(Bild aus: Cosmic Background Imager confirms flat universe observations).<br />

3.4. Extrinsische Fluktuationen in der CMBR:<br />

3.4.1. Globale Störungen vs. lokale Störungen:<br />

Sollte die CMBR nach der Rekombination durch irgendwelche Prozesse gestört worden sein, so<br />

gibt es grundsätzlich zwei verschiedene Möglichkeiten:<br />

1) Der Effekt ist global, betrifft also die komplette CMBR, z.B. wenn es eine homogene<br />

Verteilung von heißem Gas nach der Rekombination oder eine weitere Auslöschung von<br />

unbekannten Teilchen / Antiteilchen gegeben hätte, oder<br />

2) der Effekt ist lokal, wenn z.B. die CMBR durch eine Galaxie mit Ansammlungen von heißem<br />

Gas gedrungen wäre. <strong>Die</strong>ser Effekt würde sich dann auf kleine Bereiche beschränken und<br />

könnte mit sonstigen astronomischen Beobachtungen in Zusammenhang gebracht werden.<br />

<strong>Die</strong> Messungen von COBE haben die Existenz globaler Störungen auf y < 1,5*10 -5 eingeschränkt,<br />

wobei y der „Compton Parameter“ ist.<br />

5


©<br />

<br />

3.4.2. Sunyaev – Zel’dovich Effekt (thermischer & kinetischer):<br />

<strong>Die</strong>ser Effekt bezieht sich nun auf lokale Störungen.<br />

Er basiert auf der Wechselwirkung der CMB Photonen mir heißer, ionisierter Materie, die sich<br />

unter Umständen auch noch bewegt.<br />

Solche lokalen Zonen gibt es z.B. in Zentralregionen von Galaxie Clustern. <strong>Die</strong>s ist aus X–Ray<br />

Beobachtungen bekannt.<br />

Bsp.: Coma Cluster: k B T e ~ 7,9 keV ; es wurde ein ∆T RJ =-1,4 mK gemessen.<br />

Betrachtet man jetzt noch eine Bewegung des Clusters v r , dann ergibt sich noch ein Dopplereffekt<br />

∆T/T =τ r V r / c<br />

Bemerkbar wird dieser Effekt aber erst bei ca. 1000 km s -1 .<br />

Der Sunyaev Zel’dovich Effekt ist wichtig, da er zusammen mit X – Ray Beobachtungen eine<br />

Bestimmung der Entfernung und des Hubble – Parameters ermöglicht.<br />

Außerdem ist er eine gute Möglichkeit, die Eigenschaften von Galaxien – Clustern zu bestimmen,<br />

da die CMBR ein so perfektes Planck – Spektrum hat.<br />

3.5. Exotische Effekte:<br />

Viele theoretische Überlegungen über Eigenschaften und Entstehung des Kosmos, die man sonst<br />

kaum überprüfen könnte, lassen sich an ihren Auswirkungen auf die CMBR testen. Hier ein paar<br />

Beispiele:<br />

Rotierendes Universum:<br />

Sollte das Universum rotieren, was nach der ART möglich wäre, dann würde sich das in einer<br />

Dipol – Anisotropie der CMBR bemerkbar machen. (Anmerkung: leider weiß ich nicht,<br />

gegenüber was die Rotation stattfinden soll)<br />

String Theorie:<br />

<strong>Die</strong>se besagt unter anderem, dass sich Strecken nicht weiter teilen lassen, als in ca. 10 -35 m<br />

große Abschnitte („Planck – Länge“).<br />

Sollte das Universum nun während der Inflation um einen Faktor 10 26 angewachsen sein, und<br />

danach noch einmal um etwa diese Größenordnung, dann wäre diese Strecke jetzt ein Paar<br />

Lichtjahre groß. <strong>Die</strong>se „kleinsten“ Strecken sollten nun in der CMBR sichtbar werden.<br />

Eine ähnliche Annahme sagt, dass der Informationsbetrag, den ein Raumzeit – Stück<br />

beinhalten kann, begrenzt ist. Dabei kann ein Stück, dass von 10 -35 m eingeschlossen ist, nur<br />

ein bit tragen.<br />

<strong>Die</strong> Inflation soll nun die Information von 10 10 dieser Raumquanten eingeschlossen haben.<br />

Alle intrinsischen Fluktuationen der CMBR wären also durch 1Gigabyte festgelegt.<br />

Wenn man nun eine genug feine Auflösung hätte (vielleicht PLANCK?), wäre die<br />

<strong>Hintergrundstrahlung</strong> gepixelt.<br />

(mehr dazu z.B. in „Scientific American october 2002; A Pixelated Cosmos“)<br />

4. Messungen der CMBR<br />

4.1. Detektoren: Radiometer / Bolometer:<br />

Radiometer sind für Messungen bis etwa 100 GHz geeignet und bestehen aus einer Dipolantenne.<br />

<strong>Die</strong> Signale werden über Schwingkreise abgegriffen.<br />

Ein Bolometer (Kalorimeter) ist eine Detektor für Strahlung oder Teilchen.<br />

Ein Absorber der Kapazität C ist schwach thermisch verbunden mit einem Wärmereservoir der<br />

Temperatur T 0 .<br />

Bei Energieeinfall E kommt es zu einer Temperaturzunahme ∆T. (E=c ∆T)<br />

<strong>Die</strong>ser Temperaturunterschied wird nun gemessen, durch einen an den Absorber angeschlossenen<br />

Thermometer. Als Thermometer nimmt man nun am besten Material, dass seinen Widerstand stark<br />

mit der Temperatur verändert, z.B. Neutron – dotierte Germanium Kristalle. Und zwar bei niedrigen<br />

Temperaturen, damit sie supraleitend werden.<br />

6


4.2. CN CH Moleküle:<br />

Eine weitere Möglichkeit, die CMBR zu untersuchen sind Moleküle, die mit der CMBR wechselwirken.<br />

<strong>Die</strong>s ist dann möglich, wenn diese Moleküle eine Energiedifferenz zwischen zwei Niveaus haben, die<br />

der Energie der CMB Photonen entspricht. (Beispiele CN und CH).<br />

Wenn eine solche Molekülwolke zwischen uns und einem hellen Stern liegt, dann können<br />

Absorptionslinien im Spektrum des Stern beobachtet werden.<br />

Solch eine Beobachtung hätte gegen 1941 schon zur Entdeckung der CMBR führen können.<br />

4.3. Missionen und Teleskope:<br />

Satellit: COBE<br />

Der Satellit COBE startete 1989 mit drei Messinstrumenten, DIRBE(Messung der absoluten<br />

Helligkeit des Himmels), FIRAS ( Interferometrie der CMBR durch Vergleich mit<br />

Referenzstrahlung), DMR (Radiometer mit Winkelauflösung 7°-180°, bei 3,3mm, 5,7mm, 9,5mm)<br />

Ballons: BOOMERanG /MAXIMA<br />

<strong>Die</strong>se Ballonmissionen haben 1998 /1999 über der Antarktis und über Texas kleine Teile des<br />

Himmels vermessen (3% bzw. 0,3%). <strong>Die</strong> Instrumente waren Bolometer, die in den<br />

Frequenzbereichen 90, 150, 240, 410 GHz bei einer Auflösung von 10-20 arcmin gemessen<br />

haben.<br />

Teleskop: CBI (Cosmic Background Imager)<br />

Der Cosmic Background Imager (CBI) ist ein Radioteleskop. Es steht in einer Höhe von 5080 m in<br />

den chilenischen Anden.<br />

<strong>Die</strong> Auflösung liegt zwischen 5‘ und 1° ( 300 < l < 3000 )<br />

Der CBI besteht aus 13 Interferometerelementen (0,9 m Durchmesser), die auf einer 6m Plattform<br />

montiert sind. <strong>Die</strong>se arbeiten zwischen 26 GHz bis 36 GHz.<br />

<strong>Die</strong> direkte Zusammenarbeit mit dem Owens Valley Radio Observatorium erlaubt die Subtraktion<br />

von nicht extragalaktischen Quellen.<br />

Das CBI beobachtet auch gezielt den Sunyaev Zel’dovich Effekt in Galaxie Clustern.<br />

Satellit: MAP<br />

Map ist ein Satellit der NASA, der 2001 gestartet ist. Der Frequenzbereich liegt bei 22-90GHz<br />

(Radiometrische Messungen mit 2*10 Detektoren). <strong>Die</strong> Auflösung beträgt bis 0,23°.<br />

Seit Freitag, 02-28-2003 gibt es unter<br />

http://map.gsfc.nasa.gov die neusten Ergebnisse:<br />

Eine detaillierte CMBR Karte:<br />

Dazu gibt es eine Zusammenfassung der „neuen“<br />

Ergebnisse:<br />

We have compared and combined the new WMAP data<br />

with other diverse cosmic measurements (galaxy<br />

clustering, Lyman-alpha cloud clustering, supernovae,<br />

etc.), and we have found a new unified understanding of<br />

universe:<br />

• Universe is 13.7 billion years old with only a 1% margin error.<br />

• First stars ignited 200 million years after the Big Bang.<br />

• Light in WMAP picture from 380,000 years after the Big Bang.<br />

• Content of the Universe:<br />

• 4% Atoms, 23% Cold Dark Matter, 73% Dark energy.<br />

• The data places new constraints on the dark energy. It seems more like a "cosmological<br />

constant" than a negative-pressure energy field called "quintessence". But quintessence is not<br />

ruled out.<br />

• Fast moving neutrinos do not play any major role in the evolution of structure in the universe.<br />

They would have prevented the early clumping of gas in the universe, delaying the emergence<br />

of the first stars, in conflict with the new WMAP data.<br />

• Expansion rate (Hubble constant) value: H o = 71 km/sec/Mpc (with a margin of error of about 5%)<br />

• New evidence for Inflation (in polarized signal)<br />

7


• For the theory that fits our data, the Universe will expand forever. (The nature of the dark energy is still<br />

a mystery. If it changes with time, or if other unknown and unexpected things happen in the universe,<br />

this conclusion could change.)<br />

Satellit: Planck Surveyor (in Planung)<br />

Planck ist ein Satellit der Esa, der voraussichtlich 2007 starten soll. Der Frequenzbereich den die<br />

insg. 50 (radio- und bolometrischen) Detektoren liegt zwischen 30 und 857 GHz. <strong>Die</strong> Auflösung<br />

liegt bei etwa 5 arcmin, es sollen Temperaturdifferenzen von wenigen µK sichtbar werden. Planck<br />

soll auch die Polarisation der CMBR messen.<br />

5. Verwendete Literatur:<br />

1. The Cosmological Background Radiation von: M. Lachiéze-Rey, E. Gunzig. Cambridge Universitiy<br />

Press, 1999.<br />

2. <strong>3K</strong>: the cosmic microwave background radiation von: R.B. Partridge. Cambridge University Press<br />

1995.<br />

3. Physik in unserer Zeit, Spezial Kosmologie, 3/2002: Astronomen entziffern das Buch der<br />

Schöpfung.<br />

4. Astroteilchenphysik von: Klapdor / Zuber<br />

5. Physik der Atomkerne von: T. Mayer - Kuckuk<br />

6. Cosmic Background Radiation: pdg.web.cern.ch/pdg<br />

7. Cosmological Physics von: Peacock<br />

8. Physikaliche Blätter 57 (2001) Nr. 9: <strong>Die</strong> kosmologische Inflation<br />

9. Scientific American, 10/2002: A Pixelated Cosmos<br />

10. Spektrum der Wissenschaft 12/2002: Quanten Urknall<br />

11. Cern Courier, July/August 2002: Cosmic Background Imager confirms flat universe observations<br />

12. Spektrum der Wissenschaft 03/2001: Der neue Kosmos (Teil 1)<br />

13. Spektrum der Wissenschaft 04/2001: Der neue Kosmos (Teil 2)<br />

Internetseiten der Teleskope und Missionen:<br />

COBE: http://space.gsfc.nasa.gov/astro/cobe<br />

BOOMERANG: http://www.physics.ucsb.edu/~boomerang<br />

MAXIMA: http://cosmology.berkeley.edu/group/cmb<br />

MAP: http://map.gsfc.nasa.gov<br />

PLANCK: http://sci.esa.int/home/planck<br />

CBI: http://www.astro.caltech.edu/~tjp/CBI/index.html<br />

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