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Neutrinoseminar SS2005Neutrinos und die Neutrinos und die kosmologische Strukturbildungkosmologische Strukturbildung
Copyright, 1996 © Dale Carnegie & Associates, Inc.
MarcZiegler
11.07.2005
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Übersicht
Grundlagen der Strukturbildung Einfluss der Neutrinos Messmethoden (WMAP, SDSS,
2dFGRS)ErgebnisseZusammenfassung und AusblickSchlusswort
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Grundlagen der Strukturbildung
4 G
• In Kugelkoordinaten folgt für die Lösung
• Beschreibung der Raum-Zeit-Metrik durch Gravitationspotential erfüllt im zeitunabhängigen Fall Poisson-Gleichung
22
2( )
3
Gr r
• Horizontskala
Hor 2
1 2
3
Gr
H H
• Beliebige Skala 2
Hor
1 2
3
Gr
H
• 2 2H
Muß im quasistationären Zustand konstant sein!
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Muß nach Barrow (1988) konstant sein, da:
Exponentielle Expansion invariant unter Translation der Zeit, d.h. Expansionsrate , Vakuumdichte und Horizontgröße sind konstant.
Hv
cct
H
2
1
(Peebles-Harisson-Zeldovic-Spektrum)
Hier kommt PHZ-Spektrum
Skaleninvariantes Spektrum auf dem Horizont:
const
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Jeans-Masse und Gravitationskollaps
• Primordiale Dichtefluktuationen in Anisotropie der CMBR sind Saatkörner für heutige Strukturen
• Anfänglich kein Gasdruck: Wolke kollabiert aufgrund der Gravitation innerhalb der Frei-Fall-Zeit
ff
3
32t
G
• potentielle Energie sinkt, kinetische Energie der Gasteilchen steigt (und damit der Druck) Dissoziation und Ionisation weiterhin Kontraktion
• Für weiteren Kollaps muss gelten:
2
Grav kin
3
2
GM ME kT E
r m
Hieraus erhält man
krit
3
2 2
kTr
Gm
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Einsetzen der Strukturbildung nach Jeans
Betrachte homogene Wolke mit Durchmesser L dann gibt es 2 Fälle:
ff1.) t s
L
c Auftretende Störungen breiten sich als
Schallwelle aus und somit erfolgt kein Kollaps der Wolke
ff2.) t s
L
c Fluktuationen zu größerer Dichte führen zum
Kollaps
Für 2.) folgt aus hydrodynamischen Betrachtungen
J ffs sc c tG
(Jeans-Länge)
bzw.
JJ G
M
(Jeans-Masse)
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Das Jeans-Kriterium
Hier kommt Bild von James Jeans
Sir James Hopwood Jeans (1877-1946) , englischer Mathematiker, Physiker, Astronom.
J J
J J
1.) < bzw. kein Kollaps
2.) bzw. Kollaps
M M
M M
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Entwicklung von Fluktuationen während und nach der Strahlungsära
• Strahlungsära: J
32
93s
cc ct ct
• Für Horizontgröße gilt ebenfalls
( )R t ctJ HM M H( : Masse innerhalb Horizont)M
• Zeitliche Entwicklung von
H:M 3H B 3
1( ) ( )( )M t t ct
T
• Nach Rekombination gilt
H 3/ 2
1( )M t
T
• Schallgeschwindigkeit durch Baryonen bestimmt: Abfall um Faktor
410
rapider Abfall der Jeans-Masse
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Hier kommt Abhängigkeit der Jeans-Masse und der Horizontmasse von der Temperatur des Universums
Abhängigkeit der Jeans-Masse und der Masse innerhalb des Horizonts von der Temperatur des Universums.
JMHM
• Anwachsen der Dichtefluktuationen erst nach Rekombination möglich Dunkle Materie nötig
• Vor allem CDM: keine Thomsonstreuung, dominiert früher über Strahlungsenergiedichte 4( 10 )z Gravitationskollaps effektiver (keine Dämpfung) sowie
früheres Einsetzen des Kollapses
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Einfluss der Neutrinos
Hier kommt irgendwo Bild: Dichtefluktuationen über Skalengröße
• Neutrinos sind Hot Dark Matter (HDM): leichte Teilchen schnell und heiß
• HDM vergrößert
J
5
3
kT
G m
Auswaschen der kleinen und mittleren Skalen
• Modelle und Beobachtungen:
M 0.30 davon max. 15% HDM
{ , , }
1.6 eVi
i e
m
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MessmethodenPower-Spektrum der Dichtefluktuationen aus:
• weak gravitational lensing: Rückschluss auf Materieverteilung durch Gravitationslinseneffekt • galaxy redshift survey: 3 dimensionale Kartierung der sichtbaren Materie, z.B. SDSS (Sloan Digital Sky Survey) und 2dFGRS • clusters: auf kleinen Skalen liefert Häufigkeit von Galaxienhaufen zu verschiedenen Zeiten Informationen über Power-Spektrum• Lyman-Alpha-Wald: System von Ly- -Absorptionslinien auf kurzwelliger Seite der rotverschobenen Ly- -Emissionsline (Ursache: Wasserstoffwolken)
• CMBR: z.B. COBE, WMAP
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Dichtefluktuationen vs. Skalenhöhe
Hier Plot „Density fluctuations vs. Scale“
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Galaxy Redshift surveys
2.5 m Teleskop des SDSS auf dem Apache Point Observatorium (New Mexiko) zur Aufnahme von Galaxien- und Quasarspektren mit CCD-Array
• SDSS (Sloan Digital Sky Survey)
• SDSS läuft bis Ende 2005, möglicherweise 2007
• Beobachtung von 1/4 des Himmels geplant
• ca. 1 Mio. Spektren
• Beobachtung in 5 Frequenz- bändern
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• 2dFGRS (2 degree Field Galaxy Redshift Survey)
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• Rotverschiebungsmessung für 221 414 Spektren von Quasaren und Galaxien ( ) erfolgt mittels Fiberglas1500 Quadratgrad
Spektrum eines Quasars bei
4.16z
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• Berechnung der Rotverschiebung aus Spektren
• Plot: Entfernung - Position am Himmel
• Liefert
Ergebnisse Redshift Surveys
/ 0.13m
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CMBRWMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)
• Satellit in Lagrange-Punkt L2
• Untersuchung der CMBR mit
0.3 Winkelauflösung bei Empfindlichkeit20 K
• Messung in 5 Frequenzbändern ermöglicht herausrechnen von galaktischen Emissionseinflüssen
von
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Folgen für die Neutrinomassen
Kombination der WMAP-, 2dFGRS- und SDSS-Daten schränkt die Neutrino- massen auf
ein.
Hier kommt Ergebnis aus WMAP und SDSS: Eingrenzung der Neutrinomasse
0.6 eVM
Hinzufügen der Ergebnisse aus Neutrino-Oszillationen schränkt Neutrinomassen weiter ein
Hier kommt „absolute Masses of Neutrinos“
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Zusammenfassung und Ausblick
• redshift-surveys fordern
0.7 1.8 eVM
• SDSS und Planck verringern Fehler auf
0.1 eV
• Dunkle Materie ist zur Erklärung der kosmologischen Strukturbildung erforderlich (Zeitskala d. Strukturbildung)
• Echte Verbindung zwischen Teilchenphysik und Kosmologie
• WMAP + 2dGFRS + ... fordert
0.7 eVM
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Schlusswort von Friedrich Schiller
An die Mystiker
Das ist eben das wahre Geheimnis das Allen vor Augen liegt, euch ewig umgibt, aber von Keinem gesehen.
Hier kommt Bild von Friedrich Schiller