Oerknal kosmologie 1

Transcriptie

1 Inleiding Astrofysica Paul van der Werf Sterrewacht Leiden Evolutie van massa dichtheid vroeger M ρ λ = = = = + M ρ λ ( 1 z) Evolutie van fotonen dichtheid E hν = = 1+ z E hν E c 2 ρ = = + ρ E c 2 4 ( 1 z) vroeger Inleiding astrofysica 2 Inleiding astrofysica Materie of stralings dominantie Achtergrond straling Temperatuur van het heelal log ρ straling domineert materie domineert log (1+z) ρ m ρ γ ρ ( ) m 1 + z γ ( 1 z) 4 ρ + Het vroege heelal wordt dus gedomineerd door straling (fotonen). Kunnen we deze straling zien? Microgolf achtergrond straling ontdekt in 1964 (Penzias & Wilson, Nobel Prijs in 1978). Beste zwart-lichaams spectrum dat in de natuur aanwezig is ( T / T < 1 5 ) 1% van de ruis van je T is afkomstig van de Big Bang! T = ±.5 K Stephan-Boltzmann wet dus c E T 4 2 ρ T 4 γ ρ γ 1+ z we hadden al ( ) 4 ( ) log Τ dus T 1+ z log 1+z we kijken terug naar een heet heelal hete oerknal model Inleiding astrofysica 4 Inleiding astrofysica 5 Inleiding astrofysica 6 Oerknal kosmologie 1

2 Afkoeling van het heelal Wet van Wien: λ max T 1 Nu: T ~ 2.7 K roege heelal: zeer heet Oerknal model Tot midden jaren 6: oerknal model zeer controversieel, allerlei alternatieve theoriëen Namidden jaren 6: oerknal model algemeen geaccepteerd vier pijlers waar het oerknalmodel op rust: Hubble wet microgolf achtergrond straling oorsprong van de lichte elementen oorsprong van structuur in het heelal Georgy Gamov ( ) als het heelal uitzet, dan is er een oerknal geweest het vroege heelal wordt gedomineerd door fotonen het vroege heelal was heet het (door roodverschuiving) koelere nagloeien hiervan moet nog zichtbaar zijn voorspelling (uit 1948) grotendeels genegeerd totdat Peebles en Dicke (in Princeton) besloten naar de achtergrondstraling te zoeken in het radio gebied Inleiding astrofysica 7 Inleiding astrofysica 8 Inleiding astrofysica 9 Penzias and Wilson 1965 meanwhileat Bell labs gebruikten Penzias & Wilson eensatelliet schotel om radio straling van de Melkweg te meten ze vondenextra signaal, uniform over de hemel contact met Dicke & Peebles gaf de verklaring: ontdekking van de achtergrond straling belangrijkste kosmologische waarneming sinds ontdekking van de Hubble wet Nobel prijs voor natuurkunde1978 voor Penzias & Wilson Inleiding astrofysica 1 Oerknal cleosynthese In het zeer vroege heelal (hoge n, T) zijn de fysische omstandigheden hetzelfde als in de kern van een ster fusie van H tot He voorspeld door Alpher, Bethe & Gamov (1948) verklaart waarom de kosmische 4 He massa fractie ~2% is tevens Li, D, He geen zwaardere elementen (want geen stabiele kernen met 5 tot 8 cleonen) He vormt na miten eerder te heet voor 4 He kernen om te overleven later te koel voor H-fusie Dichtheid in baryonen (protonen en neutronen) in deze periode bepaalt resulterende He/H verhouding Inleiding astrofysica 11 Het heelal na miten Resultaat: abondanties vand,he en Li consistent He vormt na miten maar: vereist dat voor baryonen ("gewone" materie): Ω b ~.4 maar we hadden gezien dat voor de donkere materie Ω ~. dus de donkere materie kan niet uit baryonen ("gewone" materie) bestaan Inleiding astrofysica 12 Oerknal kosmologie 2

3 Hoe doorzichtig is het heelal? De aarde beweegt ten opzichte van de kosmische achtergrond De aarde beweegt ten opzichte van de kosmische achtergrond Bij z= is het heelal vrij transparant. Bij hogere roodverschuiving z, wordt het heelal dichter (ρ = ρ (1+z) ) enheter (T=T (1+z)). Bij z=189 wordt het heelal zo dicht dathet ondoorzichtig wordt. de achtergrond straling is afkomstig van z=189; het heelal is dan ~79 jaaroud;het heelal is dan voldoende afgekoeld dat atomen kunnen ontstaan hetgeen (verwarrend!) recombinatie genoemd wordt. beweging van aarde rond zon beweging van zon in Melkweg beweging van Melkweg ten opzichte van Hubble stroming Na aftrekking: emissie van de Melkweg Inleiding astrofysica 1 Inleiding astrofysica 14 Inleiding astrofysica 15 De aarde beweegt ten opzichte van de kosmische achtergrond Na aftrekking: emissie van de Melkweg Na aftrekking: het heelal bij z ~ 179: fluctuaties in de achtergrondstraling Hieruit ontstaat alle structuur in het heelal Maar waar komen de fluctuaties vandaan? Kosmologische problemen Horizon probleem: waarom is de achtergrond straling zo glad? lakheids probleem: waaromis Ω ~ 1? Structuur probleem: waar komen de fluctuaties in de achtergrond straling vandaan? Probleem 1: het horizon probleem Achtergrond straling laat heelal zien op leeftijd 79 jaar alleen causaal verband tussen stukken ter grootte van < 79 lichtjaar Zulke stukken strekken zich uit over minder dan 1ºaan de hemel Waarom is deachtergrond straling zo glad op schalen van groter dan 1º als die gebieden niet van elkaar weten? Inleiding astrofysica 16 Inleiding astrofysica 17 Inleiding astrofysica 18 Oerknal kosmologie

4 Probleem 2: het vlakheids probleem Waarom is de geometrie van het heelal vlak (oftewel Ω tot = 1)? Probleem : Structuur probleem Inflatie model Inflatie (A. Guth 198): kort na de oerknal ondergaat het heelal een periode van snelle (exponentiële) uitdijing; deze uitdijing werd aangedreven door een term die dezelfde rol speelt als de kosmologische constante, en die het gevolg is van de vacuum energie. Waarom lost dat de problemen op? Waar komen de fluctuaties in de achtergrond straling vandaan? Inleiding astrofysica 19 Inleiding astrofysica 2 Inleiding astrofysica 21 Inflatie en het horizon probleem Inflatie en het vlakheids probleem Inflatie en het structuur probleem voor inflatie: kwantum fluctuaties inflatie: vergrootkwantum fluctuatiestot macroscopischeschalen nainflatie: macroscopische fluctuaties (zoals waargenomen in de achtergrond straling) vormen het begin van kosmische structuur Inleiding astrofysica 22 Inleiding astrofysica 2 Inleiding astrofysica 24 Oerknal kosmologie 4

5 Oorsprong van het heelal Er is geen goede theorie voor de oorsprong van de oerknal speculatie bv: heelal begon als toevallige kwantum fluctuatie ontstond uit het niets totale energie moet zijn vroeg heelal had nog geen "tijd" als dimensie: er is geen "voordat" meerdere fluctuaties? meerdere (niet causaal verbonden) heelallen? met verschillende natuurconstanten? leven ontstaat alleen daar waar de omstandigheden juist zijn (anthropisch principe)? Inleiding astrofysica 25 Het anthropisch principe Hetanthropischprincipe zegt dat het heelal zo moet zijn dat het ons kan voortbrengen. bv: bestaan van leven hangt sterk af van de aanwezigheid van koolstof Als de sterke kernkracht een beetje anders was geweest, zou er geen koolstof gevormd zijn, Waarom is de sterke kernkracht zo sterk als hij is? Anthropischprincipe als hij anders was geweest, hadden we die vraag niet kunnen stellen Inleiding astrofysica 26 Problemen van de kosmologie Wat is dedonkerematerie? Wat is dedonkere energie/kosmologische constante? Waarom is er veel meer materie dan antimaterie? Hoe verenigen we kwantum fysica en kosmologie? oplossing singulariteiten probleem vacuum energie en kosmologische constante: factor 1 14 tussen Λ zoals waargenomen door astronomen en voorspeld door fysici Inleiding astrofysica 27 Oerknal kosmologie 5