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THEMA: Kosmische Hintergrundstrahlung

Kosmische Hintergrundstrahlung 02 Mai 2016 13:23 #5890

Im Leistungsspektrum der CMB (englische Abkürzung für die Hintergrundstrahlung) treten bei kleinen Winkelskalen sogenannte akustische Peaks auf. Das theoretische Model erklärt diese Peaks als Folge akustischer Wellen, die sich im Plasma des frühen Universums mit einer Geschwindigkeit von c / √3 ausgebreitet haben. Durch die Inflation angestoßen, handelt es sich bei diesen Wellen um periodische Dichteschwankungen der Baryonen im Potentialtopf der Dunklen Materie unter dem Strahlungsdruck. Mit diesen Dichteschwanken sind Temperaturschwankungen verbunden, die auch den Photonen aufgeprägt wurde, da diese sich im thermischen Gleichgewicht mit der Materie befunden haben.

Zur Zeit der Rekombination (ca. 380 000 Jahre nach dem Urknall) verschwand die Thomsenstreuung der Photonen an den Elektronen und die Photonen konnten fortan ungehindert die Raumzeit durchlaufen. Dieses Licht kommt nun bei uns Heutigen stark rotverschoben (z ≈1100) als kosmische Hintergrundstrahlung an und gibt uns Auskunft über fundamentale Parameter unseres Universums.

Wenn die Plasmawellen nahe dem Zeitpunkt „Null“ angestoßen wurden, konnten sie bis zum Zeitpunkt der Rekombination eine Wegstrecke s= v* 380 00 Jahre= c / √3 * 380 000 Jahre = 380 000/√3 LJ durchlaufen. Diese Strecke wird Schallhorizont genannt (und ist damit kleiner als der Kausalitätshorizont.)

Man kann nun leicht nachrechnen, dass die Länge dieses Schallhorizonts genau zum 1. akustischen Peak (gemittelte Winkelabstände am Himmel von 1 Grad) der CMB passt, wenn man ein flaches Universum unterstellt. Oder mit anderen Worten: Aus Plasmaphysik (Länge des Schallhorizonts im Plasma des frühen Universums) und Lage des ersten Peaks der CMB (1 Grad) ergibt sich als erstes Ergebnis der Analyse der CMB, dass das Universum auf großen Skalen annähernd flach sein muss.

Nun habe ich im Verständnis des beschriebenen grundsätzlichen Zusammenhangs im Wesentlichen zwei Probleme.

Erstes Problem
In der mir zur Verfügung stehenden Sekundärliteratur gibt es unterschiedliche Angaben zu den Wellen, deren Länge dem Schallhorizont entspricht. Einmal wird von stehenden Wellen gesprochen, ein anderes Mal wird gesagt, dass bei der die Rekombination gerade die Phase höchster Kompression eingefroren wurde. Damit würde der 1- Peak sozusagen einer λ/4 Wellenlänge entsprechen. (Es werden also die unterschiedlichsten „Schwingungsbildchen“ gemalt).
Deswegen meine Frage: welche Fluktuationen der CMB repräsentiert der 1. Peak im Powerspektrum. (Es müssten eigentlich Kalt-Warm-Paare sein, die am Himmel unter ca. 1 Grad erscheinen). Und wie sieht die zugeordnete Welle im Plasma aus?

Zweites Problem
Kann man, wenn sich das Plasma in den fraglichen Jahren ständig abgekühlt hat, mit einer konstanten Geschwindigkeit der longitudinalen Druckwelle rechnen?
Zudem fand in dieser Zeit auch ein Übergang von Strahlungs- zu Materiedominanz statt.

Und: wie kann die Plasmaphysik bei so viel Komplexität und so großen Veränderungen ein Modell erarbeiten, das eine so genaue Erklärung der Anisotropien der CMB erlaubt, dass mit relativ großer Genauigkeit Aussagen über die Geometrie des Universums und dessen Massen-und Energieinhalt in Form von baryonischer, dunkler Materie und dunkler Energie getroffen werden können.

Ein bißchen viele Fragen auf einmal! Wo kann ich vielleicht genauer nachlesen?

Beste Grüße
Denobio

Leicht beieinander wohnen die Gedanken. Doch hart im Raume stoßen sich die Sachen. Schiller, Wallenstein

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Kosmische Hintergrundstrahlung 02 Mai 2016 16:43 #5897

Bezüglich meines vorstehenden Beitrags habe ich etwas weiter gedacht.
Ich sprech mal von der Multipolentwicklung der Anisotropien der CMB als eine Fourierzerlegung der Meßdaten (also des „Bildinhaltes“ des Himmelsbildes der CMB) in „Ortsfrequenzen“. Dann entspricht die Wellenlänge des Grundmodes (1. akustischer Peak) einer Wellenlänge die der geometrischen Länge des Schallhorizontes entspricht. Das heißt, die akustischen Wellen im Plasma waren verdammt langwellig.

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