R - ITME

Wielki Wybuch
początek wszystkiego?
Piotr Decowski
Smith College
23 Luty 2011
Nieskończony i wieczny
Wszechświat
2R
Wszechświat musi być
albo skończony
albo musi mieć początek
R
albo i jedno i drugie
V ~ R3
L ~ 1/R2
całkowite L ~ R3/R2 = R
nieskończenie jasne niebo!
Wszechświat
współczesny
Wykres Hubble’a
Velocity–distance relation among extra-galactic nebulae.
Wszechświat się rozszerza!
Kirshner R P PNAS 2004;101:8-13
Widzialny Wszechświat
Nowe dane z supernowych
gwiazd
Ω=
ρ
ρ crit
ρ crit = 9.2 ∗10−27 kg / m 3
Odpowiednik 5.5 protonów/m3
Wszechświat się rozszerza coraz szybciej
Najlepsze
dopasowanie
Opis rozszerzania
Czynnik skali: a(t) [a=1 dziś]
λobs
1
= 1+ z =
λem
a(t em )
Zatem:
dz
1
= − 2 aÝ
dt
a
gdzie:
aÝ
H=
a
definicja “przesunięcia
do czerwieni” z
a2
dz
dt = − dz = −
aÝ
H(z)(1+ z)
teraz
stała Hubble’a H0 = 100 h km/s/Mpc
h = 0.7
bezwymiarowy parametr
Hubble’a
Opis rozszerzania cd.
Z ogólnej teorii względności:
całkowita gęstość (materia, promieniowanie,
ciemna energia)
gęstość energii próżni
 aÝ 8πGρ k 8πGρ vac
H =  =
− 2+
 a
3
3
a
2
2
stała kosmologiczna
krzywizna przestrzeni
Dla każdej formy energii (materia, promieniowanie, ciemna energia):
dE = − pdV
Wprowadźmy definicję:
d(a ρ i ) = − pi d(a )
3
wi =
3
ρi
pi
d(a ρi) = −
3
ρi
wi
d (a 3 )
Opis rozszerzania cd.cd.
Rozwiązanie równania:
ρ ( z ) ~ (1 + z ) 3 (1 + w
Materia (bariony, ciemna materia):
i
)
w M = 0, ρ M ~ (1+ z) 3
Promieniowanie:
w R = 1/3, ρ R ~ (1+ z) 4
Ciemna energia:
w DE = −1, ρ DE = const
w=
ρ
p
ujemne ciśnienie!
dE = − pdV = ρdV
Jak rozumieć ujemne
ciśnienie?
Wyciągnięcie tłoka
wymaga pracy,
jak to jest możliwe,
że ciemna energia
powoduje rozszerzanie?
W ogólnej teorii wyględności pole grawitacyjne
spowalniające rozszerzanie Wszechświata
jest proporcjonalne do:
ρ + 3p
Dla ciemnej energii:
−2 ρ
Odpychająca grawitacja!!!
Ewolucja gęstości
epoka promieniowania
epoka materii
epoka ciemnej energii
Ekstrapolacja do początku
W < -0.3 oznacza przyspieszoną
ekspansję
Przyszłość
Skąd się bierze ciemna
energia?
Energia próżni w postaci wirtualnych cząstek?
Obliczenie: wynik 10120 za duży!!!
???
Rotacja galaktyk
We Wszechświecie jest znacznie więcej materii
niż wynika z oszacowań ilości materii nam znanej
Ciemna materia
Obserwacja ciemnej materii
Widzialna materia
Ciemna materia
oszcowana z
ogniskowania
grawitacyjnego
Mikrofalowe Kosmiczne Tło
(CMB)
T=2.725 K
Struktura Mikrofalowego
Kosmicznego Tła (CMB)
η=
nB
= (6.14 ± 0.25) ∗10−10
nγ
Parametry kosmologiczne
Nukleosynteza
Nukleosynteza, cd.
4%
Kompozycja Wszechświata
Widzialny Wszechświat:
3 - 100x1022 gwiazd
w 80-ciu miliardach
galaktyk tworzących
gromady i supergromady
???
???
w = −1.05 ± 0.13(stat) ± 0.09(sys)
0.5%
Wiek:
13.8 ± 0.2Gyr
Problem
Skąd się wziął nadmiar materii
w stosunku do antymateriii?
Konieczne jest spełnienie 3 warunków (Sacharow)
Niezachowanie liczby barionowej
Brak równowagi termodynamicznej
Złamanie symetrii C i CP
Nie wiemy jak to się dzieje
Inne Problemy
Problem horyzontu
Problem płaskości (k=0, gęstość krytyczna)
Rozwiązanie: INFLACJA
Inflacja
Kwantowe fluktuacje
Rozwój Wszechświata
Struktura Wszechświata
Niejednorodność
Historia Wszechświata
Historia cd.
Wielki Wybuch
początek wszystkiego?
Czyżby?
Wielki Wybuch - stan o bardzo małej entropii
P=e
S
S~
1
Λ
Λ ~ 1016 GeV
10123 −1
P ~ (10
)
Multiwszechświat?