2. De2. De Drie-KelvinstralingDrie-Kelvinstraling

•De inertie van de wetenschapDe inertie van de wetenschap•WaarnemingenWaarnemingen•Planckse straling in uitdijend heelalPlanckse straling in uitdijend heelal•Een hete oerknalEen hete oerknal•RecombinatieRecombinatie•NucleosyntheseNucleosynthese•BaryogeneseBaryogenese

De inertie van de wetenschapDe inertie van de wetenschap

• 1964 Penzias & Wilson 1964 Penzias & Wilson Nobelprijs 1974 Nobelprijs 1974

• 1965 Dicke & Peebles 1965 Dicke & Peebles • 1948 Gamov,Hermann, 1948 Gamov,Hermann,

Alpher: 5 - 28 K! Alpher: 5 - 28 K! Voorspelling Voorspelling reststralingreststraling

• 1940 McKellar: 2,3 K! 1940 McKellar: 2,3 K! Vibratietemperatuur Vibratietemperatuur interstellair CN, CH, CHinterstellair CN, CH, CH

+

Kosmische AchtergrondstralingKosmische AchtergrondstralingThermisch spectrum T ~ 2.726 KThermisch spectrum T ~ 2.726 K

Per polarisatierichting en gemiddeld over richting en polarisatie. De fout Per polarisatierichting en gemiddeld over richting en polarisatie. De fout in de waarnemingen is veel kleiner dan de dikte van de (Planck-)kromme!in de waarnemingen is veel kleiner dan de dikte van de (Planck-)kromme!

COBECOBEFIRASFIRAS1991-19951991-1995

Anisotropie in de temperatuurAnisotropie in de temperatuur

Temperatuur van de CMB (Temperatuur van de CMB (Cosmic Microwave BackgroundCosmic Microwave Background) ) aan de hemel in kleurcode: 0 K is blauw en 4 K is rood (COBE).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 Het melkwegvlak loopt horizontaal en het centrum van de figuur is in de richting van het centrum van ons Melkwegstelselis in de richting van het centrum van ons Melkwegstelsel.

Fluctuaties in de CMB-temperatuur aan de hemel op eenFluctuaties in de CMB-temperatuur aan de hemel op eenschaal tussen 2,724 K (blauw) en 2.732 K (rood) met COBEschaal tussen 2,724 K (blauw) en 2.732 K (rood) met COBE.

Dipoolanisotropie: Dipoolanisotropie: TT 0,00335 K 0,00335 K

Temperatuurfluctuaties na aftrekken van de Temperatuurfluctuaties na aftrekken van de dipoolcomponent: dipoolcomponent:

van blauw naar rood van blauw naar rood T = 0,000018 KT = 0,000018 KDe rode band is straling van ons MelkwegstelselDe rode band is straling van ons Melkwegstelsel..

COBECOBESatellietSatelliet

53 GHz, 5.7 mm53 GHz, 5.7 mm

Blauw: 1.25 Blauw: 1.25 ; groen: 2.2 ; groen: 2.2 ; rood: 3.5; rood: 3.5

DIRBE:DIRBE: melkwegstelsel in galactische co melkwegstelsel in galactische coöördinatenrdinaten

Babyfoto van het heelal!!!!Babyfoto van het heelal!!!!Na aftrek van dipoolcomponent en galactische straling van Na aftrek van dipoolcomponent en galactische straling van

stof (termisch), heet gas (vrij-vrij), stof (termisch), heet gas (vrij-vrij), kosmische straling in magneetveld (synchrotron).kosmische straling in magneetveld (synchrotron).

BoomerangBoomerang19981998

Mt. ErebusMt. ErebusAntarcticaAntarctica

BoomerangBoomerang

WMAP 2003WMAP 2003

WMAP 2003WMAP 2003

PlancksePlanckse straling in uitdijend heelalstraling in uitdijend heelal

c

dvd=

λλ

c

Hdr= Hdt= dt

R

R&=

R

dR= ⇒ λ ∝R

dRR +

R

Doppler Hubble lichtsnelheid

Afkoeling van straling in een uitdijend heelal

00

00 1T

Tz

R

R=+≡==

νν

λλ

( )44 1 zTa f +∝∝

Een hete oerknal!Een hete oerknal!

roodverschuiving

(To = 2.726 K)

RecombinatieRecombinatie

Waarvandaan komt de CMB?Waarvandaan komt de CMB?En van hoe lang geleden?En van hoe lang geleden?

Van het oppervlak van laatste verstrooiingVan het oppervlak van laatste verstrooiingEn van het `tijdstip van recombinatie van HEn van het `tijdstip van recombinatie van H

t ~ enkele 100.000 jaren na de oerknal!t ~ enkele 100.000 jaren na de oerknal!T ~ 3000 K , 1+z ~ 1000, R/RT ~ 3000 K , 1+z ~ 1000, R/Roo ~ 0,001 ~ 0,001

Hoekverdeling Hoekverdeling van de van de temperatuurs-temperatuurs-fluctuatiesfluctuaties

Plaats van de Plaats van de eerste piek bijeerste piek bij1100: : vlak heelalvlak heelal

Relatieve hoogteRelatieve hoogtevan piek bij 0.5van piek bij 0.500::baryon/baryon/non-baryonnon-baryon

10 0.50

BOOMERANG (B98) BOOMERANG (B98) COBE-DMRCOBE-DMR

LSS: LSS: Large-scaleLarge-scalestructurestructure

Nucleosynthese INucleosynthese I

−+

++

−+

+⇔+•

+⇔+•

++⇔•

=>

epn

pen

epn

MeVkTKT

e

e

e

ν

ν

ν_

_

10 :)86,0(10

nn

np

=e−(mn−mp )c2 /kT =0,223

neutronen en protonen met elkaar in evenwichtneutronen en protonen met elkaar in evenwicht

(m

n−mp)c

2 =1,293MeV

:1010 KT < n/p vriest inn/p vriest in omdat e+/e- annihileren omdat e+/e- annihileren

Nucleosynthese IINucleosynthese II

Beneden kombineren neutronenBeneden kombineren neutronen en protonen, eerst tot Deuterium en en protonen, eerst tot Deuterium en

vervolgens tot Helium (~ 25 %):vervolgens tot Helium (~ 25 %):

De ouderdom van het heelal is dan 4 minuten!De ouderdom van het heelal is dan 4 minuten!

KT 910~

nHeHH

HHHH

+⇔+

+⇔+42

21

31

11

31

21

21

HHeHHe

nHeHH11

42

21

32

32

21

21

+⇔+

+⇔+

BaryogeneseBaryogenese

Boven zijn de quarks een gas van Boven zijn de quarks een gas van vrije deeltjes en vormen een vrije deeltjes en vormen een quark-gluonplasmaquark-gluonplasma

(de zes quarks, elk in drie kleuren, de drie neutrino’s, de drie elektrisch geladen (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 leptonen, elk van deze deeltjes met hun antideeltje, de gluonen, de vectorbosonen

en de fotons, en al deze deeltjes in thermisch evenwicht met elkaar bijen de fotons, en al deze deeltjes in thermisch evenwicht met elkaar bijeen temperatuur T)een temperatuur T)

Daarbeneden kombineren quarks en antiquarks Daarbeneden kombineren quarks en antiquarks tot gewone materie (tot gewone materie (baryonenbaryonen):):

p (=uud) en n (=udd).p (=uud) en n (=udd).Het heelal is dan enkele microseconden oud.Het heelal is dan enkele microseconden oud.

T ≥1013 K

Quark Gluon Quark Gluon PlasmaPlasmaCERN-SPSCERN-SPS`Little Bang’`Little Bang’3 GeV/fm3 GeV/fm33

kT ~ 240 MeVkT ~ 240 MeV

Expansieparameter R(t)“Straal” van het heelal

ontkoppeling

1+z1000 17

verste quasar nu

3 x 109

n/p vast,

helium

T(K)1010 3000 2,726

WMAP 2003

WMAP 2003