UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet

Like dokumenter
Løsningsforslag til eksamen i SIF4072 KLASSISK FELTTEORI Onsdag 28. mai 2003

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen i FY3452 GRAVITASJON OG KOSMOLOGI Lørdag 19. mai :00 13:00

Eksamen i fag FY1004 Innføring i kvantemekanikk Fredag 30. mai 2008 Tid: a 0 = 4πǫ 0 h 2 /(e 2 m e ) = 5, m

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

En kort introduksjon til generell relativitetsteori

UNIVERSITETET I OSLO

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Løysingsforslag (Skisse) Eksamen FY3452 Gravitasjon og Kosmologi Våren 2007

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen i Klassisk feltteori, fag TFY 4270 Onsdag 26. mai 2004 Løsninger

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN I TMA4285 TIDSREKKEMODELLER Fredag 7. desember 2012 Tid: 09:00 13:00

Eksamen i FY3452 GRAVITASJON OG KOSMOLOGI Lørdag 11. august :00 13:00

Konstanter og formelsamling finner du bakerst Merk: Figurene til oppgavene er ofte på en annen side en selve oppgaven

Eksamen i fag RELATIVISTISK KVANTEMEKANIKK Fredag 26. mai 2000 Tid: 09:00 14:00

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

INF3170 Logikk. Ukeoppgaver oppgavesett 7

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

MAT-INF 2360: Obligatorisk oppgave 2

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN I NUMERISK LØSNING AV DIFFERENSIALLIGNINGER MED DIFFERANSEMETODER (TMA4212)

Eksamen i FY3403/TFY4290 PARTIKKELFYSIKK Mandag 12. desember :00 13:00

UNIVERSITETET I OSLO

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til eksamen i SIF4072 KLASSISK FELTTEORI Torsdag 8. august 2002

Eksamen i AST2110 Universet Eksamensdag: Fredag 9. juni 2006 Tid for eksamen: Løsningsforslag. Oppgave 1

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen i SIF5036 Matematisk modellering Onsdag 12. desember 2001 Kl

EKSAMEN I NUMERISK LINEÆR ALGEBRA (TMA4205)

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Det matetmatisk-naturvitenskapelige fakultet Prøveeksamen i AST1100 Oppgavesettet inkludert formelsamling er på 13 sider

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

UNIVERSITETET I OSLO

Universitetet i Bergen Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i emnet Mat131 - Differensiallikningar I Onsdag 25. mai 2016, kl.

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN, MAT 1001, HØSTEN (x + 1) 2 dx = u 2 du = u 1 = (x + 1) 1 = 1 x + 1. ln x

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Fysikk 2 Lørdag 8. august 2005

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til eksamen i FY3464 KVANTEFELTTEORI Torsdag 26. mai 2005

EKSAMENSOPPGAVE. ü Kalkulator med tomt dataminne ü Rottmann: Matematisk Formelsamling. rute

UNIVERSITETET I OSLO

Matematikk 3MX AA6524 og AA6526 Elever og privatister 8. desember 2003

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Konstanter og formelsamling finner du bakerst Merk: Figurene til oppgavene er ofte på en annen side en selve oppgaven

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen i GEOF330 Dynamisk Oseanografi. Oppgave 1: Stående svingninger

TMA4265 Stokastiske prosesser

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO. Løsningsforslag

UNIVERSITETET I OSLO

Konstanter og formelsamling for kurset finner du bakerst Merk: Figurene til oppgavene er ofte på en annen side enn selve oppgaven

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TEP4145 KLASSISK MEKANIKK Mandag 21. mai 2007 kl Løsningsforslaget er på i alt 9 sider.

EKSAMENSOPPGAVE. Fys-1002 Elektromagnetisme. Adm.bygget B154 Kalkulator med tomt dataminne, Rottmann: Matematisk formelsamling

vekt. vol bruk

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til eksamen i SIF4072 KLASSISK FELTTEORI Lørdag 26. mai 2001

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1002 BØLGEFYSIKK Mandag 10. desember 2007 kl

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO. Konstanter og formelsamling finner du bakerst

1. På figur 1 ser du den observerte rotasjonskurven til en galakse. Hva er egenhastigheten (peculiar velocity) til denne galaksen?

UNIVERSITETET I OSLO

NORGES TEKNISK- NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET Side 1 av 5

UNIVERSITETET I OSLO

Initialbetingelser: I begynnelsen var φ

EKSAMENSOPPGAVE. Vil det bli gått oppklaringsrunde i eksamenslokalet? Svar: JA Hvis JA: ca. kl. 10:00 og kl. 12:30

UNIVERSITETET I OSLO

FYS307 - V03 OPPGAVEARK A. Oppgave A1: Tidekraftpendel

UNIVERSITETET I OSLO

Matematisk statistikk og stokastiske prosesser B, høsten 2006 Løsninger til oppgavesett 5, s. 1. Oppgave 1

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag nr.1 - GEF2200

Løysingsframlegg/skisse Eksamen TFY 4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystem 24. mai 2011

Strålingsintensitet: Retningsbestemt Energifluks i form av stråling. Benevning: Wm -2 sr - 1 nm -1

Transkript:

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet Eksamen i AST5220/9420 Kosmologi II Eksamensdag: Fredag 11. juni 2010 Tid for eksamen: 09.00 12.00 Oppgavesettet er på 4 sider. Vedlegg: Ingen Tillatte hjelpemidler: Ingen. Kontroller at oppgavesettet er komplett før du begynner å besvare spørsmålene. Merk at AST5220-studenter skal besvare oppgavene 1)-4), mens AST9420-studenter skal besvare oppgavene 1)-3) og 5), men ikke oppgave 4). Hver oppgave teller 25% av endelig resultat. 1

Oppgave 1 Oppvarming (AST5220 og AST9420) Besvar hvert spørsmål med tre-fire linjer. a) Hva er den fysiske tolkningen av konform tid? b) Hvordan skalerer den fysiske tettheten av baryoner som funksjon av skalafaktoren, a? Og hvordan skalerer energitettheten av fotoner? Hva er forskjellen på disse? c) Skriv ned Boltzmann-likningen på skjematisk form. Hva beskrives av henholdsvis venstre og høyre side? d) Omtrent ved hvilken rødforskyvning inntreffer rekombinasjonen? Og ved hvilken temperatur? e) Hva er den fysiske tolkningen av temperatur-monopolen θ 0 (k, η)? f) Hva er grunnen(e) til at man må løse Einstein-Boltzmann likningene separat i tett-koblings-området og ved senere tider? g) Hva måler CMB power spekteret, C l? 2

Oppgave 2 Fysisk tolkning (AST5220 og AST9420) 10000 100 log X 1-15 -10-5 Time, x Figur 1: En funksjon X plottet for 100 forskjellige verdier av bølgetallet k, som funksjon av tid, x. Figur 1 viser en størrelse, X, som inngår i løsningen av Einstein- Boltzmann-likningene, plottet for 100 forskjellige verdier av k (mellom 0.1 og 1000 H 0 /c) og som funksjon av tid, x, der x = lna. a) Hvilken funksjon er plottet her? b) Hvilke hovedfaser kan man se? c) Forklar fysisk den generelle oppførselen til funksjonene. 3

Oppgave 3 Tensor-perturbasjoner (AST5220 og AST9420) Metrikken for tensor-perturbasjoner er gitt ved g 00 = 1 og 1 + h + h 0 g ij = a 2 h 1 h + 0, (1) 0 0 1 der h + og h er små størrelser. Denne metrikken beskriver gravitasjonsbølger som propagerer langs z-aksen. Vi definerer så h + h 0 H ij = h h + 0, (2) 0 0 0 slik at den romlige metrikken kan skrives g ij = a 2 (δ ij + H ij ). De eneste Christoffel-symbolene forskjellige fra null for denne metrikken er og Ricci-tensor-elementene er Γ 0 ij =? (3) Γ i 0j = Hδ ij + 1 2 H ij,0 (4) Γ i jk = i 2 [k kh ij + k j H ik k i H jk ] (5) R 00 =? (6) ( ) d 2 a dt R ij = g 2 ij a + 2H2 + 3 2 a2 HH ij,0 + a 2H ij 2 + k2 2 H ij (7) a) Regn ut Γ 0 ij. b) Regn ut Ricci-tensor-elementet R 00. 4

Oppgave 4 Initialbetingelser for Θ 0 (AST5220) I denne oppgaven skal du utlede initial-betingelsen for Θ 0 gitt Φ. Utgangspunktet for dette er de fulle Boltzmann-likningene listet opp i appendikset, som så skal forenkles. Det første steget på denne prosessen er å fjerne alle ledd som multipliseres med k. a) Hvorfor er dette en gyldig tilnærming? b) Vis at den korrekte initialbetingelsen for Θ 0 er fra Boltzmann-likningene. Θ 0 = 1 2 Φ (8) Oppgave 5 Einstein-likningen for tensor-perturbasjoner (AST9420) Utled første-ordens Einstein-likning for h (= h + og h ) for tensor-perturbasjoner. Hvordan type likning er dette? Skisser løsningene for noen forskjellige relevante verdier av k. 5

1 Appendix 1.1 General relativity Suppose that the structure of spacetime is described by some metric g µν. The Christoffel symbols are Γ µ αβ = gµν 2 [ gαν x + g βν β x g αβ α x ν ] (9) The Ricci tensor reads R µν = Γ α µν,α Γ α µα,ν + Γ α βαγ β µν Γ α βνγ β µα (10) The Einstein equations reads R µν 1 2 g µνr = 8πGT µν (11) where R R µ µ is the Ricci scalar, and T µν is the energymomentum tensor. For a perfect fluid, the energy-momentum tensor is ρ 0 0 0 T ν µ = 0 p 0 0 0 0 p 0, (12) 0 0 0 p where ρ is the density of the fluid and p is the pressure. 6

1.2 Background cosmology Four time variables: t = physical time, η = t 0 a 1 (t)dt = conformal time, a = scale factor, x = lna Friedmann-Robertson-Walker metric for flat space: ds 2 = dt 2 + a 2 (t)δ ij dx i dx j = a 2 (η)( dη 2 + δ ij dx i dx j ) Friedmann s equations: H 1 da a dt = H 0 (Ωm + Ω b )a 3 + Ω r a 4 + Ω Λ (13) H 1 da a dη = H 0 (Ωm + Ω b )a 1 + Ω r a 2 + Ω Λ a 2 (14) Conformal time as a function of scale factor: η(a) = a 0 da a H(a ) (15) 7

1.3 The perturbation equations Einstein-Boltzmann equations: Θ 0 = k H Θ 1 Φ, (16) Θ 1 = k 3H Θ 0 2k 3H Θ 2 + k [ 3H Ψ + τ Θ 1 + 1 ] 3 v b, (17) [ Θ lk l = (2l + 1)H Θ (l + 1)k l 1 (2l + 1)H Θ l+1 + τ Θ l 1 ] 10 Θ lδ l,2, l 2 (18) Θ l+1 = k H Θ l 1 l + 1 Hη(x) Θ l + τ Θ l, l = l max (19) δ = k H v 3Φ (20) v = v k H Ψ (21) δ b = k H v b 3Φ (22) v b = v b k H Ψ + τ R(3Θ 1 + v b ) (23) Φ = Ψ k2 3H 2Φ + H2 0 2H 2 [ Ωm a 1 δ + Ω b a 1 δ b + 4Ω r a 2 Θ 0 ] (24) Ψ = Φ 12H2 0 k 2 a 2 Ω rθ 2 (25) 8

1.4 Initial conditions Φ = 1 (26) δ = δ b = 3 2 Φ (27) v = v b = k 2H Φ (28) Θ 0 = 1 2 Φ (29) Θ 1 = k 6H Φ (30) Θ 2 = 8k 15Hτ Θ 1 (31) Θ l = l k 2l + 1 Hτ Θ l 1 (32) 1.5 Recombination and the visibility function Optical depth Visibility function: η0 0 τ(η) = η0 η τ = n eσ T a H n e σ T adη (33) (34) g(η) = τe τ(η) = Hτ e τ(x) = g(x) (35) g(x) = τ e τ = g(x) H, (36) g(η)dη = 0 g(x)dx = 1. (37) 9

The Saha equation, X 2 e 1 X e = 1 n b ( ) 3/2 me T b e ǫ 0/T b, (38) 2π where n b = Ω bρ c m h a, ρ 3 c = 3H2 0 8πG, T b = T r = T 0 /a = 2.725K/a, and ǫ 0 = 13.605698eV. The Peebles equation, dx e dx = C r(t b ) [ ] β(t b )(1 X e ) n H α (2) (T b )Xe 2, (39) n b where Λ 2s 1s + Λ α C r (T b ) = Λ 2s 1s + Λ α + β (2) (T b ), (40) Λ 2s 1s = 8.227s 1 (41) Λ α = H (3ǫ 0) 3 (8π) 2 n 1s (42) n 1s = (1 X e )n H (43) β (2) (T b ) = β(t b )e 3ǫ 0/4T b (44) ( ) 3/2 β(t b ) = α (2) me T b (T b ) e ǫ 0/T b (45) 2π α (2) (T b ) = 64π α 2 ǫ0 φ 27π m 2 2 (T b ) (46) e T b φ 2 (T b ) = 0.448 ln(ǫ 0 /T b ) (47) 10

1.6 The CMB power spectrum 1. The source function:» S(k, x) = g Θ 0 + Ψ + 1 4 Θ 2 + e τ ˆΨ + Φ 1 k d dx (H gv b) + 3» d 4k 2 H d dx dx (H gθ 2)» d H d dx dx (H gθ 2) = d(hh ) gθ 2 + 3HH ( gθ 2 + gθ dx 2) + H 2 ( g Θ 2 + 2 g Θ 2 + gθ 2), (49) Θ 2 = 2k» H 5H H Θ 1 + Θ 1 + 3 ˆτ Θ 2 + τ Θ 3k 10 2» H 5H H Θ 3 + Θ 3 (50) 2. The transfer function: (48) Θ l (k,x = 0) = 0 S(k,x)j l [k(η 0 η(x))]dx (51) 3. The CMB spectrum: C l = 0 ( k H 0 ) n 1 Θ 2 l (k) dk k (52) 11