Bakgrundsstrålning

Temperaturfluktuationer i bakgrundsstrålningen, registrerad av WMAP- rymdproben (uppdrag 2001–2010)
Temperaturfluktuationer i bakgrundsstrålningen, registrerad av COBE- satelliten (uppdrag 1989–1993)

Den bakgrundsstrålning , mer kosmiska bakgrundsstrålningen , engelska kosmiska bakgrunds (CMB) , på grund av deras låga temperatur och densitet energi och tre-Kelvin strålning kallas, är en hela universum som uppfyller nästan isotropisk strålning i mikrovågsområdet , som kort efter den Big Bang uppstod. Det är av enastående betydelse för den fysiska kosmologin , eftersom det anses vara bevis på Big Bang-teorin ( standardmodell ).

Den kosmiska bakgrundsstrålningen bör inte förväxlas med kosmisk strålning .

teori

Efter Big Bang var strålning och materia initialt i termisk jämvikt . Som ett resultat av universums expansion minskade temperaturen och densiteten hos den kopplade strålnings-material-blandningen över tiden. När allt kommer omkring, efter cirka 380 000 år, vid en temperatur på cirka 3000  Kelvin , kunde protoner och elektroner bilda elektriskt neutralt väte , vilket i fysiken är känt som rekombination . Eftersom fria elektroner och protoner nu saknades kunde strålningen inte längre interagera med saken på grund av Thomsons spridning av fotoner - universum blev "transparent". Den kosmiska mikrovågsstrålningen härstammar från denna tid, rekombinationsepoken . Det sändes i det synliga spektrumet när det skapades.

Den ytterligare expansionen av universum orsakad av expansionen av rymdtid och en expansion av våglängden för de befintliga fotonerna, dvs en rödförskjutning . Vi betraktar därför dessa fotoner idag som kosmisk bakgrundsstrålning inom mikrovågsområdet. Det är ungefär enhetligt i alla himmelriktningar i normala vågar och skapas inte genom att överlagra enskilda källor som galaxer.

Som ett resultat av den termiska jämvikten före rekombination har strålningen det nästan perfekta intensitetsspektrumet för en svart kropp (även kallad svart kroppsstrålning ) med en temperatur på 2,725 (± 0,002) Kelvin idag.

Enligt en kosmologisk modellberäkning är bakgrundsstrålningens rödförskjutning z  = 1089 ± 0,1 och varje kubikcentimeter av vakuumet i rymden innehåller i genomsnitt 400 fotoner av bakgrundsstrålningen.

historia

Horn antennen från " Bell Labs' " i Holmdel , New Jersey  (USA), var i 1964 den förutsagda mikrovågsstrålningen har mottagits som en interfererande signal

Strålning från det intergalaktiska rymden med 2,8 K förutspåddes av Erich Regener redan 1933 .

Som ett resultat av en big bang postulerades det bara med högre värden på 1940-talet av George Gamow , Ralph Alpher och Robert Herman . Upptäckten hände av en slump 1964 av Arno Penzias och Robert Woodrow Wilson medan han testade en ny känslig antenn som hade byggts för experiment med konstgjorda satelliter. I samma utgåva av Astrophysical Journal där Penzias och Wilson publicerade sina resultat, Robert Henry Dicke et al. upptäckten redan som kosmisk svartkroppsstrålning, i ett verk där de i sin tur tillkännagav förberedelsen av ett liknande experiment (vid andra våglängder) där Penzias och Wilson hade förutsett dem. Penzias och Wilson fick Nobelpriset i fysik 1978 för denna upptäckt .

Andrew McKellar hittade bevis för bakgrundsstrålningen så tidigt som 1940/1941 vid Mount Wilson Observatory genom att bestämma temperaturen på rotationsspektrumet för CN-molekyler i det interstellära mediet. Hans upptäckt hittade till och med vägen in i den välkända lärobok Spectra of diatomic molecules (1950) av Gerhard Herzberg , men ingen av dem kände igen upptäckten.

1964 lade A. Doroshkevich och Igor Dmitrijewitsch Novikow också fram ett förslag för att observera relikstrålning i Sovjetunionen .

Mätningar

Spektrumet uppmätt av COBE-satelliten (intensitet som en funktion av vågtalet ) hos den kosmiska bakgrundsstrålningen, en Planck-spektrum med temperaturen T = 2,725 K. De stänger av felfrekvenser datapunkterna är för små för att visas på en på skärmen sattes mycket större felstaplar in för att göra mätpunkterna synliga. Det maximala är vid en våglängd på cirka 2 mm, vilket motsvarar en frekvens på cirka 150  GHz .

I experimenten med Penzias och Wilson utfördes mätningar endast på en frekvens , varför ytterligare mätningar utfördes på andra frekvenser under de följande åren. Detta bekräftade att strålningen faktiskt är svartkroppsstrålning . Denna typ av strålning har den typiska klockformade intensitetskurvan som visas på bilden. Eftersom de jordbaserade observationsmöjligheterna i mikrovågsområdet är begränsade på grund av atmosfärens absorption lanserades satellituppdraget COBE .

  • Bullerspänningen mättes med så många frekvenser som möjligt från så många riktningar som möjligt med hjälp av mycket känsliga mikrovågsmottagare .
  • På grund av det breda frekvensbandet måste olika antenner och mottagare användas. Så normaliseringar och omvandlingar till absolut mottagningskraft var nödvändiga.
  • Målet var att bara få data om den svaga bakgrundsstrålningen. Därför måste strålningsbeteendet för alla kända och ibland mycket intensiva förgrundskällor som krabbanebulosa eller andra supernovarester modelleras och subtraheras för alla frekvenser.
  • De återstående uppmätta värdena visar ett slående dipolmönster: maximal strålning från en mycket specifik riktning (ungefär motsatt solsystemets nuvarande rotationsriktning i Vintergatan) är tydligt blåförskjuten, i motsatt riktning rödskiftad ( dopplereffekt ). Detta förklaras av det faktum att vårt solsystem rör sig med cirka 369 km / s jämfört med ett referenssystem där strålningen är isotrop.
  • Detta dipolmönster subtraheras och de uppmätta värdena som modifierats flera gånger ritades in som en funktion av våglängden (se höger bild).
  • Med formeln för Plancks strålningslag beräknades modellkurvor för olika temperaturer och ritades i samma diagram.
  • Modellkurvan för 2.725 K är den som bäst passar mätpunkterna (i betydelsen felens minsta kvadrat ).

Anisotropi

Kraftspektrum för temperaturfluktuationerna hos den kosmiska bakgrundsstrålningen

Mikrovågsbakgrundens temperatur är väldigt enhetlig ( isotrop ) över hela himlen . Det starkaste beroendet av observationsriktningen är bara cirka 0,1% och uppstår på grund av rörelsen av Vintergatan (och därmed jorden) i förhållande till mikrovågsbakgrunden:

  • Fotoner som kommer från rörelseriktningen är blåförskjutna på grund av Doppler-effekten , bakgrundsstrålningens temperatur ökas i denna riktning.
  • Fotoner som kommer från motsatt riktning är motsvarande rödförskjutna, bakgrundsstrålningen verkar svalare.

Detta resulterar i en dipolanisotropi av temperaturfördelningen. Med denna metod, som är vanlig i astronomi, är det också möjligt att bestämma rätt rörelse i rymden i förhållande till bakgrundsstrålningen.

Temperaturfluktuationerna på mindre vinkelskalor kan delas in i:

  • primära anisotropier : anisotropier på grund av effekter som var i kraft vid den tidpunkt då strålningen genererades. De viktigaste är:
    • Den Sachs-Wolfe-Effekt : Strålning som flyr från overdense regioner undergår en gravitations rödförskjutning , så att bakgrundsstrålningen i den motsvarande riktningen har en något lägre temperatur; å andra sidan kompenseras denna effekt delvis av det faktum att tyngdkraften leder till en tidsutvidgning . Därför kommer fotonerna i de tätare regionerna från en något tidigare tid då universum var ännu varmare. Båda effekterna beskrivs tillsammans av Sachs-Wolfe-effekten.
    • Densitetsfluktuationerna i det tidiga universum leder till märkliga hastigheter . Det här är materiens hastigheter som inträffar utöver rymdens expansion . Elektronerna med vilka fotonerna sprids för sista gången har därför en extra hastighetskomponent som är beroende av densiteten.
    • Om baryondensiteten ökas i ett litet område komprimeras baryonerna adiabatiskt och därmed varmare. Eftersom baryonerna är i termisk jämvikt med fotonerna blir fotonerna också rikare på energi.
  • Sekundära anisotropier: Anisotropier på grund av effekter som först uppstod senare på vägen för fotonerna genom rymden. Dessa inkluderar särskilt:
    • Det finns fria elektroner i universum som fotonerna kan spridas på. Eftersom Thomsonspridning till stor del är isotrop, är fotonens riktning efter spridning till stor del oberoende av dess riktning före spridning. De spridda fotonerna har inte längre någon information om fluktuationerna i CMB. Som ett resultat tvättas anisotropierna delvis ut.
    • När de passerar genom universum passerar fotonerna genom en serie potentiella brunnar i universums strukturer (t.ex. genom galaxer , galaxkluster etc.). De får alltid ett gravitationsblått skift och sedan ett rött skift igen. Eftersom den totala gravitationspotentialen i universum förändras över tiden upphäver inte effekterna varandra helt. Detta är känt som den integrerade Sachs-Wolfe-effekten .
    • Dessutom avböjs fotonerna när de passerar genom de potentiella brunnarna. Vinkeln under vilken vi observerar fotonerna motsvarar inte exakt deras position vid rekombinationstidpunkten - detta smetar anisotropierna i små vinkelskalor.
    • Fotoner kan spridas på elektronerna i den heta gasen i galaxkluster. Denna Compton-spridning ökar energin och frekvensen hos fotonerna i genomsnitt lite. Detta ökar antalet högfrekventa fotoner i förhållande till Planck-spektrumet , medan antalet lågfrekventa fotoner minskar. Detta kallas Sunjajew-Seldowitsch-effekten .

De statistiska egenskaperna för densitetsfördelningen vid rekombinationstidpunkten - och därmed de primära anisotropierna - kan modelleras exakt inom ramen för relativistisk kosmologi som en funktion av mindre kosmologiska parametrar . De sekundära anisotropierna kan antingen beräknas ut eller beaktas i modelleringen . Därför - beroende på de kosmologiska parametrarna - kan förutsägelser göras om temperaturfördelningen, särskilt om vinkeleffektspektrumet (se figur). Om du jämför detta med det uppmätta vinkeleffektspektrumet kan du bestämma de kosmologiska parametrarna.

Upptäckten av dessa små temperaturfluktuationer (ca 0,001%) i mindre områden av COBE- satelliten 1993 var ett genombrott i observation av det tidiga universum. Mätningen av styrkan hos dessa fluktuationer gjorde det klart att ämnet fördelades extremt homogent vid rekombinationstidpunkten . Ytterligare undersökningar genom markbaserade experiment, ballongteleskop och särskilt rymdproberna WMAP och Planck har karakteriserat styrkan hos dessa temperaturfluktuationer som en funktion av deras vinkelutbredning på himlen mycket bättre. Det faktum att de uppmätta egenskaperna hos mikrovågsbakgrunden överensstämmer väl med de teoretiska förutsägelserna är utmärkta bevis för att Big Bang-teorin är giltig. Mätningen av parametrarna i denna teori gynnar lambda CDM-modellen .

Från augusti 2009 till februari 2012 mätte den europeiska rymdproben Planck strålningen med en ännu tre gånger högre upplösning , med bättre undertryckande av störande strålning. Temperaturfluktuationerna är för närvarande en av de viktigaste uppmätta variablerna i kosmologi och teorier om strukturer i det tidiga universum.

Nya frågor

Trots det allmänt utmärkta överensstämmelsen mellan de uppmätta egenskaperna hos den kosmiska mikrovågsbakgrunden och de teoretiska förutsägelserna, finns det några aspekter av data som inte är helt förstådda och har lett till pågående diskussioner.

Så några av de lägsta ögonblicken i temperaturvinkeln är lägre än förutsagt. De uppmätta extrema värdena för bakgrundsstrålningen löper nästan vinkelrätt mot solsystemets ekliptik , med avvikelsen från den vinkelräta rör sig inom ramen för mätfelaktigheterna. Dessutom finns det en tydlig nord-syd-asymmetri med ett maximum i norr. Detta är förvånande. Den standardmodellen kosmologi inte vet något globalt distinkt rumslig riktning. Därför bör den kosmiska bakgrundsstrålningen från alla rumsliga riktningar vara lika stark i genomsnitt.

Det finns också en region som kallas CMB Cold Spot med en diameter på cirka 5 °, där temperaturen på bakgrundsstrålningen är betydligt lägre än genomsnittet. Denna CMB-kallfläck tolkas vanligtvis som en bild av ett särskilt stort, särskilt tomt utrymme . Ett försök gjordes att upptäcka detta tomma utrymme direkt med hjälp av en tredimensionell kartläggning av de galaxer som ska observeras i denna riktning. Olika forskargrupper kom till motsatta resultat. En studie från 2016 bekräftar ett tomrum i den aktuella himmelregionen. En studie från 2017 drar dock slutsatsen att det inte finns någon rumslig struktur i fördelningen av de observerbara galaxerna som är kompatibel med CMB Cold Spot.

Dessa avvikelser från den förväntade fördelningen av bakgrundsstrålningen, som redan var synliga i resultaten av WMAP-uppdraget, bekräftades genom mätningar med Planck i högre upplösning och noggrannhet.

Olika samarbeten letar efter indikationer på inflation och gravitationsvågor från universums tidiga dagar i den fina fördelningen av den uppmätta bakgrundsstrålningen . En första rapport baserad på mätningar från BICEP2-detektorn fick medieuppmärksamhet 2014. Ett år senare drog dock samma författare slutsatsen att avvikelserna från isotropi kan förklaras som ett resultat av damm från Vintergatan .

litteratur

  • Gerhard Börner, Matthias Bartelmann: Astronomer dechiffrerar skapelsens bok. I: Fysik i vår tid . Wiley 33.2002,3, ISSN  0031-9252 , s. 114-120.
  • GD Starkman, DJ Schwarz: dissonanser i universum. I: Spectrum of Science . Heidelberg 2005, 12, ISSN  0170-2971 , s. 30 ff.
  • Marc Lachièze-Rey, Edgard Gunzig: Den kosmologiska bakgrundsstrålningen. Cambridge Univ. Press, Cambridge 1999, ISBN 0-521-57437-4 .

webb-länkar

Commons : Kosmisk bakgrundsstrålning  - Samling av bilder, videor och ljudfiler

Individuella bevis

  1. ↑ a b CL Bennett, M. Halpern, G. Hinshaw, N. Jarosik, A. Kogut, M. Limon, SS Meyer, L. Page, DN Spergel, GS Tucker, E. Wollack, EL Wright, C. Barnes, MR Greason, RS Hill, E. Komatsu, MR Nolta, N. Odegard, HV Peirs, L. Verde, JL Weiland: Första årets Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observationer: Preliminära kartor och grundläggande resultat . I: Astrophys. J. Suppl. Volym 148 , 2003, s. 1–27 , doi : 10.1086 / 377253 , arxiv : astro-ph / 0302207 .
  2. ↑ Kenneth R. Lang: En följeslagare till astronomi och astrofysik. Kronologi och ordlista med datatabeller. Springer, 2006, s. 242.
  3. ↑ E. Regener: Energiflöde för ultraljud. (PDF; 166 kB, PDF). På: wolff.ch. I: Journal of Physics. 80, 9-10, 1933, sid 666-669.
    För ytterligare historik, se z. BAKT Assis, MCD Neves: Historia av temperaturen på 2,7 K före Penzias och Wilson. (PDF; 94,4 kB).
  4. ↑ Arno Penzias: Elements Origin, Nobel Lecture ( engelska ) Nobel Foundation. 8 december 1978. Hämtad 11 december 2009.
  5. ^ Robert Woodrow Wilson: Den kosmiska mikrovågsbakgrundsadiationen, Nobel Lecture ( engelska ) Nobel Foundation. 8 december 1978. Hämtad 11 december 2009.
  6. ↑ McKellar: Publ. Astron. Soc. Pacific, Vol. 52, 1940, s. 187, Vol. 53, 1941, s. 233, Publ. Dom. Astrofys. Obs. Volym 7, 1941, nr 15, s. 251.
  7. ↑ . Det p 496. Han skrev: "Från intensitetsförhållandet av de KN linjer med K = 0 och K = 1 en rotations temperatur av 2,3 K följer, som har naturligtvis endast en mycket begränsad mening."
  8. ^ Paul A. Feldman: Interstellära molekyler från ett kanadensiskt perspektiv. Del I: De tidiga åren.
  9. ↑ Doroshkevich, Novikov. I: Doklady Akad. Nauka Sovjetunionen. Volym 154, 1964, s. 809. Historien diskuteras också av Igor Novikow, Dmitri Novikow och Pavel Naselsky i deras bok Physics of the Cosmic Microwave Background, Cambridge University Press 2006, i synnerhet avvisar de det yttrande som publicerats i Penzias 'Nobel Lecture I artikeln skulle CMB ha uteslutits baserat på mätningar av Ohms som publicerades 1961.
  10. ↑ Ursprungliga data från FIRAS-teamet.
  11. ↑ Fixsen et al.: The Cosmic Microwave Background Spectrum from the Full COBE FIRAS Data Sets. Astrophysical Journal, 473, 576, 1996.
  12. Hins G. Hinshaw et al.: Femåriga Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) observationer: databehandling, Sky Maps och grundläggande resultat . I: The Astrophysical Journal Supplement Series . tejp 180 , 17 oktober 2008, s. 225–245 , doi : 10.1088 / 0067-0049 / 180/2/225 , arxiv : 0803.0732 .
  13. ↑ a b c d e f Peter Schneider: Extragalaktisk astronomi och kosmologi. Springer, 2008.
  14. ↑ ESA: s pressmeddelande , öppnat den 6 februari 2012.
  15. ↑ Fysikens värld. Hämtad 6 februari 2012.
  16. ^ A. de Oliveira-Costa, bland annat: Betydelsen av CMB-fluktuationer i största skala i WMAP . In: Physical Review D . 69, 2004, s. 063516. arxiv : astro-ph / 0307282 . doi : 10.1103 / PhysRevD.69.063516 .
  17. ↑ DJ Schwarz, bland annat: Är låg- l mikrovågsugn bakgrunds kosmisk? . I: Physical Review Letters . 93, 2004, s. 221301. arxiv : astro-ph / 0403353 . doi : 10.1103 / PhysRevLett.93.221301 .
  18. ↑ P. Bielewicz, KM Gorski, AJ Banday: Låg ordning multipolkartor över CMB-anisotropi härledda från WMAP . I: Månadsvisa meddelanden från Royal Astronomical Society . 355, 2004, s. 1283. arxiv : astro-ph / 0405007 . doi : 10.1111 / j.1365-2966.2004.08405.x .
  19. ↑ O. Preuss, H. Dittus, C. Lämmerzahl: Stjärnor och rymd. April 2007, s. 34.
  20. ↑ Nadatur Seshadri, Robert Crittenden: En detektering av det integrerade Sachs-Wolfe-avtrycket av kosmiska överbyggnader med hjälp av en matchad filterstrategi . I: The Astrophysical Journal . 830, nr 2016, 2016, s. L19. arxiv : 1608.08638 . bibcode : 2016ApJ ... 830L..19N . doi : 10.3847 / 2041-8205 / 830/1 / L19 .
  21. ↑ Ruari Mackenzie: Bevis mot en supervoid som orsakar CMB-kylfläcken . I: Månadsvisa meddelanden från Royal Astronomical Society . 470, nr 2, 2017, s. 2328-2338. arxiv : 1704.03814 . bibcode : 2017MNRAS.470.2328M . doi : 10.1093 / mnras / stx931 . "En annan förklaring kan vara att den kalla fläcken är kvarlevan av en kollision mellan vårt universum och ett annat" bubbeluniversum "under en tidig inflationsfas (Chang et al. 2009, Larjo & Levi 2010)."
  22. ^ ESA: Planck publicerade papper. 21 mars 2013, nås 23 december 2016 .
  23. ↑ Personal: BICEP2 2014 års resultatredovisning . 17 mars 2014. Hämtad 18 mars 2014.
  24. Cow Ron Cowen: Upptäckt av gravitationella vågor är nu officiellt död . I: natur , 30 januari 2015.