Maailmankaikkeuden muodonmuutoksia

Luonnonfilosofian seuran seminaari, Helsinki, 2. päivä marraskuuta 2010Luonnonfilosofian seuran seminaari, Helsinki, 2. päivä marraskuuta 2010

11

Maailmankaikkeudenmuodonmuutoksia

Maailmankaikkeudenmuodonmuutoksia

Syksy RäsänenSyksy Räsänen


22

Kosmologian aikakaudetKosmologian aikakaudett (∝ E-2)E Tapahtuma

14 Gyr 10-3 eV tänään

10 Gyr 10-3 eV laajeneminen kiihtyy (pimeä energia?)

400 Myr 10-2 eV reionisaatio40 Myr 10-1…10-2 eV ensimmäiset rakenteet400 000 yr0.1 eV valo ja aine eroavat50 000 yr 1 eV materia saa säteilyn kiinni3-30 min 0.1 MeV Big Bang Nucleosynthesis

10-4…10-5 s100 MeV QCD-faasitransitio (?)10-11 s 100 GeV sähköheikko faasitransitio (?)

10-13…10-36 s 103…1016 GeV baryogenesis?10-13…10-36 s 103…1016 GeV inflaatio?10-13…10-42 s 103…1019 GeV kvanttigravitaatio?

t (∝ E-2)E Tapahtuma

14 Gyr 10-3 eV tänään

10 Gyr 10-3 eV laajeneminen kiihtyy (pimeä energia?)

400 Myr 10-2 eV reionisaatio40 Myr 10-1…10-2 eV ensimmäiset rakenteet400 000 yr0.1 eV valo ja aine eroavat50 000 yr 1 eV materia saa säteilyn kiinni3-30 min 0.1 MeV Big Bang Nucleosynthesis

10-4…10-5 s100 MeV QCD-faasitransitio (?)10-11 s 100 GeV sähköheikko faasitransitio (?)

10-13…10-36 s 103…1016 GeV baryogenesis?10-13…10-36 s 103…1016 GeV inflaatio?10-13…10-42 s 103…1019 GeV kvanttigravitaatio?


33

Mikroaaltotausta: WMAPMikroaaltotausta: WMAP

QuickTime™ and aSorenson Video decompressorare needed to see this picture.


44

Mikroaaltotausta: PlanckMikroaaltotausta: Planck

http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=47333http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=47333

QuickTime™ and a decompressor

are needed to see this picture.


55

Suuren mittakaavan rakenneSuuren mittakaavan rakenne

arXiv:astro-ph/0604561, Nature 440:1137.2006arXiv:astro-ph/0604561, Nature 440:1137.2006


66

Tyypin Ia supernovatTyypin Ia supernovat

QuickTime™ and aSorenson Video decompressorare needed to see this picture.


77

InflaatioInflaatio Inflaatio = kiihtyvä laajeneminen. Vastuussa avaruuden tasaisuudesta (horisontti supistuu)

⇒ homogeenisuus, isotrooppisuus Vastuussa avaruuden epätasaisuudesta

(kvanttifluktuaatiot)⇒ 10-5 tiheysvaihtelut

Tyhjentää avaruuden⇒ inflaatiokentän hajoaminen synnyttää aineen⇒ aine perii fluktuaatiot⇒ galaksien siemenet, mikroaaltotausta

Havaintojen tukema (laakeus, epätasaisuuksien skaala-invarianssi ja adiabaattisuus; gravitaatioaallot?).

Higgs voisi ajaa inflaatiota… mutta (luultiin että) se vuorovaikuttaa liian voimakkaasti⇒ kymmeniä inflaatiomalleja

“Something like inflation is something like proven.”

Inflaatio = kiihtyvä laajeneminen. Vastuussa avaruuden tasaisuudesta (horisontti supistuu)

⇒ homogeenisuus, isotrooppisuus Vastuussa avaruuden epätasaisuudesta

(kvanttifluktuaatiot)⇒ 10-5 tiheysvaihtelut

Tyhjentää avaruuden⇒ inflaatiokentän hajoaminen synnyttää aineen⇒ aine perii fluktuaatiot⇒ galaksien siemenet, mikroaaltotausta

Havaintojen tukema (laakeus, epätasaisuuksien skaala-invarianssi ja adiabaattisuus; gravitaatioaallot?).

Higgs voisi ajaa inflaatiota… mutta (luultiin että) se vuorovaikuttaa liian voimakkaasti⇒ kymmeniä inflaatiomalleja

“Something like inflation is something like proven.”


88

Pimeä ainePimeä aine Pimeä aine = aine joka ei vuorovaikuta (voimakkaasti) valon

kanssa. Galaksien rotaatiokäyrät:

⇒ pimeä aine (tai erilainen gravitaatiolaki) Pimeä aine vaikuttaa määrätyllä tavalla myös

mikroaaltotaustaan, galaksien jakautumaan, gravitaatiolinssihavaintoihin, ...

On olemassa baryonista pimeää ainetta… mutta liian vähän. Neutriinot ovat pimeää ainetta… mutta ne ovat liian lämpimiä

ja niitä on liian vähän ⇒ uutta hiukkasfysiikkaa!

Kymmeniä pimeän aineen malleja. Pimeästä aineesta tiedetään, että se on hyvin läpinäkyvää,

kylmää ja täyttää 15…30% maailmankaikkeuden energiabudjetista.

Pimeä aine = aine joka ei vuorovaikuta (voimakkaasti) valon kanssa.

Galaksien rotaatiokäyrät:

⇒ pimeä aine (tai erilainen gravitaatiolaki) Pimeä aine vaikuttaa määrätyllä tavalla myös

mikroaaltotaustaan, galaksien jakautumaan, gravitaatiolinssihavaintoihin, ...

On olemassa baryonista pimeää ainetta… mutta liian vähän. Neutriinot ovat pimeää ainetta… mutta ne ovat liian lämpimiä

ja niitä on liian vähän ⇒ uutta hiukkasfysiikkaa!

Kymmeniä pimeän aineen malleja. Pimeästä aineesta tiedetään, että se on hyvin läpinäkyvää,

kylmää ja täyttää 15…30% maailmankaikkeuden energiabudjetista.

€

v 2

r= GN

M(r)

r2


99

Pimeä energia?Pimeä energia? Pimeä energia = “aine” joka jakautuu tasaisesti ympäri

maailmankaikkeutta ja jonka paine on negatiivinen. Havainnot (tyypin Ia supernovat, mikroaaltotausta, galaksien

jakautuma): laajeneminen on kiihtynyt. Yleinen suhteellisuusteoria + homogeenisuus ja isotrooppisuus

⇒ Friedmannin yhtälöt:

Vaihtoehdot: 1) On olemassa “pimeää energiaa”, jolle p < 0. 2) Yleinen suhteellisuusteoria ei päde. 3) Homogeeninen ja isotrooppinen approksimaatio ei

päde.

Pimeä energia = “aine” joka jakautuu tasaisesti ympäri maailmankaikkeutta ja jonka paine on negatiivinen.

Havainnot (tyypin Ia supernovat, mikroaaltotausta, galaksien jakautuma): laajeneminen on kiihtynyt.

Yleinen suhteellisuusteoria + homogeenisuus ja isotrooppisuus⇒ Friedmannin yhtälöt:

Vaihtoehdot: 1) On olemassa “pimeää energiaa”, jolle p < 0. 2) Yleinen suhteellisuusteoria ei päde. 3) Homogeeninen ja isotrooppinen approksimaatio ei

päde.

€

3˙ a 2

a2 = 8πGN ρ − 3k

a2

3˙ ̇ a

a= −4πGN (ρ + 3p)


1010

Pimeä energia?Pimeä energia?

Havaittu laajenemisnopeus on liian iso tekijällä 2. Yksinkertaisin mahdollisuus on tyhjön energia.

Kvanttikenttäteorioissa tyhjö on monimutkainen tila, jolla on tietty energiatiheys.

Tyhjön energia sopii havaintoihin hyvin (homogeenisessa ja isotrooppisessa mallissa).

Mutta... miksi tyhjön energialla olisi juuri sopiva arvo?

Tyhjön energiatiheydestä luullaan, että sen pitäisi olla (1012 eV)4 tai (1027 eV)4, mutta havainnot selittyvät arvolla (10-3 eV)4.

Miksi tyhjö on ottanut vallan eilen? Tänään ρtyhjö ≈ 3 ρaine, mutta ρaine∝a-3, ρtyhjö=vakio.

Havaittu laajenemisnopeus on liian iso tekijällä 2. Yksinkertaisin mahdollisuus on tyhjön energia.

Kvanttikenttäteorioissa tyhjö on monimutkainen tila, jolla on tietty energiatiheys.

Tyhjön energia sopii havaintoihin hyvin (homogeenisessa ja isotrooppisessa mallissa).

Mutta... miksi tyhjön energialla olisi juuri sopiva arvo?

Tyhjön energiatiheydestä luullaan, että sen pitäisi olla (1012 eV)4 tai (1027 eV)4, mutta havainnot selittyvät arvolla (10-3 eV)4.

Miksi tyhjö on ottanut vallan eilen? Tänään ρtyhjö ≈ 3 ρaine, mutta ρaine∝a-3, ρtyhjö=vakio.


1111

Rakenteiden muodostuminenRakenteiden muodostuminen

Inflaatio synnyttää rakenteen siemenet.

Epätasaisuus kasvaa, koska gravitaatio vetää massaa ylitiheisiin alueisiin. Pimeän aineen tiheys kasvaa ensin. Atomien muodostuessa tavallinen aine

vapautuu. Pienet kuprut kasvavat galakseiksi,

ryppäiksi, superryppäiksi, rihmoiksi, seiniksi ja voideiksi.

Inflaatio synnyttää rakenteen siemenet.

Epätasaisuus kasvaa, koska gravitaatio vetää massaa ylitiheisiin alueisiin. Pimeän aineen tiheys kasvaa ensin. Atomien muodostuessa tavallinen aine

vapautuu. Pienet kuprut kasvavat galakseiksi,

ryppäiksi, superryppäiksi, rihmoiksi, seiniksi ja voideiksi.


1212




1313




1414




1515

Rakenteiden vaikutusRakenteiden vaikutus

Miten rakenteiden muodostuminen vaikuttaa laajenemiseen?

Kiihtyminen tapahtuu samaan aikaan kun epälineaariset rakenteet tulevat merkittäviksi.

Avaruuden keskimääräinen laajeneminen saattaa kiihtyä, vaikka paikallinen laajeneminen hidastuu kaikkialla.

Nopeampien alueiden osuus tilavuudesta kasvaa.

Miten rakenteiden muodostuminen vaikuttaa laajenemiseen?

Kiihtyminen tapahtuu samaan aikaan kun epälineaariset rakenteet tulevat merkittäviksi.

Avaruuden keskimääräinen laajeneminen saattaa kiihtyä, vaikka paikallinen laajeneminen hidastuu kaikkialla.

Nopeampien alueiden osuus tilavuudesta kasvaa.

€

H = v1H1 + v2H2


1616

Rakenteiden vaikutusRakenteiden vaikutus

Paikalliset erot ovat tarpeeksi isoja selittääkseen havainnot.

Epälineaariset rakenteet tulevat merkittäviksi noin kymmenen miljardin vuoden iässä.

Mutta... epälineaaristen rakenteiden vaikutuksen

laskeminen yleisessä suhteellisuusteoriassa on vaikeaa.

Kosmologiassa laajenemista kuvataan suhteellisuusteorialla ja rakenteiden muodostumista Newtonin teorialla.

Paikalliset erot ovat tarpeeksi isoja selittääkseen havainnot.

Epälineaariset rakenteet tulevat merkittäviksi noin kymmenen miljardin vuoden iässä.

Mutta... epälineaaristen rakenteiden vaikutuksen

laskeminen yleisessä suhteellisuusteoriassa on vaikeaa.

Kosmologiassa laajenemista kuvataan suhteellisuusteorialla ja rakenteiden muodostumista Newtonin teorialla.


1717

Newton ja suhteellisuusteoria

Newton ja suhteellisuusteoria

Newtonin gravitaatiolaki:

Newtonin teoria on määritelty vain äärellisille systeemeille.

Sen voi laajentaa koskemaan äärettömiä (tai periodisia) systeemejä.

Tällöin rakenteet eivät vaikuta keskimääräiseen laajenemisnopeuteen!

Yleisessä suhteellisuusteoriassa on toisin. Jos kiihtyminen johtuu rakenteista, tämä on

yleisen suhteellisuusteorian ei-newtonilaisten piirteiden ansiota.

Tarvitaan riittävän monimutkainen yksinkertaistus suhteellisuusteoriasta.

Newtonin gravitaatiolaki:

Newtonin teoria on määritelty vain äärellisille systeemeille.

Sen voi laajentaa koskemaan äärettömiä (tai periodisia) systeemejä.

Tällöin rakenteet eivät vaikuta keskimääräiseen laajenemisnopeuteen!

Yleisessä suhteellisuusteoriassa on toisin. Jos kiihtyminen johtuu rakenteista, tämä on

yleisen suhteellisuusteorian ei-newtonilaisten piirteiden ansiota.

Tarvitaan riittävän monimutkainen yksinkertaistus suhteellisuusteoriasta.

€

F = −GN

mM

r2


1818

Baryogenesis = baryoniepäsymmetrian synty. Lämpötilan laskiessa aine ja antiaine annihiloituvat

⇒ jotta ainetta jäisi jäljelle, pitää olla enemmän baryoneja kuin antibaryoneja

Saharovin ehdot (baryoni- ja C & CP-symmetrioiden rikkoutuminen, terminen epätasapaino)

Standardimallissa nämä toteutuvat… mutta liian heikosti ⇒ uutta hiukkasfysiikkaa!

Ainoa nykypäivänä mitattava suure on η, joten vaikea testata. (leptogenesis, L ⇒ B, saattaa liittää neutriinoihin)

Baryonien osuus maailmankaikkeuden “energiabudjetista” on 4...5% ⇒ pimeä aine, pimeä energia

Baryogenesis = baryoniepäsymmetrian synty. Lämpötilan laskiessa aine ja antiaine annihiloituvat

⇒ jotta ainetta jäisi jäljelle, pitää olla enemmän baryoneja kuin antibaryoneja

Saharovin ehdot (baryoni- ja C & CP-symmetrioiden rikkoutuminen, terminen epätasapaino)

Standardimallissa nämä toteutuvat… mutta liian heikosti ⇒ uutta hiukkasfysiikkaa!

Ainoa nykypäivänä mitattava suure on η, joten vaikea testata. (leptogenesis, L ⇒ B, saattaa liittää neutriinoihin)

Baryonien osuus maailmankaikkeuden “energiabudjetista” on 4...5% ⇒ pimeä aine, pimeä energia

BaryogenesisBaryogenesis

€

η =nB − n

B

nγ

≈ 5.1K 6.5 ×10−10

Documents

Maailmankaikkeuden muodonmuutoksia