Neutrinoseminar SS2005Neutrinos und die Neutrinos und die kosmologische Strukturbildungkosmologische Strukturbildung

Copyright, 1996 © Dale Carnegie & Associates, Inc.

MarcZiegler

11.07.2005

Übersicht

Grundlagen der Strukturbildung Einfluss der Neutrinos Messmethoden (WMAP, SDSS,

2dFGRS)ErgebnisseZusammenfassung und AusblickSchlusswort

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!

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

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

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)

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

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

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

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

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

Dichtefluktuationen vs. Skalenhöhe

Hier Plot „Density fluctuations vs. Scale“

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

• 2dFGRS (2 degree Field Galaxy Redshift Survey)

• Rotverschiebungsmessung für 221 414 Spektren von Quasaren und Galaxien ( ) erfolgt mittels Fiberglas1500 Quadratgrad

Spektrum eines Quasars bei

4.16z

• Berechnung der Rotverschiebung aus Spektren

• Plot: Entfernung - Position am Himmel

• Liefert

Ergebnisse Redshift Surveys

/ 0.13m

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

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“

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

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