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Die kosmische Hintergrundstrahlung

Die kosmische Hintergrundstrahlung. Georg Benjamin Schlögl Georgios Labrinopoulos. Die Eigenschaften d. kosm. Hintergrundstrahlung. Frage: gab es den Urknall, oder existiert das Universum schon ewig? Antwort: 1965 – Entdeckung der Hintergrundstrahlung

donny
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Die kosmische Hintergrundstrahlung

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Presentation Transcript

  1. Die kosmische Hintergrundstrahlung Georg Benjamin Schlögl Georgios Labrinopoulos

  2. Die Eigenschaften d. kosm. Hintergrundstrahlung • Frage: gab es den Urknall, oder existiert das Universum schon ewig? • Antwort: 1965 – Entdeckung der Hintergrundstrahlung • Spektrum: Form eines idealen Schwarzen Körpers: T0 = 2,725 ± 0,001 K

  3. Die Eigenschaften d. kosm. Hintergrundstrahlung • Wieviel Energie entspricht der kritischen Dichte? • Von Spektrum des Schwarzkörpers auf Energiestrahlungsdichte εrad ≡ ρrad c2 = αT4 • α = 7,565 * 10 –16 J m -3 K –4 • Für beobachtete Temperatur T0εrad (T0) = 4,17 * 10 –14 J m -3

  4. Die Eigenschaften d. kosm. Hintergrundstrahlung • Kritische Dichte:Ωrad = 2,47 * 10 -5 h -2 • Kosmische Hintergrundstrahlung macht kleinen Bruchteil der kritischen Dichte aus • Strahlungsdichte – Expansionρrad ~ 1 / α4

  5. Die Eigenschaften d. kosm. Hintergrundstrahlung • Entscheidende Gleichung:T ~ 1 / αd.h. das Universum kühlt ab, während es sich ausdehnt • Heute ca. 3K → früher viel heißer! • Damit ändert sich auch die thermische Verteilung (Schwarzkörper-Verteilung)

  6. Die Eigenschaften d. kosm. Hintergrundstrahlung • Während der Expansion sinkt die Frequenz: f ~ 1 / α • Schwarzkörper-Spektrum bleibt bei TEnde erhalten • Spektrum bei Expansion und Abkühlung entspricht thermischen Verteilung mit ständig sinkender Temperatur

  7. Das Verhältnis der Photonenzahl zur Baryonenzahl

  8. Das Verhältnis der Photonenzahl zur Baryonenzahl • Baryonen = Protonen + NeutronenTeilchenzahldichte sinkt umgekehrt proportional zum Volumen • Gilt auch für Photonen • Photonen + Baryonen → kosm. H.Strahl. • Verhältnis #Photonen zu #Baryonen konstant, bleibt mit Expansion erhalten

  9. Das Verhältnis der Photonenzahl zur Baryonenzahl • Frage: wie viele Photonen pro Baryon? • Energie der kosm. Hintergrundstrahlung:εrad (T0) = 4,17 * 10 –14 J m -3 • Typische Energie eines Photons:Emittl ≈ 3 kb * T = 7,05 * 10 –4 eV • Teilchendichte der Photonen:nγ = 3,7 * 10 8 m -3

  10. Das Verhältnis der Photonenzahl zur Baryonenzahl • Vergleich mit Teilchendichte d. Baryonen • Dichteparameter für Baryonen:ΩB ≈ 0,02 h -2 • Umrechnen in Energiedichte:εB ≈ 3,38 * 10 –11 J m –3 • Daraus: Teilchendichte d. Baryonen:nB = 0,22 m -3

  11. Das Verhältnis der Photonenzahl zur Baryonenzahl • 1,7 * 109 Photonen pro Baryon

  12. Der Ursprung der kosmischen Hintergrundstrahlung

  13. Der Ursprung der kosmischen Hintergrundstrahlung • Ionisationsenergie des H-Atoms: Energie um ein Elektron zu befreien • Universum heiß → Photonen haben diese Energie und können H ionisieren • Zurück als das Universum ein Millionstel seiner Größe besaß: 3 000 000 K • Photonen hoher Energie, keine Atome

  14. Der Ursprung der kosmischen Hintergrundstrahlung • Meer aus freien Kernen und Elektronen, ein ionisiertes Plasma • Später Abkühlung → Elektronen in Grundzustand → Universum wird durchsichtig • Entkopplung

  15. Der Ursprung der kosmischen Hintergrundstrahlung • Schätzung der T bei der Entkopplung:Photonenenergie = IonisationsenergieT≈ 50 000 K • Methode ungenau weil 109 mal mehr Photonen als Elektronen • Genauer: Boltzmann-Unterdrückungsfaktor

  16. Der Ursprung der kosmischen Hintergrundstrahlung • Annahme: 1 ionisierendes Photon pro Atom, damit Universum ionisiert bleibt • Boltzmann-Unterdrückung beschreibt die Energie oberhalb I, die ein Bruchteil der Photonen haben • TEntk ≈ 7 400 K • Heute wissen wir: TEntk ≈ 3 000 K

  17. Der Ursprung der kosmischen Hintergrundstrahlung • Vergleich mit heutiger Temperatur → Entkopplung fand statt als das Universum ein Tausendstel seiner heutigen Größe besaß • Photonen haben sich seither ununterbrochen fortbewegt → müssen aus enormer Entfernung stammen (Größe des beobachtbaren Universums)

  18. Der Ursprung der kosmischen Hintergrundstrahlung

  19. Der Ursprung der kosmischen Hintergrundstrahlung • Anfangstemperatur d. Photonen: 3000 K, und höhere Frequenz • Damaliges Alter des Universums: 350 000 Jahre • Auf der Reise kühlen sich die Photonen ab auf 3 K, und die Frequenz wird durch Rotverschiebung in den Mikrowellenbereich verschoben

  20. Präzisere Berechnung von TEntk Fakultativ

  21. Der Ursprung der kosmischen Hintergrundstrahlung • Rekombination: e- + p+→ Atom • Saha-Gleichungen: Annahme es gibt nur H-Atome • Berechnet Verteilung von e- und p+ • Ionisierungsgrad wird hergeleitet • TEntk ≈ 3 000 K

  22. Danke für Eure Aufmerksamkeit! Georg Benjamin Schlögl Georgios Labrinopoulos

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