ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΦΥΣΙΚΗ ΙΙ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ. Ν.Μάνθος Ν. Μάνθος,

Transcript

1 ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΦΥΣΙΚΗ ΙΙ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ Ν.Μάνθος 008 Ν. Μάνθος, 008 1

2 Κοσμολογία- σύμπαν Η κοσμολογία είναι ένας κλάδος συναρπαστικός και ραγδαία αναπτυσσόμενος. Κοσμολογία είναι η μελέτη, το περιεχόμενο, η μορφή, και η εξέλιξη του σύμπαντος. Έχει αποδειχθεί ότι το σύμπαν διαστέλλεται και έχει ευκρινή αρχή στο χρόνο 14Β χρόνια. Τα τελευταία 50 χρόνια μετρήθηκε ο ρυθμός διαστολής (ρυθμός αλληλοϋποχώρησης) όλων των γαλαξιών. Επιβεβαιώθηκαν με μετρήσεις: μία πρώιμη γρήγορη διαστολή που γέμισε το σύμπαν με μία ομογενή κατανομή ύλης και ακτινοβολίας, μία περίοδος επιβράδυνσης της διαστολής λόγω της βαρυτικής έλξης κατά την οποία οι γαλαξίες είχαν χρόνο να σχηματισθούν (ενώ αλληλοϋποχωρούσαν), μία περίοδος με επιταχυνόμενη αλληλοϋποχώρηση. Ν. Μάνθος, 008

3 Κοσμολογία πλαίσιο μελέτης Νόμος του Hubble. Κοσμική ακτινοβολία μικροκυμάτων υποβάθρου (ομογενής, ισότροπη). Η αφθονία των ελαφρών χημικών στοιχείων ( H, He, D, Li ) στο σύμπαν που δημιουργήθηκαν τα 3 πρώτα λεπτά μετά την μεγάλη έκρηξη. Δημιουργία δομών μεγάλης κλίμακας. Χρήσιμη εξιδανίκευση: η θεωρία της μεγάλης έκρηξης. Αλλά απομένουν να απαντηθούν ερωτήματα σχετικά με την φύση της σκοτεινής ύλης και ενέργειας που αποτελούν το 95% της μάζας-ενέργειας του σύμπαντος. Ν. Μάνθος, 008 3

4 Κοσμολογία δομή της ύλης Η περίοδος της μεγάλης έκρηξης (Big Bang) Η θεωρία της μεγάλης έκρηξης, «δημιουργίας» του σύμπαντος και οι πειραματικές ενδείξεις Το σύμπαν έχει μία αρχή και εμφανίσθηκε από μία άκρως πυκνή σημειακή ιδιομορφία στο χωρόχρονο πριν 14Β (13.73±0.1, WMAP_008) χρόνια. Υπάρχει πεποίθηση ότι λόγω της μεγάλης ενέργειας εκείνη τη στιγμή και οι 4 αλληλεπιδράσεις ήταν ενιαίες και όλη η ύλη ήταν μία ομογενή σούπα από κουάρκ, γλοιόνια κλπ Κ 10 9 Κ Ενέργεια σωματίων> GeV SUSY Κ 1/h: H, D, He Κ s Μάζες-LHC Ν. Μάνθος, 008 4

5 Κοσμολογία ιστορία του σύμπαντος s s? Κυριαρχία ακτινοβολίας Κυριαρχία ύλης Ν. Μάνθος, 008 5

6 Κοσμολογία μέγεθος του σύμπαντος x = 7.46 Blight years Λάθος!!!! Η απόσταση που καλύπτεται από το φώς για να φτάσει σε μας και να το παρατηρήσουμε είναι μεγαλύτερη από όσο μετράμε επειδή το σύμπαν διαστέλλεται. (Παράδειγμα: ανατοκισμός ή εάν θεωρήσουμε ότι το σύμπαν βρίσκεται 1Μy από την ΒΒ το σύμπαν είναι 1000 φορές μικρότερο από σήμερα, το 1 light-year αντιστοιχεί σε 1000 light years.) Από πρόσφατες παρατηρήσεις το πλάτος (διάμετρος) του σύμπαντος είναι τουλάχιστον 78 Byears. 1 light year = 9,460,730,47, km = parsecs Σύμπαν: 3-7x 10 αστέρια 80 Μ Γαλαξίες με 400Β αστέρια ο καθένας Αριθμός ατόμων Ν. Μάνθος, 008 6

7 Κοσμολογία-Γενικά To He που υπάρχει σήμερα είναι αυτό που παρήχθη λίγα λεπτά μετά την ΒΒ. Μέχρι 380Κ χρόνια από την ΒΒ το σύμπαν κυριαρχούνταν από ακτινοβολία. Ενεργητικά φωτόνια δεν επέτρεπαν στην ύλη να δημιουργήσει συσσώματα ούτε απλά άτομα Η και He επειδή οι αλληλεπιδράσεις των φωτονίων με τα άτομα αμέσως τα ιόνιζαν. Επίσης τα φωτόνια σκεδάζονταν (Compton) με την τεράστια ποσότητα ηλεκτρονίων κάνοντας το σύμπαν αδιαφανές στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Στην ηλικία των 380Κ χρόνων το σύμπαν ήταν το ένα χιλιοστό της σημερινής έκτασης και η θερμοκρασία του ήταν 3000 Κ. Σε αυτή την θερμοκρασία τα ηλεκτρόνια μαζί με πρωτόνια και νετρόνια άρχισαν να σχηματίζουν πυρήνες Η, He και στη συνέχεια να σχηματίζουν άτομα. Έτσι μειώθηκαν τα φορτισμένα σωμάτια και το σύμπαν έγινε διάφανο στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Το σύμπαν δεν κυριαρχούνταν πλέον από ακτινοβολία και έτσι η ουδέτερη ύλη άρχισε να αυξάνεται και με την σειρά έγιναν άτομα, μόρια, νέφη αερίων, αστέρια, γαλαξίες. T > 3000 K, ηλικία< y p, e, n, γ, ν Θερμική ισορροπία μάζας-ενέργειας T < 3000 K, ηλικία> y R=14B έτη φωτός Το διαστελλόμενο κέλυφος φαίνεται από τη γή με την μετατόπιση Doppler στο κόκκινο. Ν. Μάνθος, 008 7

8 Κοσμολογία-Xάρτης του σύμπαντος (SDSS-005) Ν. Μάνθος, 008 8

9 Διαστελόμενο σύμπαν -Ιστορικά 1916 Α. Einstein: Γενική θεωρία της σχετικότητας-νέα θεωρία για την βαρύτητα προς αντικατάσταση της θεωρίας του Νεύτωνα. Διαφορικές εξισώσεις που συσχετίζουν την κατανομή της ύλης στο σύμπαν με την καμπύλη του χωρο-χρόνου. Τις έλυσε και βρήκε ότι για να είναι το σύμπαν στατικό (έτσι θεωρούνταν στην εποχή του) πρέπει να προστεθεί μια δύναμη «κοσμικής απώθησης» μεταξύ των γαλαξιών που χαρακτηρίζεται από μία κοσμολογική σταθερά Λ W. de Sitter: βρήκε μία άλλη στατική λύση. Η λύση του προέβλεπε την αύξηση της μετατόπισης Doppler στο ερυθρό για αντικείμενα σε μεγαλύτερη απόσταση. 19, 194 Α. Friedmann έδειξε ότι από τις εξισώσεις πεδίου του Einstein προκύπτουν δύο μη στατικά πρότυπα ένα ανοικτό σύμπαν και ένα αντισυμβαλλόμενο κλειστό σύμπαν. Ο Einstein στην αρχή δεν ήθελε να αλλάξει το στατικό σύμπαν με ένα σύμπαν δυναμικό, διαστελλόμενο που θα είχε κάποια αρχή στο χρόνο. Παρόλα αυτά το 1933 αποδέχθηκε την επιχειρηματολογία του Friedmann. 193 Ε. Hubble: Τα σπειροειδή νεφελώματα απαρτίζονται από δισεκατομ. Αστέρες. Προσδιόρισε ότι η Ανδρομέδα είναι σε απόσταση 1 εκατομ. έτη φωτός απο τη γή πολύ πάνω από τα έτη φωτός της έκτασης του δικού μας γαλαξία (milky way). Τον προσδιορισμό της απόστασης τον έκανε χρησιμοποιώντας την μέτρηση της φωτεινότητας αστεριών με κυμαινόμενη ένταση γνωστούς ως μεταβλητοί (βραχείας περιόδου) Κηφείδες και υπολόγισε την απόσταση από την σχέση f= L/(4πR ), όπου L η εγγενής φωτεινότητα και f η παρατηρούμενη ροή ενέργειας ανά δευτερόλεπτο και μονάδα επιφάνειας σε κάποια περιοχή μηκών κύματος. Στο τέλος της δεκαετίας του 190 ο E. Hubble με τον M. Humason διατύπωσαν την άποψη μετά από πολύχρονες παρατηρήσεις ότι το σύμπαν στην ολότητά του διαστέλλεται, άποψη που ενισχύθηκε από παρατηρήσεις με μεγαλύτερο τηλεσκόπιο (palomar, 00 inch) την δεκαετία του 1940 και οδήγησε στον νόμο του Hubble. Ν. Μάνθος, 008 9

10 Κοσμολογία-κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων (CMB) 1948 G. Gamow et al, μέτρησαν την αφθονία του Η (75%)και He(5%) στο σύμπαν και προέβλεψαν ότι πρέπει να υπάρχει και σήμερα μία ακτινοβολία 5Κ 1965 A. Penzias και R. Wilson στα Bell Laboratories όπου μετρούσαν την ευαισθησία μιας κεραίας μικροκυμάτων παρατήρησαν ένα ενοχλητικό σήμα (ασθενικό σήμα υποβάθρου) παρεμβαλλόταν στο πείραμά τους που έκαναν χρησιμοποιώντας ως πηγή ένα δορυφόρο. Παρόλο που έκαναν πολλές προσπάθειες δεν κατάφεραν να το διώξουν. Είχε λ=7.35 cm. Ήταν το αντιφέγγισμα της ΒΒ. Αλλά οι μετρήσεις τους ήταν σε ένα μήκος κύματος. Ο δορυφόρος COBE to 1970 έκανε μετρήσεις σε όλα τα μήκη κύματος και απέδειξε ότι η ακτινοβολία είναι ακτινοβολία μέλανος σώματος θερμοκρασίας.7κ Ν. Μάνθος,

11 Ν. Μάνθος, Κοσμολογία-κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων (CMB) Μετατόπιση στο ερυθρό ) ( = + = = Δ = Z Z Z Z c v v c v c Z λ λ λ λ λ

12 Μεγάλη έκρηξη-cmb Από την ΒΒ έχει μείνει η ακτινοβολία των.7κ και ακριβέστερα η ακτινοβολία 380Κ χρόνια μετά την ΒΒ. Η κατανομή των μηκών κύματος είναι: u λ, T ) dλ = u( λ, T ) dλ 8phc ( 5 λ e 1 ( hc / λk B T ) dλ 1 οπου η ενέργεια ανά μονάδα όγκου ακτινοβολίας με μήκος κύματος μεταξύ λ και λ+dλ εκπεμπόμενη από μέλαν σώμα θερμοκρασίας Τ. Υποθέτοντας ότι μεταξύ των 380Κ χρόνων απο την ΒΒ και σήμερα, το σύμπαν έχει διασταλεί και ένα φωτόνιο αρχικού μήκους κύματος λ έχει υποστεί μετατόπιση Doppler σε μήκος κύματος λ με λ >λ. Ερώτημα: πως μεταβλήθηκε η κατανομή της ενέργειας σε συνάρτηση με το λ και το Τ; 1+ ( υ / c) λ = λ = Fλ λ = λ / 1 ( υ / c) u( λ, T ) dλ 4 F 8phc ( 5 ( λ ) e με Τ =T/F Αλλά F=T/T =3000K/3K=1000, και οι αποστάσεις στο σύμπαν από τα 380Κ χρόνια μετά την ΒΒ μεγάλωσαν κατά F 1 ) dλ = f ( λ, T dλ λ kbt 1 = ) hc / Ν. Μάνθος, 008 1

13 Διαστελόμενο σύμπαν 1913 V. Slipher: Οι σπειροειδής γαλαξίες απομακρύνονται από τη γή με ταχύτητες αρκετά εκατομ. Km την ώρα. Χρησιμοποίησε την μετατόπιση Doppler στο ερυθρό στις φασματικές γραμμές κάποιων στοιχείων για να λογαριάσει τις ταχύτητες απομάκρυνσης που είναι ανάλογες της μετατόπισης του μήκους κύματος cδλ/λ Φάσματα βαθμονόμησης στη γή Μετατόπιση των Η και Κ φασματικών γραμμών του ασβεστίου Οι μετρήσεις των v του Slipher ήταν αρκετά ακριβείς αν και οι αποστάσεις των γαλαξιών ήταν άγνωστες παρόλο που υπήρχαν ενδείξεις ότι περισσότερο μακρινά αντικείμενα έχουν μεγαλύτερη ταχύτητα 1919: Shaplay Χρησιμοποιώντας τους μεταβλητούς Κηφείδες μέτρησε την απόσταση Ν. Μάνθος,

14 Διακυμάνσεις στο CMB Οι κατανομή του CMB που παρατηρήθηκε ήταν πολύ ομογενής ενώ αναμενόταν μικρές διακυμάνσεις στην θερμοκρασία του CMB από το ένα μέρος στο άλλο στο στερέωμα όπου υπάρχουν περιοχές δημιουργίας πυρήνων για την δημιουργία γαλαξιών, αστέρων και πλανητών. 199, G. Smoot με δεδομένα μετρήσεων του COBE και προσεκτική μελέτη βρήκε ότι υπάρχουν μεταβολές της τάξης του 1/ στη θερμοκρασία και με προσομοιώσεις δείχθηκε ότι τέτοιες μεταβολές αναμένονται λόγω ομάδων γαλαξιών που βλέπουμε σήμερα. Ιούνιος 001 εκτοξεύτηκε ο δορυφόρος Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) και χαρτογράφησε λεπτομερώς το σύμπαν. Το σύμπαν όταν ήταν 380Κ χρόνων (WMAP) Κόκκινες οι θερμές περιοχές, μπλέ οι ψυχρότερες Mollweide projection Ν. Μάνθος,

15 Διακυμάνσεις στο CMB Οι θερμές και οι ψυχρές περιοχές θεωρείται ότι αντιστοιχούν σε συμπυκνώματα της πυκνότητας και αραιώματα (ηχητικά κύματα) στο αεριώδες σύστημα των φωτονίων, ηλεκτρονίων, πρωτονίων, και νετρονίων της περιόδου που κυριαρχούσε η ακτινοβολία και είχε εγκλωβισθεί από την ύλη. Στα 380Κ χρόνια από την ΒΒ όταν το σύμπαν έγινε διαφανές στην ακτινοβολία τα φωτόνια μπορούσαν να ταξιδεύσουν δισεκατομμύρια χρόνια χωρίς να σκεδασθούν. Τα φωτόνια που προέχονται από θερμές περιοχές ήταν περισσότερο ενεργητικά. Ταξιδεύοντας 45 εκατμ. έτη φωτός φθάνουν στη γή διατηρώντας την πληροφορία ότι προέρχονται από θερμές ή ψυχρές περιοχές στο νεαρό σύμπαν Α. Guth πρότεινε τον πληθωρισμό σαν λύση στο πρόβλημα του ορίζοντα. Πρόβλημα του ορίζοντα Λόγω της ομογενούς θερμοκρασία του CMB φαίνεται ότι οποιαδήποτε γειτονικά σημεία στον ουρανό που απέχουν 1 (διπλάσια απόσταση της διαμέτρου της σελήνης) περιέχουν ακτινοβολία CMB από περιοχές του σύμπαντος οι οποίες ήταν αιτιακά συσχετισμένες στα 380Κ χρόνια από την ΒΒ. Εάν προεκτείνουμε όμως τις τροχιές δύο φωτονίων που απέχουν προς τα πίσω δίνει ως αρχικά σημεία που διαφέρουν τόσο ώστε να απαιτούνται ταχύτητες 10 φορές μεγαλύτερες της ταχύτητας του φωτός ώστε να αλληλοσυσχετισθούν οι δύο περιοχές. Επομένως είναι δύσκολο να κατανοηθεί η ομογενής θερμοκρασία της CMB με τις μεταβολές της τάξης του 1 προς στα πλαίσια της καθιερωμένης θεωρίας της ΒΒ. Ν. Μάνθος,

16 Διακυμάνσεις στο CMB Πληθωρισμός Η θεωρία του πληθωρισμού προτείνει ότι s μετά την ΒΒ το σύμπαν πέρασε από μία περίοδο ταχείας επιταχυνόμενης διαστολής για ~10-33 s και το μέγεθός του αυξήθηκε εκθετικά με τον χρόνο κατά Μετά τον πληθωρισμό το σύμπαν αυξήθηκε κατά φορές πλέον της αύξησης που θα είχε με τον σταθερό ρυθμό αύξησης. Πριν τον πληθωρισμό η ύλη και η ακτινοβολία ήταν τόσο κοντά πακτωμένη ώστε οι συγκρούσεις κρατούσαν την ύλη και τη ακτινοβολία σε ισορροπία με αποτέλεσμα την ομογενή πυκνότητα και θερμοκρασία στο νεαρό μετα-πληθωρισμού σύμπαν από το οποίο προέρχεται η CMB. Ο πληθωρισμός συνέβηκε τόσο γρήγορα, με υπέρβαση της ταχύτητας του φωτός και τμήματα του σύμπαντος εκπήγασαν σε αλληλο-επαφή κατά την διάρκεια του πληθωρισμού. Όταν αυτός σταμάτησε η διαστολή επιβραδύνθηκε και οι περιοχές του σύμπαντος συνεχίζουν την αλληλο-εποπτεία τους. Σχηματικό διάγραμμα της πληθωριστικής διαστολής του σύμπαντος. Δείχνει περιόδους επιβράδυνσης και επιτάχυνσης στην κοσμική διαστολή κατά τις οποίες κάποιοι γαλαξίες μεταβαίνουν μέσα-έξω στην περιοχή όπου δύνανται να παρατηρηθούν. Η τωρινή διαστολή δείχνει κάποιους τωρινούς γαλαξίες που κινούνται εκτός του ορίζοντα και έξω από την αλληλο-ορατότητά τους. Η απόσταση μεταξύ δύο σημείων αυξήθηκε τόσο γρήγορα που το φώς δεν μπορεί να την ακολουθήσει ορίζοντας Ν. Μάνθος,

17 Διακυμάνσεις στο CMB Πληθωρισμός (συνέχεια) Η θεωρία του πληθωρισμού λύνει και άλλα προβλήματα: Το σημερινό σύμπαν φαίνεται να ακολουθεί την γεωμετρία του Ευκλείδη (το άθροισμα των γωνιών του τριγώνου είναι 180 ) σε χώρο αχανών αποστάσεων, που σημαίνει ότι το σύμπαν είναι έντονα επίπεδο με επισφάλεια στον ισοσκελισμό της μάζας του 1 προς Η καθιερωμένη θεωρία της ΒΒ δεν δίνει εξήγηση γιατί το σύμπαν ξεκίνησε έτσι ενώ η θεωρία του πληθωρισμού προτείνει ότι ο πληθωρισμός οδήγησε το αυθαίρετα καμπύλο σύμπαν σε μία τέτοια κατάσταση ώστε το σύμπαν που παρατηρείται σήμερα να εμφανίζεται επίπεδο. Όπως όταν ένα μπαλόνι φουσκωθεί πάρα πολύ, μια σταθερή περιοχή στην επιφάνεια του μπαλονιού να προσεγγίζει την επιπεδότητα σε οποιοδήποτε απαιτούμενο βαθμό. Γεγονός επίσης είναι ότι δεν υπάρχει μέχρι τώρα ένδειξη ύπαρξης μαγνητικών μονόπολων (μάζα φορές την μάζα κανονικών σωματιδίων, Dirac 1931 για την κβάντιση του φορτίου) παρά τις πειραματικές αναζητήσεις και την θεωρητική επιχειρηματολογία ότι αυτά τα βαριά σταθερά σωμάτια παρήχθησαν σε αφθονία κατά την ΒΒ. Η θεωρία του πληθωρισμού δείχνει ότι απλώθηκαν σε τόσο λεπτό στρώμα από την έντονη πληθωριστική διαστολή ώστε η υπολογισμένη πυκνότητά τους στο σύμπαν σήμερα να είναι κάτω από το όριο ανίχνευσης. Ν. Μάνθος,

18 Διακυμάνσεις στο CMB- Πληθωρισμός (συνέχεια) Ηχητικά κύματα στο νεαρό σύμπαν Ως αίτιο του πληθωρισμού προτείνεται είναι ένα νέο είδος κβαντικού πεδίου το ίνφλατον το οποίο έχει την δυναμική ενέργεια που απαιτείται για την έντονη διαστολή και δίνει το έναυσμα για παραγωγή ηχητικών κυμάτων στο νεαρό σύμπαν. Επίσης αναπτύχθηκε μια θεωρία που συνδέει το ινφλατον με τις παρατηρούμενες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας της CMB και προτείνει ότι ο πληθωρισμός μεγεθύνει κβαντικές διακυμάνσεις από μεταβολές θερμοκρασίας. Το ινφλατον δίνει το έναυσμα για την δημιουργία ηχητικών κυμάτων με διαφορετικές συχνότητες τον χρόνο s μετά την ΒΒ. Προτείνεται ότι όλα άρχισαν σε φάση και ταλαντώνονταν καθ όλη την διάρκεια της περιόδου από την ΒΒ μέχρι χρόνια μετά από αυτή. Αναμένεται ότι είναι δυνατόν να μετρηθούν πειραματικά η ισχύς της βασικής συχνότητας και των αρμονικών (το φάσμα της ισχύος) αυτών των ακουστικών ταλαντώσεων στο νεαρό σύμπαν με μία διαδικασία παρόμοια με αυτή που χρησιμοποιείται για τον ήχο των μουσικών οργάνων. Στην περίπτωση της CMB μετρήθηκε το μέγεθος των μεταβολών της θερμοκρασίας σε συνάρτηση με το γωνιακό μέγεθος των θερμών και ψυχρών κηλίδων και παρήχθει το φάσμα της ισχύος. Βρέθηκε μία σειρά κορυφών διαφορετικής συχνότητας και ισχύος που συμφωνούν με τις προβλέψεις της θεωρίας του πληθωρισμού επιβεβαιώνοντας την γένεση των ηχητικών κυμάτων (Baryon Acoustic oscillation, BAO) την χρονική στιγμή του πληθωρισμού. Μία άλλη επιτυχία της θεωρίας του πληθωρισμού ήταν η απόδειξη ότι το σύμπαν υπακούει στην Ευκλείδια γεωμετρία. Μετρήθηκε το μήκος κύματος της βασικής συχνότητας στο νεαρό σύμπαν:λ=v/f 0, όπου η συχνότητα f 0 μετρήθηκε, και η v ταχύτητα του ήχου στο πλάσμα που είναι γνωστή και οι δύο πλευρές του τριγώνου που σχηματίζεται από τις τροχιές των φωτονίων CMB που εκπέμπονται από τα δύο αντίθετα άκρα του σύμπαντος και έτσι λογαριάσθηκε το άθροισμα των γωνιών του τριγώνου που βρέθηκε σύμφωνο με 180. Εναλλακτικές θεωρίες αντί του πληθωρισμού: Επιπλέον διαστάσεις Ν. Μάνθος,

19 Διαστελόμενο σύμπαν v = H 0 d + v pec Hubble (199) Hubble Space Telescope (000) Freedman, et al Νόμος του Hubble: ένας παρατηρητής σε οποιοδήποτε σημείο του σύμπαντος θα παρατηρήσει μακρινούς γαλαξίες να απομακρύνονται με ακτινική ταχύτητα ανάλογη της απόστασης τους από αυτόν. Η ακτινική ταχύτητα μακρινών γαλαξιών προσεγγίζει την c σφαιρικός ορίζοντας με s=c/h Αντιβαίνει την ειδική θεωρία της σχετικότητας (v>c) αλλά θεωρώντας ότι ο χώρος διαστέλλεται δεν αντιβαίνει την γενική θεωρία της σχετικότητας. Ν. Μάνθος,

20 Διαστελόμενο σύμπαν Μελλοντικός Ιa Μέτρηση της απόστασης αντικειμένων από τη γή μέσω της φωτεινότητάς τους. Αλλά γαλαξίες που δημιουργήθηκαν -3 Β χρόνια από την ΒΒ έχουν διαφορετική μορφή και μέγεθος από αυτούς που δημιουργήθηκαν 9-14 Β χρόνια από την ΒΒ (πρόσφατους) Ευτυχώς έχουν βρεθεί κάποια συγκεκριμένου τύπου αστέρια που εκρήγνυνται, οι υπερκαινοφανείς Ia που δημιουργούνται μετά την έκρηξη ενός λευκού νάνου και έχουν ίδια χαρακτηριστικά ομογενή φωτεινότητα, κλπ (ανεξάρτητα του χρόνου που δημιουργούνται). Φωτεινότητα Αέριες μάζες απομακρύνονται από ένα γίγαντα και δημιουργούν ένα δακτύλιο συσσώρευσης γύρω από έναν λευκό νάνο (με μάζα <1.38 μάζες ήλιου, στην αντίθετη περίπτωση κατάρρευση) δηλ. ένα αστέρι που τέλειωσε την κανονική του ζωή (πυρην. σύντηξη). ημέρες Με την αύξηση της θερμοκρασίας συνήθως σε λευκούς νάνους C-O γίνεται σύντηξη C και έκλυση μεγάλης ποσότητας ενέργειας Καμπύλες φωτεινότητας υπερκαινοφανούς Ia σε διάφορα Υπερκαινοφανής Ia Ν. Μάνθος, 008 Ζ 0

21 Διαστελόμενο σύμπαν-γενική θεωρία της σχετικότητας Βαρύτητα : F gra Gm m 1 = r ελκτική μεταξύ των m 1, m, G είναι παγκόσμια(νευτώνια) βαρυτική σταθερά=6.67x10-11 Nm kg -, r η απόσταση μεταξύ των m 1, m. Στη γενική θεωρία της σχετικότητας πρόσθετος κοσμολογικός όρος F univ = Λrmc δύναμη απωστική, m η μάζα του απωθούμενου αντικειμένου, Λ σταθερά <10-53 m -. Νόμος του Hubble: υ=η 0 R, όπου Η 0 η σταθερά του Hubble με τρέχουσα τιμή Η 0 = 3 x 10-6 (km/s)/lighty με αβεβαιότητα 5%. Εάν δειγματοληφθούν μεγάλες περιοχές Το σύμπαν είναι ισοτροπικό δηλ. έχει τα ίδια μέσα χαρακτηριστικά όπως πυκνότητα μάζας, συντελεστή διαστολής κλπ, σε οποιαδήποτε κατεύθυνση Το σύμπαν είναι ομογενές δηλ. έχει τα ίδια μέσα χαρακτηριστικά σε οποιαδήποτε θέση. Αποτελούν την κοσμολογική αρχή Ένα τέτοιο σύμπαν ονομάζεται ομοιόμορφο (uniform) και η διαστολή αντιστοιχεί σε διεύρυνση χωρίς διακοπές και χωρίς περιστροφές Ν. Μάνθος, 008 1

22 Διαστελόμενο σύμπαν-γενική θεωρία της σχετικότητας Freidman: Τρία σύμπαντα μπορούν να περιγραφούν με όρους του παγκόσμιου συντελεστή κλίμακας διαστολής α(t): R ( t) = R a( t) 0 Το ανοιχτό σύμπαν έχει λιγότερη μάζα και ενέργεια από αυτή που χρειάζεται για να σταματήσει η διαστολή. Το κλειστό σύμπαν έχει τόση βαρυτική ελκτική μάζα-ενέργεια ώστε η διαστολή σταμάτησε και η κίνηση των γαλαξιών αντιστρέφονται έτσι ώστε το σύμπαν καταρρέει και επιστρέφει στην κατάσταση με α(t)=0 Και τα δύο παραπάνω σύμπαντα ικανοποιούν γεωμετρίες μη Ευκλείδιες. Το επίπεδο σύμπαν, μεταξύ των δύο προηγουμένων έχει ακριβώς την κρίσιμη πυκνότητα μάζας-ενέργειας και η ταχύτητα αλληλο-απομάκρυνσης οποιουδήποτε ζεύγους γαλαξιών τείνει στο μηδέν με τον χρόνο. Το επίπεδο σύμπαν είναι ευκλείδιο. Η εφαπτομένη στην καμπύλη του α(t) στον παρόντα χρόνο t 0 δείχνει την ηλικία του σύμπαντος. Η εφαπτομένη επίσης δείχνει την διαστολή του σύμπαντος στην περίπτωση που δεν υπάρχει βαρύτητα για να κάνει πιο αργή την διαστολή. Η κλίση της είναι: ( da / dt) H ( t 0 ) = a( t ) / τ, t0 0 = a& ( t ) / a( t ), τ = 1/ H 0 όπου τ (χρόνος Hubble) η ηλικία του σύμπαντος στην περίπτωση απουσίας της βαρύτητας 0 Ν. Μάνθος, 008

23 Ν. Μάνθος, Διαστελόμενο σύμπαν- Γενική θεωρία της σχετικότητας όπου R 0 η απόσταση κάποιου απομακρυνόμενου γαλαξία από τη γή σήμερα στον χρόνο t 0 όπου α(t 0 )=1. Με διαφόρηση ως προς t παίρνουμε Η γενική θεωρία της σχετικότητας απαιτεί ο α(t) να ακολουθεί τις εξής διαφορικές εξισώσεις: Εξισώσεις του Friedmann προέρχεται από την αρχή διατήρησης της ενέργειας ~ ο ος νόμος του Νεύτωνα όπου ρ(t) και p είναι η πυκνότητα μάζας και η πίεση(στα αστέρια και στη ΒΒ μεγάλη θετική, στη σκοτεινή ενέργεια αρνητική) του ρευστού Λ η κοσμολογική σταθερά που προτάθηκε από τον Einstein για ένα στατικό σύμπαν και είναι η ενεργειακή πυκνότητα του κενού, αλλά για ιστορικούς λόγους ορίζεται ως Λ=8πρ vac, Κ=1 κλειστό σύμπαν Κ=-1 ανοικτό σύμπαν Κ=0 επίπεδο σύμπαν (Einstein-de Sitter) ) ( ) / ( ) ( / 0 t a t a t H HR a Ra R a R & & & & = = = = = υ ) 3 ( c p G a a a c K G a a H + = Λ + Λ = ρ π ρ π && & Λ + Λ pg c p p G 8 8 π ρ ρ ) 3 ( c p G a a a c K G a a H + = = ρ π ρ π && & ) ( ) ( 0 t R a t R =

24 Διαστελόμενο σύμπαν Παράμετρος επιβράδυνσης δείχνει εάν η διαστολή επιταχύνεται (q<0) ή επιβαδύνεται (q>0) Με απλά μαθηματικά στην περίπτωση του σύμπαντος Einstein-de Sitter τ σύμπαντος =/3Η και 1+ t e : χρόνος εκπομπής της ακτινοβολίας. Παράδειγμα: εάν παρατηρείται η έκρηξη ενός SN με Ζ= κοιτάμε το σύμπαν όταν είχε μέγεθος1/3 του τωρινού και ηλικία το 1/4 της τωρινής ηλικίας Παράμετρος πυκνότητας Ω 0 Z = = ρ = ρ c a( t a( t ) ) t / 3 0 e t e / 3 8πG ρ 3H q = a( a&& / a& ) Όπου ρ c είναι η κρίσημη πυκνότητα για την οποία το σύμπαν είναι επίπεδο Εάν Ω>1 κλειστό σύμπαν Εάν Ω<1 ανοιχτό σύμπαν Εάν Ω=1 επίπεδο σύμπαν, υποστηρίζεται από τα περισσότερα πειραματικά δεδομένα Ν. Μάνθος, 008 4

25 Διαστελόμενο σύμπαν-σκοτεινή ενέργεια Πάλη μεταξύ της ελκτικής βαρυτικής δύναμης της ύλης και της απωστικής δύναμης της σκοτεινής ενέργειας. Η φύση της σκοτεινής ενέργειας ή ενέργειας κενού και η μεταβολή στο χρόνο είναι άγνωστες εκτός από το ότι έχει αρνητική πίεση στις εξισώσεις της γενικής θεωρίας της σχετικότητας και έτσι ενεργεί ως απωστική βαρυτική δύναμη. Αναφορικά με τον όρο 3p ρ + c στη η εξίσωση του Friedmann Για σύνηθες αέριο ό όρος της πυκνότητας μάζας είναι 10 1 φορές μεγαλύτερος από τον όρο της εσωτερικής πίεσης. Για φωτόνια 3 p ρ + = 1/ c ( u + 3p) c p = u / 3 ( ρ + 3p / c ) = u / c όπου u η ενεργειακή πυκνότητα ή ενέργεια/όγκο Επειδή θετικό, δηλ. Τα φωτόνια ασκούν δύναμη που συγκρατεί το σύμπαν. Στη σκοτεινή ύλη p=0 και μόνο ο όρος της πυκ. μάζας συμμετέχει στην ελκτική βαρυτική δύναμη Στη σκοτεινή ενέργεια, p<0 και αρκετά μικρό και κυριαρχεί στους θετικούς όρους Για κβαντικό κενό με ενεργειακή πυκνότητα u qv, p = u qv 1/ c ( u + 3p) = u / c qv Επομένως το κβαντικό κενό παράγει μια ισχυρή απωστική δύναμη όταν η u είναι μεγάλη. Η η εξίσωση του Friedmann δείχνει ότι υπάρχει η σκοτεινή ενέργεια. Ν. Μάνθος, 008 5

26 Διαστελόμενο σύμπαν-σκοτεινή ενέργεια Εάν u de, p de η πυκνότητα ενέργειας και η εσωτερική πίεση της σκοτεινής ενέργειας επειδή παρατηρείται επιταχυνόμενη διαστολή: ρ + 1/ c ( u + 3p ) < 0 p < u de de de de / 3 Διάφορα πρότυπα σκοτεινής ενέργειας προτείνουν διαφορετικές μεταβολές της u de σε συνάρτηση με τον χρόνο, και διαφορετικές p de, όπου u de Οι παρούσες παρατηρήσεις δείχνουν ότι η σκοτεινή ενέργεια υπάρχει και η ενεργός πυκνότητά της u de /c κυριαρχεί στην ελκτική πυκνότητα μάζας του σύμπανος Ω m κατά :1. Η κανονικοποιημένη πυκνότητα σκοτεινής ενέργειας είναι Ω Λ = u de / u c, όπου u c η κρίσιμη πυκνότητα ενέργειας(μάζας). Από την θεωρία του πληθωρισμού Ω Λ + Ω m =1. Υπήρξαν ενδείξεις για την ύπαρξη της σκοτεινής ενέργειας εδώ και αρκετά χρόνια καθώς επίσης για την μεταβολή της από την εποχή της επιβράδυνσης, στην παρούσα εποχή της επιταχυνόμενης διαστολής του σύμπαντος. Το τελευταίο αναμενόταν επειδή η ρ μειώνεται ως 1/α 3 (t) καθώς το σύμπαν διαστέλλετε ενώ ο όρος 3p/c θεωρείται ότι είναι σταθερός ή ότι μειώνεται ελαφρά με τον χρόνο. Η χρονική μεταβολή της σκοτεινής ενέργειας εκφράζεται από την εξάρτηση μιάς αδιάστατης παραμέτρου w ως προς το Ζ dw w = p de Η κοσμολογική σταθερά του Einstein έχει w 0 =-1, dw/dz=0. Η τωρινή τιμή του w είναι -1.06±0.4. Αν παραμείνει περίπου σταθερή ή γίνει περισσότερο αρνητική το σύμπαν θα διαστέλλεται για πάντα. p de u de / u, w( Z) = w + de 0 / 3 dz Ν. Μάνθος, t 0 Z

27 Διαστελόμενο σύμπαν 9By ABB By ABB Παρατηρούμενη φωτεινότητα υπερκαινοφανών (μετάβαση από την τωρινή επιτάχυνση σε προηγούμενη επιβράδυνση στο Ζ=0.5 με Ω M =0.3, Ω Λ =0.7) σε σχέση με την φωτεινότητα που προβλέπεται από τον νόμο του Hubble (Ω M =0, Ω Λ =0). Hubble ASC camera: Παρατήρηση 11.3 μέρες. Αντικείμενα με Ζ=8-1. Το Hubble θα αντικατασταθεί από το James Webb το 011 Ν. Μάνθος, 008 7

28 Διακυμάνσεις στο CMB- Πληθωρισμός Baryon Acoustic Oscillations (BAO) Ν. Μάνθος, 008 8

29 Διαστελόμενο σύμπαν Σύνθεση πυρήνων κατά την μεγάλη έκρηξη Οι ποσότητες των ελαφριών στοιχείων που βρίσκονται στο σύμπαν δημιουργήθηκαν κατά την Πρώτη μισή ώρα μετά την ΒΒ. 1946: G. Gamow et al, λογάριασαν και πρόβλεψαν ότι το 75% της παρατηρούμενης μάζας στο σύμπαν πρέπει να είναι υδρογόνο και το υπόλοιπο 5% ήλιο που παρήχθηκε κατά την ΒΒ που πρέπει να μας δίνει ένα κατάλοιπο ακτινοβολίας μέλανος σώματος 5Κ. Επίσης λογάριασαν τον λόγο νετρονίων προς τα πρωτόνια σαν συνάρτηση με τον χρόνο, αλλά δεν κατάφεραν να δείξουν ότι όλα τα στοιχεία από το Η μέχρι το U παρήχθηκαν κατά την ΒΒ επειδή δεν υπήρχε πυρήνας με Α=5 ώστε να σχηματισθεί πυρήνας με Α=6 και μεγαλύτερα Α. Είναι σήμερα γνωστό και μετρημένο πειραματικά ότι το 98% της παρατηρούμενης μάζας του σύμπαντος είναι Η, Ηe και ίχνη ποσότητας Li που παρήχθηκαν κατά τα πρώτα λεπτά μετά την ΒΒ. Όλα τα βαρύτερα στοιχεία παρήχθησαν ~ 0.3Βy μετά την ΒΒ στο εσωτερικό των άστρων και διαχύθηκαν στο αστρικό μεσοδιάστημα με την έκρηξη υπερκαινοφανών. Αν και το He μπορεί να παραχθεί σε αστέρια, υπολογισμοί (F. Hoyle, R. Taylor, 1964) έδειξαν ότι εάν το He προέρχεται από αστέρια τότε οι γαλαξίες θα ήταν φορές λαμπρότεροι από ότι είναι. Πρόσφατοι ακριβέστεροι υπολογισμοί συμφωνούν με τις πειραματικές μετρήσεις Ν. Μάνθος, 008 9

30 Διαστελόμενο σύμπαν Σύνθεση πυρήνων κατά την μεγάλη έκρηξη N Παρατήρηση, ερωτηματικά B = N = N = N t = 0 B L N / N 0, N / N t = 14By B B B γ L γ 10 Ν. Μάνθος,

31 Διαστελόμενο σύμπαν Δημιουργία δομών μεγάλης κλίμακας. Ο δικός μας γαλαξίας: Milky way με 00Β αστέρια. M84 Δίσκος:rxd:15kpc x 300pc, Εξόγκωμα στον δίσκο: 1 x 4kpc αποτελούμενο από αστέρια 10Βy-ενδείξεις ότι στο κέντρο του υπάρχει μαύρη τρύπα. Στον δίσκο ανήκει το ηλιακό μας σύστημα. Άλως: Περιβάλει τον δίσκο (10Κ-1Μ αστέρια) και θεωρείται ότι αποτελείται κυρίως από σκοτεινή ύλη. Γαλαξίες: σπειροειδείς, ελλειπτικοί, φακοειδείς, ακανόνιστοι. (Humble 195). Γαλαξίες σε συστάδες (clusters). Δικιά μας συστάδα: Milky way, Ανδρομέδα, μεγάλο και μικρό νέφος του Μαγγελάνου κλπ. Κανονικές συστάδες: κεντρική καρδιά και σφαιρική δομή. Πολλοί γαλαξίες μέχρι 1.5Μpc, μέγεθος 1-10 Μpc, μάζα ηλιακές μάζες. Ακανόνιστες συστάδες: χωρίς εμφανές κέντρο αλλά με παρόμοιο μέγεθος αλλά μάζα ηλιακές μάζες. Υπερσυστάδες: αλυσίδες από ~1 συστάδες. Δική μας υπερσυστάδα με κέντρο τον αστερισμό της παρθένου έχει μέγεθος 15 Mpc. Ο μέγας ελκυστής: Συνεκτικές κινήσεις δομών που υπερβαίνουν την κλίμακα των 60 Μpc. Η δικιά μας δομή κινείται με 600Κm/s προς τον μέγα ελκυστή ο οποίος απέχει 45 Mpc και έχει μάζα 5x10 16 ηλιακές μάζες. Κενοί χώροι Μpc, σεντόνια 100 Μpc και νημάτια. Από πολλές μετρήσεις (ύλη που φωτοβολεί, μάζα/φώς σε ελλειπτικούς-σπειροειδείς γαλαξίες και σε συστάδες γαλαξιών) φαίνεται ότι το Ω είναι από σκοτεινή ύλη. Ν. Μάνθος,

32 Διαστελόμενο σύμπαν Δημιουργία δομών μεγάλης κλίμακας. Από τοπικές ατέλειες: κοσμικές χορδές και τοπικές υφές: Όρια περιοχών: διδιάστατα αντικείμενα που προέρχονται από ρήξη διακριτής συμμετρίας σε μεταβολή φάσης. Κοσμικές χορδές: μονοδιάστατα αντικείμενα προερχόμενα από την ρήξη Μονόπολα: Υφές: Δεν έχουν παρατηρηθεί, αλλά έχουν παρατηρηθεί στη συμπυκνωμένη ύλη (όρια περιοχών σε φερομαγνητικά υλικά, χορδές και μονόπολα σε υγρούς κρυστάλους, και αναδίπλωση πρωτεϊνών στη βιοχημεία). πληθωριστικά σενάρια αξονικής ή κυλινδρικής συμμετρίας. Σημειακά αντικείμενα που προέρχονται από την ρήξη σφαιρικής συμμετρίας, είναι πολύ βαρέα και μεταφέρουν μαγνητικό φορτίο. που προέρχονται από την ρήξη μεγάλων και πολύπλοκων ομάδων συμμετρίας. Τα κοσμολογικά πρότυπα ελέγχονται με προσομοιώσεις αναφορικά με την δημιουργία τέτοιων δομών κατά τις μεταβολές φάσης στην εξέλιξη του σύμπαντος. Ν. Μάνθος, 008 3

33 Διαστελόμενο σύμπαν Κρίσιμη πυκνότητα, Ω Μ και σκοτεινή ύλη Η πυρηνική σύνθεση περιλαμβάνει την ισχυρή εξάρτηση των ποσοτήτων των ελαφριών πυρήνων από την πυνότητα των νετρονίων και των πρωτονίων κατά την πυρηνική σύνθεση. Αυτή η πυκνότητα των p, n μπορεί να επεκταθεί μπροστά (στο χρόνο) χρησιμοποιώντας τον συντελεστή διαστολής του σύμπαντος και να υπολογισθεί η κοσμική πυκνότητα μάζας των 31 3 n, p που είναι δύσκολο να μετρηθεί. ρ = ( 3± 1) 10 g / cm n+ p Ω Μ =ρ obs /ρ c, o λόγος της παρατηρούμενες ενεργής πυκνότητας μάζας(πυκνότητα μάζας+πυκνότητα ενέργειας/c ) του σύμπαντος προς την υπολογισμένη κρίσιμη πυκνότητα μάζας του σύμπαντος που απαιτείται για να σταματήσει βαρυτικά η απομάκρυνση ενός γαλαξία από έναν άλλον. Η ρ c 9 3 εξαρτάται από την Η 0 και έχει τιμή ρ = ( 1.1± 0.7) 10 g / cm c πυκνότητα των p, n είναι 1-10% της κρίσιμης πυκνότητας. Η ενεργή βαρυτική μάζα όλων των φωτονίων και όλων των νετρίνων του σύμπαντος προσθέτει στον εν λόγω αριθμό το πολύ 1% Πιστευέται ότι η μεγαλύτερη συμμετοχή στην μάζα του σύμπαντος προέρχεται από την κρύα σκοτεινη ύλη για τη ύπαρξη της οποίας υπάρχουν ενδείξεις από την κίνηση εξωτερικών αστεριών γαλαξιών, την κίνηση συστοιχιών γαλαξιών και από εικόνες γαλαξιών υποβάθρου που δημιουργούνται από βαρυτικούς φακούς (που αποτελούνται από συστοιχίες γαλαξιών). Όλες οι περιπτώσεις δείχνουν άλω (φωτοστέφανο) μή ορατής ύλης, που επεκτείνεται πέρα από την ορατή ύλη στους γαλαξίες, και συνεισφέρει στη μάζα του σύμπαντος 5-10 φορές την πυκνότητα της ορατής μάζας. Με την σκοτεινή ύλη η τρέχουσα Ω Μ είναι ~0.3. Η φύση της σκοτεινής ύλης δεν είναι γνωστή αλλά δεν αποτελείται από σωμάτια του καθιερωμένου προτύπου. Πολύ πιθανό να αποτελείται από σταθερά βαρέα αργοκίνητα εξωτικά σωμάτια που δημιουργήθηκαν στις πρώτες στιγμές από την ΒΒ (πιθανόν υπερσυμμετρικά όπως το ουδετεραλίνο, σε κάποια πρότυπα το ελαφρύτερο υπερσυμετρικό σωματίδιο που αλληλεπιδρά με την ύλη ασθενώς) Ν. Μάνθος,

34 Διαστελόμενο σύμπαν - ΛCDM Σκοτεινή ύλη Σκοτεινή ενέργεια Σπόροι παραγωγής διακυμάνσεων (πληθωρισμός) Παραγωγή λεπτονίων βαρυονίων EdS Ν. Μάνθος,

35 Διαστελόμενο σύμπαν Πρότυπο Λ-CDM (πρόσθεση της Λ στο καθιερωμένο κοσμολογικό πρότυπο, μετρική Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker, FLRW) Ω Λ 0.7 7% της ενέργειας είναι σκοτεινή ενέργεια Κρύα σκοτεινή ύλη δηλ. όχι θερμή, μη βαρυονική, μη συγκρουόμενη σκόνη 3% 5% «φυσιολογική» ύλη Το νεαρό σύμπαν 380Κχρόνια από την ΒΒ (WMAP) Ν. Μάνθος,

36 Διαστελόμενο σύμπαν Ο κεντρικός ρόλος του άνθρακα στη γή. Οι πυρήνες του άνθρακα συντίθενται στα άστρα ως αποτέλεσμα της ταυτόχρονης συνένωσης 4 3 πυρήνων Heκαι έτσι μία τέτοια σύγκρουση θα ήταν αρκετά σπάνια. Αλλά έχει σχέση με 4 8 την εξής ιδιότητα: Η ένωση δύο πυρήνων He σχηματίζει έναν ασταθή πυρήνα Be Η 4 4 πιθανότητα να γίνει συγχώνευση ενός 3ου πυρήνα He 8 πριν την διάσπαση του εξαρτάται 4 Be 4 απο την ενέργεια του πυρήνα του He. Εάν η ενέργεια (συχνότητα κβαντικού κύματος) ταιριάζει 8 με την εσωτερική συχνότητα του συστήματος του πυρήνα του Be (πυρηνικός συντονισμός) 4 τότε η ενεργός διατομή για την σύλληψη του 3ου πυρήνα είναι μεγάλη. Κατά τύχη η θερμική ενέργεια των πυρηνικών συστατικών ενός άστρου είναι εκεί όπου εντοπίζεται ένας συντονισμός 1 στον C. 6 1 Επι πλέον ο C πρέπει να επιζήσει και μετά την δημιουργία του καθόσον μία περαιτέρω 6 4 σύγκρουση με ένα 4ο πυρήνα He παράγει 16 O. Αλλά ένας συντονισμός του 16 O βρίσκεται κατά πολύ χαμηλότερα από από την θερμική ενέργεια του και έτσι ο άνθρακας επιβιώνει. He Ν. Μάνθος,

37 Διαστελόμενο σύμπαν-wmap.749κ.751κ Ν. Μάνθος,

38 Πρόσφατες μετρησεις-αποτελέσματα Μετρητικές συσκευές-πειράματα Wilkinson microwave anisotropy probe (WMAP) Supernova legacy survey (SNLS), canadian-france-hawaii telesc. Hubble telescope (HST) Sloan digital sky survey (SDSS), new mexico (BAO) degree field galaxy redshift survey(dfgrs), Αυστραλία (BAO) Πρότυπο Λ-CDM, WMAP (008)+ΒΑΟ(SDSS)+ SN Ηλικία του σύμπαντος t 0 =13.73±0.1 Gyr Η 0 =70.1 ± 1.3km/s /Mpc Ω B =0.046±0.000 Ω c =0.3±0.01 Ω Λ =0.7±0.01 Ω ν h <0.006 T dec =375.9±3.1 Kyr μετά την ΒΒ σε μετατόπιση στο ερυθρό z dec =1091 ±0.7 ΣM ν < 0.61eV, N ν = 4.4± 1.5 Πυκνότητα νετρίνων Ω Β h <0.065 Ολική ενέργεια μάζας Ω 0 =1.005 ±0.006 (Επίπεδο σύμπαν) Δηλαδή, 4.6% βαρυονική ύλη,3% ψυχρή σκοτεινή ύλη, 7% σκοτεινή ενέργεια. Ν. Μάνθος,

39 Κοσμολογία φυσική στοιχειωδών σωματίων-προβλήματα Τα δεδομένα ενός γεγονότος-αποτέλεσμα της σύγκρουσης δύο σωματίων σε ένα επιταχυντή είναι σημαντικά στην κατανόηση της φυσικής στο νεαρό σύμπαν και ίσως το κλειδί για την κατανόηση του νεαρού σύμπαντος είναι η εξεύρεση μιάς θεωρίας ενοποίησης της κβαντομηχανικής με την βαρύτητα. Πολλά ερωτήματα αναπάντητα. Ο μεγαλύτερος προβληματισμός αναφέρεται στην φύση και το παρατηρούμενο μέγεθος της σκοτεινής ενέργειας που περιγράφεται από την Ω Λ. Φαίνεται με τις σημερινές παρατηρήσεις ότι η πυκνότητα της σκοτεινής ύλης είναι ακριβέστατα ρυθμισμένη ώστε μετά βίας κυριαρχεί στην ελκτική πυκνότητα μάζας του σύμπαντος, επιτρέποντας να δημιουργούνται αστέρια, γαλαξίες, πλανήτες και άνθρωποι. Το ερώτημα είναι γιατί είναι τόσο μικρή. Σύμφωνα με το καθιερωμένο πρότυπο το κβαντικό κενό πρέπει να είναι θερμό με πεδία και εν δυνάμει σωμάτια που εισέρχονται και εξαφανίζονται. Όλη η αντίστοιχη ενέργεια και ορμή αυτών των πεδίων και σωματίων θα έπρεπε να παράγει τεράστια αρνητική πίεση ή απωθητική βαρύτητα γεγονός που οδηγεί σε πυκνότητα σκοτεινής ενέργειας της τάξεως φορές μεγαλύτερη από αυτή που παρατηρείται. Ν. Μάνθος,

40 Ανακεφαλαίωση Εάν η θεωρία του πληθωρισμού είναι σωστή, επειδή τα φωτεινά αστέρια και οι γαλαξίες συμμετέχουν μόνο στο 0.5% της πυκνότητας τότε το 99% του σύμπαντος είναι σκοτεινή ύλη που αποτελείται από κάποια άγνωστα σωμάτια. Υπάρχουν υποψήφια σωμάτια όπως τα νετρίνα, αλλά είναι σχετικιστικά (δηλ. θερμή σκοτεινή ύλη) και επομένως ακυρώνουν έντονες διακυμάνσεις σε μικρές κλίμακες. Επομένως σε ένα σύμπαν κυριαρχούμενο από νετρίνα αν υπάρχουν διακυμάνσεις θα είναι μεγάλης κλίμακας. Έτσι ποτέ δεν θα ήταν δυνατή η δημιουργία γαλαξιών. Δομές μεγάλης κλίμακας (κατανομές γαλαξιών) είναι δύσκολο να κατανοηθούν αναφορικά με την ομογένεια του υποβάθρου μικροκυμάτων επειδή υπάρχει μεγάλη ενέργεια σε αυτές τις κατανομές. Προτείνεται ότι η επιπλέον ενέργεια είναι ένα μείγμα θερμής σκοτεινής ύλης για την ενέργεια στις μεγάλες κλίμακες και κρύας σκοτεινής ύλης (wimps, axions, photinos, susy particles) που θα λειτουργεί ως σπόρος στην δημιουργία των γαλαξιών. Κανένα όμως πρότυπο βασιζόμενο σε αυτή τη λύση δεν συμφωνεί με τα δεδομένα εάν χρησιμοποιηθεί η κρίσιμη πυκνότητα μάζας του σύμπαντος. Έτσι για να ισχύει η θεωρία του πληθωρισμού με το γεγονός ότι το σύμπαν είναι επίπεδο απαιτείται η επανεισαγωγή της κοσμολογικής σταθεράς του Einstein ώστε το σύμπαν να έχει ενέργεια κενού (αρνητική πίεση) και την τρέχουσα περίοδο επιταχύνεται. Τέλος, εάν η σκοτεινή ύλη είναι κάτι πράγματι νέο, πιθανόν να αλληλεπιδρά με τον εαυτό της με κάποια δύναμη μεγάλης εμβέλειας (ελκτική ή απωστική) Ν. Μάνθος,