AST1010 En kosmisk reise

Transkript

1 AST1010 En kosmisk reise Forelesning 20: Kosmologi, del 2 Temaer Mørk energi Inflasjon Hvordan startet det hele? Universet akselerer 1

2 Expansion History of the Universe Perlmutter, Physics Today (2003) relative 1.5 brightness expands forever collapses Scale of the Universe Relative to Today's Scale After inflation, the expansion either first decelerated, then accelerated past today...or always decelerated future 10 redshift Billions Years from Today YFerligere evidens for mørk energi fra avansert matemahkk = 0.68 Universet er flaf, dvs. har krihsk tefhet 2

3 Ikke nok materie for flathet Kan bestemme materietefheten, for eksempel ved å kartlegge fordelingen av galakser i universet Finner at materietefheten er 32% av den krihske tefheten Men hva er den mørke energien? Kosmologisk konstant/vakuumenergi? En ny type parhkkel/felt? Må GR endres? 3

4 Vakuumenergi via elashsk Xær Energi for elashsk Xær 4

5 Heisenberg : Δx Δp 2 Det vil si : p = mv Δp 2Δx v 2mΔx Derfor vil energien være begrenset nedenfra av E 1 2 m mΔx 2 k( Δx)2 Etter litt regning : E 2 k m 1 2 ω Vakuumenergien ElementærparHkler beskrives ved såkalte kvantefelt. Disse har en lignende matemahsk beskrivelse som harmonisk oscillator. Når feltene er i den laveste energihlstanden, er det ingen parhkler Hl stede. Vakuum har energi! Problem: Må summere opp bidrag fra alle frekvenser Uendelig vakuumenergi! Finnes det et naturlig sted å stoppe? Planck- skalaen Standardmodellen tar ikke hensyn til gravitasjon. Når energien M P c 2 til en vakuumfluktuasjon svarer til en Comptonbølgelengde som er nær Schwarzschildradien, burde teorien bryte sammen. Dvs. når M P c GM P c 2 M P = c G = kg Gjør det naturlig å stoppe summasjonen av nullpunktsvibrasjoner ved ω = M P c 2 /. 5

6 Kosmologisk konstant- problemet Bruker vi frekvensen som svarer Hl Planck- massen som cutoff, får vi en teorehsk forutsigelse for vakuumenergien. Men denne er ganger større enn verdien som observasjonene Hlsier. Vi har et problem! Skalarfelt som mørk energi (også kjent som kvintessens) Skalarfelt: MatemaHsk er defe en regel som Hlordner et tall Hl punkter i rommet. Eksempel: Temperaturen på ulike steder og i ulike høyder. Skalarfelt kan også brukes Hl å beskrive parhkler. Eksempel: HiggsparHkkelen er kvantevibrasjonene Hl Higgsfeltet (påvist i LHC sommeren 2012). Skalarfelt brukes Hl mange Hng i kosmologi, deriblant mørk energi. Kvintessens 6

7 Modifisert gravitasjon GR+homogenitet + observasjoner mørk energi. Men hva om GR er feil? Kan det være Hlfellet at homogenitet +observasjoner GR må endres, og ingen mørk energi? Ja, og flere forslag Hl modifikasjoner finnes. Trenger flere og bedre observasjoner. Modifiserte gravitasjonsteorier er kompliserte ESA- satelliten Euclid (2020) 7

8 Kort om Euclid En ESA M- klasse mission med planlagt oppskytning i Et 1.2m- teleskop som skal plasseres i L2. Skal kartlegge galakser over 36% av himmelen. Fotometri for > 1 milliard galakser Rødforskyvninger for 50 millioner galakser. 8

9 9

10 10

11 11

12 Inflasjon Hvorfor inflasjon? Hvordan? Observasjonelle tester Horisontproblemet Flathetsproblemet 12

13 Løsning: Inflasjon Inflasjon er en kort periode med voldsomt akselerert ekspansjon Hdlig i universets historie. Løser horisontproblemet: Punkter som er langt unna hverandre i dag, kan ha vært svært nær hverandre Hdligere. Løser flathetsproblemet: Et krumt område blir flaf om det blåses opp kraoig. Bonus: Opphav Hl kosmiske strukturer. Inflasjon med skalarfelt Horisontproblemet løst SeF at inflasjon starter ved t=10-35 s. Da var horisonten lyssekunder = 3 x m. Varer Hl t=10-33 s, universet utvider seg med en faktor Da er området innenfor horisonten vi startet med vokst Hl 0.3 m. I løpet av den strålingsdominerte fasen vokser defe området Hl ca m = ca. 10 millioner lysår. Fram Hl i dag vokser det med en yferligere faktor ca Hl 35 milliarder lysår. 13

14 Flathetsproblemet løst Bonus: Frø for kosmiske strukturer Kvantefluktuasjoner gjør at skalarfeltet ikke kan ha samme verdi overalt. Fører igjen Hl at inflasjon vil slufe Hl lif forskjellige Hder på forskjellige steder, og at universet ikke vil ha utvidet seg nøyakhg like mye overalt. DeFe gir igjen variasjoner i tefheten utgangspunkt for senere dannelse av strukturer. Evidens for inflasjon 14

15 Anomalier 15

16 Hvor kommer universet fra? Fantes det noe før Big Bang? Hvordan startet universet? Hawking- Penrose- teoremet 16

17 The UlHmate Free Lunch Edward Tryon (1973) : Heisenbergs uskarphetsrelasjon gir Δt 2ΔE Dersom universets totale energi er lik null, kan det eksistere ubegrenset lenge som en kvantefluktuasjon! "The universe is simply one of those things that happen from time to time." Anbefalt lesning Lawrence Krauss: A Universe From Nothing Sean Carroll: From Eternity to Here Brian Greene: The Hidden Reality 17

18 Neste forelesning: Oppsummering, del 1. 18