AST1010 – Forelesning 21
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 GM ≈ 2P MPc c hc ⇒ MP = = 2.2 × 10 −8 kg G Gjør det naturlig å stoppe summasjonen av 2 nullpunktsvibrasjoner ved ω = M c /h. P Kosmologisk konstant-problemet • Bruker vi frekvensen som svarer til Planckmassen som cutoff, får vi en teoretisk forutsigelse for vakuumenergien. • Men denne er 1055 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 1026. Da er området innenfor horisonten vi startet med vokst til 0.3 m. • I løpet av den strålingsdominerte fasen vokser dette området til ca. 1023 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 tetthetenutgangspunkt 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 h ∆t ≥ 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.
© Copyright 2024