AST1010 En kosmisk reise Forelesning 20: Kosmologi, del 2
Temaer Mørk energi Inflasjon Hvordan startet det hele?
Universet akselerer
Ytterligere evidens for mørk energi fra avansert matematikk 1 0.32 = 0.68
Universet er flatt, dvs. har kritisk tetthet
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
Men hva er den mørke energien? Kosmologisk konstant/vakuumenergi? En ny type partikkel/felt? Må GR endres?
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 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 h M P c GM P c 2 M P = hc G = 2.2 10 8 kg Gjør det naturlig å stoppe summasjonen av nullpunktsvibrasjoner ved ω = M P c 2 /h.
Kosmologisk konstant-problemet Bruker vi frekvensen som svarer til Planckmassen som cutoff, får vi en teoretisk forutsigelse for vakuumenergien. Men denne er 10 55 ganger større enn verdien som observasjonene tilsier. Vi har et problem!
Skalarfelt som mørk energi (også kjent som kvintessens) Skalarfelt: Matematisk er dette en regel som tilordner et tall til punkter i rommet. Eksempel: Temperaturen på ulike steder og i ulike høyder. Skalarfelt kan også brukes til å beskrive partikler. Eksempel: Higgspartikkelen er kvantevibrasjonene til Higgsfeltet (påvist i LHC sommeren 2012). Skalarfelt brukes til mange ting i kosmologi, deriblant mørk energi.
Kvintessens
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.
Modifiserte gravitasjonsteorier er kompliserte
ESA-satelliten Euclid (2020)
Kort om Euclid En ESA M-klasse mission med planlagt oppskytning i 2020. 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.
Inflasjon Hvorfor inflasjon? Hvordan? Observasjonelle tester
Horisontproblemet
Flathetsproblemet
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.
Inflasjon med skalarfelt
Horisontproblemet løst Sett at inflasjon starter ved t=10-35 s. Da var horisonten 10-35 lyssekunder = 3 x 10-27 m. Varer til t=10-33 s, universet utvider seg med en faktor 10 26. Da er området innenfor horisonten vi startet med vokst til 0.3 m. I løpet av den strålingsdominerte fasen vokser dette området til ca. 10 23 m = ca. 10 millioner lysår. Fram til i dag vokser det med en ytterligere faktor ca. 3500 til 35 milliarder lysår.
Flathetsproblemet løst
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 tettheten utgangspunkt for senere dannelse av strukturer.
Evidens for inflasjon
Anomalier
Hvor kommer universet fra? Fantes det noe før Big Bang? Hvordan startet universet?
Hawking-Penrose-teoremet
The Ultimate Free Lunch Edward Tryon (1973) : Heisenbergs uskarphetsrelasjon gir t h 2 E 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
Neste forelesning: Oppsummering.