Ewolucja Wszechswiata Wyklad 6 Mikrofalowe promieniowanie tla

1
Ewolucja WszechswiataWyklad 6Mikrofalowe
promieniowanie tla
2
Rozseparowanie materii i promieniowania
Protony i jadra przylaczaja elektrony
(rekombinacja) tworza sie atomy.
Promieniowanie nie jest w stanie istotnie
oddzialywac z materia nie jest w stanie w
efektywny sposób jonizowac i wzbudzac atomów.
Materia nie ma wplywu na promieniowanie -
promieniowanie reliktowe
Od tej chwili temperatura promieniowania maleje
wraz z ekspansja Wszechswiata
Obecna wartosc T 2,73 K
3
Promieniowanie reliktowe
Energia fotonu
Srednia energia fotonu zalezy od temperatury
Srednia energia fotonu maleje wraz z temperatura
Dlugosc fali fotonu rosnie
4
Promieniowanie reliktowe
W 1964 r. Arno Penzias i Robert Wilson odkryli
promieniowanie tla.
Widmo promieniowania tla zgadza sie z widmem
promieniowania ciala doskonale czarnego.
Wyniki COBE
T (2,725?0,002) K
2001 r. sonda kosmiczna WMAP (Wilkinson Microwave
Anizotropy Probe)
5
Promieniowanie reliktowe
Animacja z http//map.gsfc.nasa.gov/media/030653/i
ndex.html
kliknij
6
Eksperyment WMAP
Sonda kosmiczna wystrzelona 30.06.2001 roku
Pomiar promieniowania mikrofalowego w 5
przedzialach czestosci od 23 GHz (13 mm) do 94
GHz (3,2 mm).
Porównanie pomiarów w róznych zakresach czestosci
umozliwia odjecie tla pochodzacego od Galaktyki.
Aby zminimalizowac tlo pochodzace od Ziemi i
Slonca sonde umieszczono na orbicie wokól tzw.
punktu Lagrangea
Quasi-stabilna konfiguracja WMAP Ziemia -Slonce
7
Eksperyment WMAP
Animacja z http//map.gsfc.nasa.gov/media/990535/i
ndex.html
kliknij
8
Eksperyment WMAP
Animacja z http//map.gsfc.nasa.gov/media/990533/i
ndex.html
kliknij
9
Podróz w czasie
kliknij
Animacja z http//map.gsfc.nasa.gov/media/030657/i
ndex.html
Oddalajac sie od Ziemi, cofamy sie w czasie.
Dochodzimy do momentu, gdy Wszechswiat wypelnial
zjonizowany gaz. Gdy jego temperatura spadla do
3000 K, powstaly atomy i promieniowanie z tego
momentu zarejestrowal WMAP.
10
Eksperyment WMAP
Rózne kolory oznaczaja rózne temperatury.
Fluktuacje temperatury promieniowania tla
fotografia rozkladu materii we Wszechswiecie w
wieku 380 000 lat .
Mapa temperatur Ziemi.
Bez fluktuacji gestosci nie powstalyby galaktyki.
11
Fluktuacje temperatury
W pierwszym przyblizeniu promieniowanie jest
izotropowe (?T ? 1 K)
Wplyw ruchu Ziemi wzgledem globalnego ukladu z
predkoscia 337 km/s (?T ? 1 mK)
Po odjeciu efektu Dopplera widzimy promieniowanie
naszej Galaktyki (?T ? 200 ?K)
Po odjeciu promieniowania Galaktyki i innych
znanych zródel (?T ? 100 ?K)
12
Fluktuacje temperatury promieniowania tla
fotografia rozkladu materii we Wszechswiecie w
wieku 380 000 lat .
13
Eksperyment WMAP
Przed faza rekombinacji istnialy w osrodku
fluktuacje gestosci energii (i temperatur).
Obszar taki oscylowal z amplituda i czestoscia,
które zwiazane byly z warunkami fizycznymi
osrodka.
14
Fluktuacje
W chwili przed rozpoczeciem inflacji t 10-34
s, kT ? 1014 GeV
Maksymalna odleglosc miedzy punktami polaczonymi
przyczynowo ct ? 10-26 m
15
Fluktuacje
Kwantowe fluktuacje pola inflatonowego,
wzmocnione ekpansja inflacji, utworzyly
poczatkowe zaburzenia o amplitudach w
przyblizeniu jednakowych we wszystkich skalach.
Inflacja wywolala wszystkie zaburzenia
jednoczesnie.
Powstalo widmo podobne do widma dzwieków
instrumentów muzycznych
16
Swiat Nauki 03-2004
17
W epoce rekombinacji maksima i minima temperatury
pojawily sie w mniejszych obszarach.
Wyzsze harmoniczne oscylowaly 2, 3 i wiecej razy
szybciej niz fala podstawowa
Swiat Nauki 03-2004
18
kliknij
Powstanie niejednorodnosci zjonizowanej materii
Wszechswiata mozna porównac do powstawania
zmarszczek w cieczy.
Animacja z http//map.gsfc.nasa.gov/media/030658/i
ndex.html
19
Eksperyment WMAP
Analiza statystyczna fluktuacji odstepstwa od
sredniej temperatury w obszarach o róznej skali.
20
Eksperyment WMAP
Analiza statystyczna fluktuacji odstepstwa od
sredniej temperatury w obszarach o róznej skali.
21
Eksperyment WMAP
Analiza statystyczna fluktuacji odstepstwa od
sredniej temperatury w obszarach o róznej skali.
22
Eksperyment WMAP
0,50
0,20
900
20
Swiat Nauki 03-2004
23
Pierwszy (najwiekszy) pik odpowiada modom
fluktuacji o rozmiarach porównywalnych z
rozmiarami horyzontu akustycznemu w czasie
ostatniego rozproszenia.
Obszary najwiekszych odchylen zajmuja na niebie
okolo 10 luku (2 srednice Ksiezyca) w momencie
rekombinacji obszary te mialy rozmiar okolo
miliona lat swietlnych - teraz miliard lat
swietlnych.
24
Eksperyment WMAP
25
Eksperyment WMAP
Typowe rozmiary fluktuacji odpowiadaja
horyzontowi akustycznemu czyli rozmiarowi,
jaki moze przebiec dzwiek w ciagu ok. 380 000
lat.
Rozmiar takiego horyzontu mozna teoretycznie
oszacowac i policzyc, jakie powinny byc rozmiary
katowe horyzontu, rzutowane dzisiaj na sfere
niebieska. Wynik zalezy od geometrii
Wszechswiata.
plaski
Rozmiary fluktuacji
zamkniety
powiekszone
otwarty
pomniejszone
Animacja z http//map.gsfc.nasa.gov/media/030639/i
ndex.html
kliknij
26
Eksperyment WMAP
Precyzyjny pomiar korelacji katowych w
promieniowaniu tla umozliwil jednoczesne
dopasowanie wielu parametrów.
Dominuja fluktuacje o rozmiarach katowych rzedu
0,80.
Wszechswiat jest plaski!
27
Ciemna materia moduluje sygnaly akustyczne w
promieniowaniu tla.
Pierwsze maksimum
Po inflacji gestsze obszary ciemnej materii
wciagaja silami grawitacji bariony i fotony. W
epoce rekombinacji efekty grawitacji i fali
akustycznej sumuja sie.
Swiat Nauki 03-2004
28
Drugie maksimum
Skupiska ciemnej materii odpowiadajace fali
drugiego maksimum na dlugo przed rekombinacja
maksymalizuja temp. promieniowania w dolinach.
Jest to punkt zwrotny cisnienie gazu zaczyna
wypychac bariony i fotony z dolin. Efekt drugie
maksimum jest nizsze.
Swiat Nauki 03-2004
29
Efekt ten wyjasnia dlaczego pierwsze maksimum
jest wyzsze niz drugie.
Porównujac amplitudy maksimów mozna wyznaczyc
gestosc materii barionowej i ciemnej materii.
30
(No Transcript)
31

• Fluktuacje mniejsze od przewidywanych.
• Fluktuacja statystyczna spowodowana mala liczba
  rozlacznych obszarów o duzych rozmiarach?
• Niedoskonalosc teorii inflacji, topologii
  Wszechswiata itp.?

32
Eksperyment WMAP
Stwierdzono polaryzacje promieniowania
mikrofalowego w duzych skalach katowych na
niebie.
Polaryzacja spowodowana rozpraszaniem na
czastkach naladowanych.
Kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu okolo
17 fotonów promieniowania reliktowego bylo
rozpraszanych przez zjonizowany gaz.
Powstal on w wyniku powtórnej jonizacji
kosmicznego wodoru i helu przez promieniowanie
pochodzace z pierwszego pokolenia bardzo
masywnych i goracych gwiazd.
33
Eksperyment WMAP
Wyniki
Atomy (bariony) wypelniaja tylko 4 Wszechswiata.
23 stanowi ciemna materia
73 to ciemna energia, która opisujemy przez
stala kosmologiczna.
Ciemna energia powoduje przyspieszenie
ekspansji Wszechswiata!
Wiek Wszechswiata 13,7 mld lat (z dokl. 1)
Promieniowanie reliktowe pochodzi z okresu 379
000 lat po Big Bang
Pierwsze gwiazdy powstawaly 200 mln lat po Big
Bang
Polaryzacja promieniowania dodatkowy dowód
teorii inflacji.
34
Eksperyment Planck
14.05.2009 23.102013
dostarczyl jeszcze dokladniejszych danych o
promieniowaniu reliktowym

• Mapa promieniowania z rozdzielczoscia 5 - 10
  minut katowych z rozdzielczoscia (?T/T) rzedu
  10-6 pozwoli to wyznaczyc fundamentalne
  parametry (krzywizna Wszechswiata, stala
  Hubblea, gestosc barionowa) z dokladnoscia kilku
  procent.

kliknij

• Polaryzacja promieniowania Typu B test teorii
  inflacji.

Publikacja Journal Astronomy Astrophysics 536
2011 Planck Early Results I The Planck Mission
Animacja z http//sci.esa.int/science-e/www/object
/index.cfm?fobjectid30968
35
Eksperyment Planck
21.03.2013 opublikowano pierwsza mape
promieniowania tla na podstawie danych zebranych
przez pierwsze 15 miesiecy misji. http//planck.ca
ltech.edu/pub/2013results/Planck_2013_results_01.p
df
36
Widmo mocy (power spectra) - porównanie wyników
eksperymentów WMAP i Planck http//planck.caltech.
edu/pub/2013results/Planck_2013_results_01.pdf
37
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
First Direct Evidence of Cosmic Inflation Release
No.  2014-05 For Release  Monday, March 17,
2014 - 1045am
 Kolaboracja BICEP2 - South Pole Telescope
W promieniowaniu tla odkryto polaryzacje modu B,
która mogla byc spowodowana falami grawitacyjnymi
powstalymi podczas inflacji.
38
 Skrecony wzór modów B jest unikalnym znacznikiem
fal grawitacyjnych. 
39
Historia Wszechswiata
atom wodoru
jadro helu
foton
proton
foton mikrofalowego promieniowania tla
pierwsze gwiazdy
Swiat Nauki 03-2004