Maailmankaikkeuden muodonmuutoksia

1
Maailmankaikkeudenmuodonmuutoksia

• Syksy Räsänen

2
Kosmologian aikakaudet

• 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 reionisaatio
• 40 Myr 10-110-2 eV ensimmäiset rakenteet
• 400 000 yr 0.1 eV valo ja aine eroavat
• 50 000 yr 1 eV materia saa säteilyn kiinni
• 3-30 min 0.1 MeV Big Bang Nucleosynthesis
• 10-410-5 s 100 MeV QCD-faasitransitio (?)
• 10-11 s 100 GeV sähköheikko faasitransitio (?)
• 10-1310-36 s 1031016 GeV baryogenesis?
• 10-1310-36 s 1031016 GeV inflaatio?
• 10-1310-42 s 1031019 GeV kvanttigravitaatio?

3
Mikroaaltotausta WMAP
4
Mikroaaltotausta Planck
http//sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?
fobjectid47333
5
Suuren mittakaavan rakenne

• arXivastro-ph/0604561, Nature 4401137.2006

6
Tyypin Ia supernovat
7
Inflaatio

• 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.

8
Pimeä 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 1530
  maailmankaikkeuden energiabudjetista.

9
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 lt 0.
• 2) Yleinen suhteellisuusteoria ei päde.
• 3) Homogeeninen ja isotrooppinen approksimaatio
  ei päde.

10
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 ?tyhjö 3 ?aine, mutta ?aine?a-3,
  ?tyhjövakio.

11
Rakenteiden 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.

12
(No Transcript)
13
(No Transcript)
14
(No Transcript)
15
Rakenteiden 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.

16
Rakenteiden 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.

17
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.

18
Baryogenesis

• 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 ?, joten
  vaikea testata. (leptogenesis, L ? B, saattaa
  liittää neutriinoihin)
• Baryonien osuus maailmankaikkeuden
  energiabudjetista on 4...5 ? pimeä aine, pimeä
  energia