AST1010 En kosmisk reise

Transkript

1 AST1010 En kosmisk reise Forelesning 21: Kosmologi, del 2 v=xbr4gkrny04 1

2 Ca. 68% frastøtende energi 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? Universet er ca. flatt, har ca. kritisk tetthet 2

3 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 Ytterligere evidens for mørk energi fra avansert matematikk: =

4 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)? 4

5 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 Uendelig vakuumenergi! Finnes det et naturlig sted å stoppe? Planck-skalaen 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! 5

6 Modifisert gravitasjon GR + homogenitet + observasjoner mørk energi. Men hva om GR er feil? Kan det være tilfellet at homogenitet + observasjoner GR må endres og ingen mørk energi? Ja, og flere forslag til modifikasjoner finnes. Trenger flere og bedre observasjoner. Modifisert gravitasjon vs. GR Modifisert gravitasjon vs. GR 6

7 ESA-satelliten Euclid (2020) Horisontproblemet Flathetsproblemet 7

8 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 (og utjevnet temperaturen da). Løser flathetsproblemet: Et krumt område blir mye flatere om det blåses opp kraftig. Bonus: Opphav til kosmiske strukturer. 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. v=axrbsofidnk 8

9 Flathetsproblemet løst Kosmiske strukturer Galakser (og galaksehoper) dannes der mørk materie klumpet seg sammen Etter rekombinasjon: Mange færre kollisjoner mellom fotoner og synlig materie denne kunne falle inn i klumpene med mørk materie og lage galakser Men hvorfor begynte den mørke materien å klumpe seg? Inflasjon og strukturdannelse Kvantefluktuasjoner: Små ujevnheter i energitetthet (Heisenbergs uskarphetsprinsipp) Inflasjon blåste disse ujevnhetene opp til enormt stor skala (temperaturvariasjoner i mikrobølgebakgrunnen) Resultat: Inflasjonen stoppet ikke samtidig overalt noen områder utvidet seg litt mer (og ble mindre tette) Der inflasjonen stoppet tidlig (de tetteste områdene) begynte gravitasjon å klumpe den mørke materien 9

10 Evidens for inflasjon Anomalier 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 mørk materie. Den mørke materien kan være kald (lave termiske hastigheter) eller varm (høye termiske hastigheter) 10

11 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 kald mørk materie. Ujevnhetene i tettheten er gjenspeilet i ujevnheter i temperaturen til den kosmiske bakgrunnstrålingen. watch?v=kif4on6qope Hvor kommer universet fra? Fantes det noe før Big Bang? Hvordan startet universet? 11

12 The Ultimate Free Lunch Anbefalt lesning Lawrence Krauss: A Universe From Nothing Sean Carroll: From Eternity to Here Brian Greene: The Hidden Reality Ubesvarte spørsmål Hva skjedde i (og rett etter) Big Bang? Hva er mørk materie? Hva er mørk energi? 12

13 I morgen: Oppsummering Hva er viktig(st) til eksamen? En ufullstendig, men relevant oversikt over hele pensum Spesielt fokus på det læreboken ikke nevner Også noen generelle eksamenstips Spørretime neste mandag IKKE gruppetimer eller forelesninger neste uke Gruppelærere til stede på spørretimen (samme tid og sted som forelesning) Mulig å sende inn spørsmål på e-post: Eller bare skrive seg på lista på spørretimen Neste forelesning: Repetisjonsforelesning: Det viktigste i pensum 13