AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 20: Kosmologi, del 2

Transkript

1 AST1010 En kosmisk reise Forelesning 20: Kosmologi, del 2

2

3 Akselerasjon Observasjonene viser at universet ser flatt ut. Men: observasjoner av supernovaer (type Ia) viser at universet utvider seg fortere nå enn tidligere.

4 Ca. 68% frastøtende energi

5 Akselerasjon Observasjonene viser at universet ser flatt ut. Men: observasjoner av supernovaer (type Ia) viser at universet utvider seg fortere nå enn tidligere. Kosmisk bakgrunnsstråling viser det samme Hva kan lage frastøtende gravitasjon?

6 Universet er flatt, dvs. har kritisk tetthet

7 Ikke nok materie for flathet Kan bestemme materietettheten, for eksempel ved å kartlegge fordelingen av galakser i universet Finner at materietettheten er 32% av den kritiske tettheten

8

9 Ytterligere evidens for mørk energi fra avansert matematikk = 0.68

10

11 Mørk energi Vanlig materie har alltid tiltrekkende tyngdekraft, kan ikke forklare at universet akselererer. (Mørk materie har samme problem) En mulig forklaring: vakuumenergi (Einsteins kosmologiske konstant) Eller kanskje GR bryter sammen ved store avstander (modifisert gravitasjonsteori)?

12

13 Vakuumenergien Elementærpartikler beskrives ved såkalte kvantefelt. Når feltene er i den laveste energitilstanden, er det ingen partikler til stede. Men kvantefysikken krever at feltet har nullpunktsvingninger. Vakuum har energi! Problem: Må summere opp bidrag fra alle frekvenser à Uendelig vakuumenergi! Finnes det et naturlig sted å stoppe?

14 Planck-skalaen (ikke pensum)

15 Kosmologisk konstant-problemet Bruker vi frekvensen som svarer til Planckmassen som cutoff, får vi en teoretisk forutsigelse for vakuumenergien. Men denne er ganger større enn verdien som observasjonene tilsier. Vi har et problem!

16 Modifisert gravitasjon GR + homogenitet + observasjoner à mørk energi. Men hva om GR er feil? Kan det være tilfellet at homogenitet + observasjoner à GR må endres, og ingen mørk energi? Ja, og flere forslag til modifikasjoner finnes. Trenger flere og bedre observasjoner.

17 Modifisert gravitasjon vs. GR

18 Modifisert gravitasjon vs. GR

19 ESA-satelliten Euclid (2020)

20 Sluttevaluering NB: For de av dere som har vært på forelesning og/eller gruppetimer Skriv gjerne mer utfyllende tilbakemelding i pausen/etter forelesningen (skjemaet holdes åpent også etter eksamen)

21 Horisontproblemet

22 Flathetsproblemet

23 Løsning: Inflasjon Inflasjon er en kort periode med voldsomt akselerert ekspansjon tidlig i universets historie. Løser horisontproblemet: Punkter som er langt unna hverandre i dag, kan ha vært svært nær hverandre tidligere. Løser flathetsproblemet: Et krumt område blir flatt om det blåses opp kraftig. Bonus: Opphav til kosmiske strukturer.

24 Horisontproblemet løst Sett at inflasjon starter ved t=10-35 s. Da var horisonten lyssekunder = 3 x m. Varer til t=10-33 s, universet utvider seg med en faktor Da er området innenfor horisonten vi startet med vokst til 0.3 m. I løpet av den strålingsdominerte fasen vokser dette området til ca m = ca. 10 millioner lysår. Fram til i dag vokser det med en ytterligere faktor ca til 35 milliarder lysår.

25 Flathetsproblemet løst

26 Bonus: Frø for kosmiske strukturer Kvantefluktuasjoner gjør at skalarfeltet ikke kan ha samme verdi overalt. Fører igjen til at inflasjon vil slutte til litt forskjellige tider på forskjellige steder, og at universet ikke vil ha utvidet seg nøyaktig like mye overalt. Dette gir igjen variasjoner i tetthetenàutgangspunkt for senere dannelse av strukturer.

27 Evidens for inflasjon

28 Anomalier

29 Dannelse av strukturer Vi tror at strukturene vi ser i universet i dag ble til ved at ujevnhetene dannet i inflasjonsfasen vokste seg større p.g.a. tyngdekraften. Strukturdannelse kan ikke forklares med lysende, baryonisk materie alene à mørk materie. Den mørke materien kan være kald (lave termiske hastigheter) eller varm (høye termiske hastigheter)

30 Dannelse av strukturer Kald mørk materie: små strukturer dannes først. Varm mørk materie: store strukturer dannes først. Ser galakser som ble dannet da universet var mindre enn en milliard år gammelt à kald mørk materie. Ujevnhetene i tettheten er gjenspeilet i ujevnheter i temperaturen til den kosmiske bakgrunnstrålingen.

31 Hvor kommer universet fra? Fantes det noe før Big Bang? Hvordan startet universet?

32 The Ultimate Free Lunch

33 Anbefalt lesning Lawrence Krauss: A Universe From Nothing Sean Carroll: From Eternity to Here Brian Greene: The Hidden Reality

34 Ubesvarte spørsmål Hva skjedde i (og rett etter) Big Bang? Hva er mørk materie? Hva er mørk energi?

35

36 Hvilke tall bør jeg huske? Viktige grenser som 1.4 solmasser, 2 solmasser, 8 solmasser og 25 solmasser Netto 4 H à 1 He i PP-kjeden 1 AU = 150 millioner km 1 pc = 3.26 lyspår

37 Ellers: Riktig størrelsesorden Typisk hvit dverg Masse som solen Radius som jorden Typisk nøytronstjerne Masse som solen Radius på noen få km (men større enn 3 km: ellers sort hull) Galaksen ca lysår i diameter Universets alder ca. 14 milliarder år

38 Spørretime tirsdag IKKE gruppetimer neste uke Gruppelærere til stede på spørretimen (samme tid og sted som forelesning) Blir også noen generelle eksamenstips Kan sende inn spørsmål på forhånd: (eventuelt e-post)

39 Neste forelesning: Spørretime før eksamen