AST1010 En kosmisk reise Forelesning 21: Kosmologi, del 2 1
Ca. 68% frastøtende energi Akselerasjon Observasjonene viser at universet ser flah ut. Men: observasjoner av supernovaer (type Ia) viser at universet utvider seg fortere nå enn Pdligere. Kosmisk bakgrunnsstråling viser det samme Hva kan lage frastøtende gravitasjon? 2
Universet er ca. flah, har ca. kripsk tehhet Ikke nok materie for flathet Kan bestemme materietehheten, for eksempel ved å kartlegge fordelingen av galakser i universet Finner at materietehheten er 32% av den kripske tehheten 3
YHerligere evidens for mørk energi fra avansert matemapkk: 1 0.32 = 0.68 4
Mørk energi Vanlig materie har allpd Pltrekkende tyngdekra[, 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)? 5
Vakuumenergien ElementærparPkler beskrives ved såkalte kvantefelt. Når feltene er i den laveste energiplstanden, er det ingen parpkler Pl 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? 6
Planck- skalaen Kosmologisk konstant- problemet Bruker vi frekvensen som svarer Pl Planck- massen som cutoff, får vi en teorepsk forutsigelse for vakuumenergien. Men denne er 10 55 ganger større enn verdien som observasjonene Plsier. Vi har et problem! 7
Modifisert gravitasjon GR + homogenitet + observasjoner à mørk energi. Men hva om GR er feil? Kan det være Plfellet at homogenitet + observasjoner à GR må endres og ingen mørk energi? Ja, og flere forslag Pl modifikasjoner finnes. Trenger flere og bedre observasjoner. ESA- satelliten Euclid (2020) 8
Horisontproblemet Flathetsproblemet 9
Løsning: Inflasjon Inflasjon er en kort periode med voldsomt akselerert ekspansjon Pdlig i universets historie. Løser horisontproblemet: Punkter som er langt unna hverandre i dag, kan ha vært svært nær hverandre Pdligere (og utjevnet temperaturen da). Løser flathetsproblemet: Et krumt område blir mye flatere om det blåses opp kra[ig. Bonus: Opphav Pl kosmiske strukturer. Horisontproblemet løst SeH at inflasjon starter ved t=10-35 s. Da var horisonten 10-35 lyssekunder = 3 x 10-27 m. Varer Pl t=10-33 s, universet utvider seg med en faktor 10 26. Da er området innenfor horisonten vi startet med vokst Pl 0.3 m. I løpet av den strålingsdominerte fasen vokser dehe området Pl ca. 10 23 m = ca. 10 millioner lysår. Fram Pl i dag vokser det med en yherligere faktor ca. 3500 Pl 35 milliarder lysår. 10
https://www.youtube.com/watch? v=axrbsofidnk Flathetsproblemet løst 11
Kosmiske strukturer Galakser (og galaksehoper) dannes der mørk materie klumpet seg sammen EHer 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 energitehhet (Heisenbergs uskarphetsprinsipp) Inflasjon blåste disse ujevnhetene opp Pl enormt stor skala (temperaturvariasjoner i mikrobølgebakgrunnen) Resultat: Inflasjonen stoppet ikke sampdig overalt noen områder utvidet seg lih mer (og ble mindre tehe) Der inflasjonen stoppet Pdlig (de teheste områdene) begynte gravitasjon å klumpe den mørke materien 12
Evidens for inflasjon Anomalier 13
Dannelse av strukturer Vi tror at strukturene vi ser i universet i dag ble Pl ved at ujevnhetene dannet i inflasjonsfasen vokste seg større p.g.a. tyngdekra[en. Strukturdannelse kan ikke forklares med lysende, baryonisk materie alene à mørk materie. Den mørke materien kan være kald (lave termiske haspgheter) eller varm (høye termiske haspgheter) 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 tehheten er gjenspeilet i ujevnheter i temperaturen Pl den kosmiske bakgrunnstrålingen. 14
https://www.youtube.com/ watch?v=kif4on6qope Hvor kommer universet fra? Fantes det noe før Big Bang? Hvordan startet universet? 15
The UlPmate Free Lunch Anbefalt lesning Lawrence Krauss: A Universe From Nothing Sean Carroll: From Eternity to Here Brian Greene: The Hidden Reality 16
Ubesvarte spørsmål Hva skjedde i (og reh eher) Big Bang? Hva er mørk materie? Hva er mørk energi? I morgen: Oppsummering Hva er vikpg(st) Pl eksamen? En ufullstendig, men relevant oversikt over hele pensum Også noen generelle eksamenspps 17
Neste forelesning: RepePsjonsforelesning: Det vikpgste i pensum 18