KOSMOLOGIE

2. De Drie-Kelvinstraling
•De inertie van de wetenschap
•Waarnemingen
•Planckse straling in uitdijend heelal
•Een hete oerknal
•Recombinatie
•Nucleosynthese
•Baryogenese
De inertie van de wetenschap
• 1964 Penzias & Wilson
Nobelprijs 1974
• 1965 Dicke & Peebles
• 1948 Gamov,Hermann,
Alpher: 5 - 28 K!
Voorspelling reststraling
• 1940 McKellar: 2,3 K!
Vibratietemperatuur

interstellair CN, CH, CH
Kosmische Achtergrondstraling
Thermisch spectrum T ~ 2.726 K
COBE
FIRAS
1991-1995
Per polarisatierichting en gemiddeld over richting en polarisatie. De fout
in de waarnemingen is veel kleiner dan de dikte van de (Planck-)kromme!
Anisotropie in de temperatuur
Temperatuur van de CMB (Cosmic Microwave Background)
aan de hemel in kleurcode: 0 K is blauw en 4 K is rood (COBE).
Het melkwegvlak loopt horizontaal en het centrum van de figuur
is in de richting van het centrum van ons Melkwegstelsel.
Dipoolanisotropie: T  0,00335 K
Fluctuaties in de CMB-temperatuur aan de hemel op een
schaal tussen 2,724 K (blauw) en 2.732 K (rood) met COBE.
Temperatuurfluctuaties na aftrekken van de
dipoolcomponent:
van blauw naar rood T = 0,000018 K
De rode band is straling van ons Melkwegstelsel.
COBE
Satelliet
53 GHz, 5.7 mm
DIRBE: melkwegstelsel in galactische coördinaten
Blauw: 1.25 ; groen: 2.2 ; rood: 3.5
Babyfoto van het heelal!!!!
Na aftrek van dipoolcomponent en galactische straling van
stof (termisch), heet gas (vrij-vrij),
kosmische straling in magneetveld (synchrotron).
Boomerang
1998
Mt. Erebus
Antarctica
Boomerang
WMAP 2003
WMAP 2003
Planckse straling in uitdijend heelal
R
R  dR
R
dv Hdr
dR
 Hdt  dt 



c
c
R
R
d
Doppler
Hubble
lichtsnelheid
 R
Afkoeling van straling in een
uitdijend heelal
R0 0 
T
   1 z 
R  0
T0
roodverschuiving
a f  T  1  z 
4
(To = 2.726 K)
4
Een hete oerknal!
Recombinatie
Waarvandaan komt de CMB?
En van hoe lang geleden?
Van het oppervlak van laatste verstrooiing
En van het `tijdstip van recombinatie van H
t ~ enkele 100.000 jaren na de oerknal!
T ~ 3000 K , 1+z ~ 1000, R/Ro ~ 0,001
Hoekverdeling
van de
temperatuursfluctuaties
Plaats van de
eerste piek bij
10: vlak heelal
Relatieve hoogte
van piek bij 0.50:
baryon/
non-baryon
10
0.50
BOOMERANG (B98)
COBE-DMR
LSS: Large-scale
structure
Nucleosynthese I
T  10 K ( kT  0,86 MeV ) :
10
neutronen en
_ protonen met elkaar in evenwicht
 n  p  e  e


_
 n  e  p  e


 n  e  p  e

(mn  m p )c  1, 293MeV
2

nn
np
e
( mn  m p )c 2 / kT
 0, 223
T  10 K : n/p vriest in omdat e+/e- annihileren
10
Nucleosynthese II
9
Beneden T ~ 10 K kombineren neutronen
en protonen, eerst tot Deuterium en
vervolgens tot Helium (~ 25 %):
H  H  He  n
2
1
H H H H
2
1
3
1
H  H  He  n
3
2
2
1
2
1
3
1
4
2
1
1
2
1
3
2
He  H  He  H
2
1
4
2
1
1
De ouderdom van het heelal is dan 4 minuten!
Baryogenese
Boven T  10 K zijn de quarks een gas van
vrije deeltjes en vormen een quark-gluonplasma
13
(de zes quarks, elk in drie kleuren, de drie neutrino’s, de drie elektrisch geladen
leptonen, elk van deze deeltjes met hun antideeltje, de gluonen, de vectorbosonen
en de fotons, en al deze deeltjes in thermisch evenwicht met elkaar bij
een temperatuur T)
Daarbeneden kombineren quarks en antiquarks
tot gewone materie (baryonen):
p (=uud) en n (=udd).
Het heelal is dan enkele microseconden oud.
Quark Gluon
Plasma
CERN-SPS
`Little Bang’
3 GeV/fm3
kT ~ 240 MeV
Expansieparameter R(t)
“Straal” van het heelal
1010
3 x 109
3000
1000
7
ontkoppeling verste quasar
n/p vast,
helium
2,726
1
nu
T(K)
1+z
WMAP 2003
WMAP 2003