Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung...
-
Upload
wilmar-wessels -
Category
Documents
-
view
106 -
download
0
Transcript of Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung...
![Page 1: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/1.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 1
Vorlesung 5:
Roter Faden:
1. Temperaturentwicklung des Universums2. Kernsynthese3. CMB=cosmic microwave background = kosmische Hintergrundstrahlung.
![Page 2: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/2.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 2
Einteilung der VL
1+2 Hubblesche Gesetz3. Gravitation4. Evolution des Universum5. Temperaturentwicklung6. Kosmische Hintergrundstrahlung7. CMB kombiniert mit SN1a8. Strukturbildung9. Neutrinos10. Grand Unified Theories11.-14. Suche nach DM
![Page 3: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/3.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 3
Bisher:Ausdehnungund Alter desUniversumsberechnet.
Wie ist die Tempe-raturentwicklung?Am Anfang ist dieEnergiedichtedominiert durchStrahlung.
![Page 4: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/4.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 4
Plancksche Gesetz für Strahlung eines schwarzen Körpers
![Page 5: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/5.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 5
![Page 6: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/6.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 6
Schwarzkörperstrahlung: ein Thermometer des Universums
Erwarte Plancksche Verteilungder CMB mit einer TemperaturT= 2.7 K, denn T 1/S 1/1+z. Entkoppelung bei T=3000 K , z=1100.T jetzt also 3000/1100 =2.7 K Dies entspricht λmax=2-3 mm (Mikrowellen)
![Page 7: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/7.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 7
Stefan-Boltzmann Gesetz für Strahlung eines schwarzen Körpers
![Page 8: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/8.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 8
Nach Stefan-Boltzmann: Str T4 Es gilt auch: Str N E 1/S4
Daher gilt für die Temperatur der Strahlung: T 1/S Hiermit kann man die Fríedmann Gl. umschreiben als Funkt. von T! Es gilt: dT d(1/S) oder S/S -T/T und 1/S2 T2
Im strahlungsdominierten Universum kann man schreiben:
(S/S)2 = (T/T)2 = 8GaT4/3c2 (Str=aT4>>m und k/S2 und )
Lösung dieser DG: T = (3c2/8aG)1/4 1/t = 1,5 1010 K (1s/t) = 1,3 MeV (1s/t) In Klartext: 1 s nach dem Urknall ist die Temperatur gefallen von der Planck Temperatur von 1019 GeV auf 10-3 GeV
Temperaturentwicklung des Universums
Entkopplung der CMB bei T= 0,3 eV = 3000 K oder t = 3.105 yr oder z = S0/S = T/T0 = 3000 / 2.7 = 1100
![Page 9: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/9.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 9
Temperaturentwicklung des Universums
![Page 10: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/10.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 10
Nukleosynthese
![Page 11: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/11.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 11
Nukleosynthese
Nach t=1.5 s nur noch Neutronenzerfall und Kernsynthese durch starke Wechselwirkung, aber keine schwache Wechselwirkungen mehr
![Page 12: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/12.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 12
Nukleosynthese
![Page 13: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/13.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 13
Nukleosynthese
![Page 14: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/14.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 14
Nukleosynthese
![Page 15: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/15.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 15
Nukleosynthese
![Page 16: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/16.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 16
WMAP Results agree with Nuclear Synthesis
Kernsynthese:Alle Elementhäufigkeitenstimmen überein mit:
Ωbh2=0.0214 +/- 0.002
oder mit h=0.71 Ωb=4,2%
http://www.astro.ucla.edu/~wright/BBNS.html
Auch WMAP: Ωb=4,4%(später mehr)
Vorhergesagte 7Li Häufikeit größerals gemessen, aber Li wird in Sternendurch Fusion zerstört
![Page 17: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/17.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 17
Deuteriumhäufigkeit wichtigster Thermometer des Universums
Höhere Baryondichte gibt weniger D, da Fusion von D in He effektiver wird, d.h. mehr He, weniger D.
Daher D sehr steile Funktion von der Baryondichte oder was sehr oft angegeben
wird Elementhäufigkeit als Funktion von : =B/ , da dieses Verhältnis
unabhängig vom Skalenfaktor und damit von der Vakuumdichte ist.Die Photon dichte ist sehr genau bekannt aus der CMB.
Problem bei der Messung der Deuteriumhäufigkeit:
D wird auch in Sternen durch Fusion zerstört!Daher Messung als Funktion der Zeit (oder Rotverschiebung) D-Absorptionslinien aus Lyman-alpha-Forest (Lya-Wald). Diese Linien sind durch den anderen Kernum 82 km/s gegenüber Wasserstoff ins Blaue verschoben. Am Einfachsten wird D/H gemessen und der höchste Wert wird für die D-Häufigkeit genommen.
![Page 18: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/18.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 18
Lyman- Wasserstoff linien
![Page 19: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/19.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 19
D in Lyman- Wald
![Page 20: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/20.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 20
Entstehung der 3K Kosmischen Hintergrundstrahlung Cosmic Microwave Background (CMB))
![Page 21: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/21.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 21
Nach Rekombination ‘FREE STREAMING’ der Photonen
![Page 22: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/22.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 22
Last Scattering Surface (LSS)
![Page 23: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/23.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 23
Entdeckung der CMB von Penzias und Wilson in 1965
![Page 24: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/24.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 24
The COBE satellite: first precision CMB experiment
![Page 25: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/25.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 25
Schematic view of COBE in orbit around the earth. The altitude at insertion was 900 km. The axis of rotation is at approximately 90° with respect to the direction to the sun. From Boggess et al. 1992.
COBE orbit
![Page 26: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/26.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 26
Kosmische Hintergrundstrahlung gemessen mit dem COBE Satelliten (1991)
T = 2.728 ± 0.004 K Dichte der Photonen 412 pro cm3
Wellenlänge der Photonen ca. 1,5 mm, so dichteste Packungca. (10 mm / 1.5 mm)3 = ca. 300/cm3, so 400 sind viele Photonen/cm3
Mather (NASA), Smoot (Berkeley)Nobelpreis 2006
![Page 27: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/27.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 27
CMB Messungen bisher
![Page 28: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/28.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 28
measured by W(ilkinson)MAP Satellite
90 K
60 K
300 K
![Page 29: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/29.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 29
WMAP Elektronik
UHMT=Ultrahigh Mobility Transistors(100 GHz)
![Page 30: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/30.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 30
Himmelsabdeckung
![Page 31: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/31.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 31
Anfang 2003: WMAP Satellit mißt Anisotropie der CMB sehr genau.
Geschichte der CMB
![Page 32: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/32.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 32
Entdeckung der CMB von Penzias und Wilson in 1965
![Page 33: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/33.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 33
Das elektromagnetische Spektrum
![Page 34: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/34.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 34
The whole shebangThe whole shebang
![Page 35: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/35.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 35
Zum Mitnehmen
Temperaturentwicklung im frühen Universum: T = (3c2/8aG)1/4 1/t = 1,5 1010 K (1s/t) = 1,3 MeV (1s/t)
Nach der Rekombination der Protonen und Elektronen zu neutralem Wasserstoff wird das Universum transparent für Photonen und absolut dunkel bis nach 200 Myr Sterne entstehen (dark ages)
Die nach der Rekombination frei entweichende Photonen sind heute noch beobachtbar als kosmische Hintergrundstrahlung mit einer Temperatur von 2.7 K Es gilt: T 1/S für Strahlung und relativ. Materie (E>10mc2)
1/S 1+z (gilt immer) T 1/ t (wenn Strahlung und relat. Materie dominiert, gilt
nicht heute, denn zusätzliche Exp. durch Vakuumenergie)
Hiermit zu jedem Zeitpunkt Energie oder Temperatur mit Dreisatz im frühen Universum zu berechnen, wenn man weiß: zum Zeitpunkt der Rekombination: (Trec=3000 K) = 380.000 yr =(z=1100)
![Page 36: Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 16.11.2010 1 Vorlesung 5: Roter Faden: 1. Temperaturentwicklung des Universums 2. Kernsynthese 3. CMB=cosmic microwave.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6549795902118bab2c/html5/thumbnails/36.jpg)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.11.2010 36
Pfeiler der Urknalltheorie:
1) Hubble Expansion2) CMB3) Kernsynthese 1) beweist dass es einen Urknall gab und 2,3) beweisen, dass Univ. am
Anfang heiß war!
Zum Mitnehmen