Mysteries van de Oerknal: Mysteries van de Oerknal: problemen en oplossingen, John Heise, 19 juli 2019 Wat was er vóór de Oerknal? waarom overal hetzelfde? vroeger verboden vraag) homogeen en isotroop waarom begint Oerknal overal tegelijk? problemen en oplossingen Wat was er vóór de Oerknal? waarom overal hetzelfde? vroeger verboden vraag) homogeen en isotroop waarom begint Oerknal overal tegelijk? (horizon-probleem) waarom is het heelal ruimtelijk vlak? (horizon-probleem) waarom is het heelal ruimtelijk vlak? (bij willekeurig begin, kans daarop miniem) antwoord: Eeuwige inflatie! (bij willekeurig begin, kans daarop miniem) antwoord: Eeuwige inflatie! John Heise, onze Oerknal is één van deze bellen SRON, Utrecht HOVO-19 Juli 2019 de Gloed van de Oerknal De hete oerknal de kosmische achtergrondstraling het heelal dijt uit en koelt daarbij af vroeger was het dus heet bij grote materiedichtheid De meeste fotonen uit het heelal komen niet van sterren, maar zijn afkomstig van de Kosmische achtergrondstraling niet roodgloeiend (3000 graden) (6000 graden; zon) niet witgloeiend niet blauwgloeiend (10000 graden; hete sterren) niet ultravioletgloeiend (100000 graden) niet röntgengloeiend (10 miljoen graden) maar gammastraling-gloeiend (vele miljarden graden) de gloed van de oerknal zien we nog steeds en vormt het beste bewijs voor de oerknal-theorie (ontstaan van structuur) en het ontstaan van de oerknal (Inflatie-theorie) (microgolfstraling: golflengte 1mm tot 1 cm, magnetron) Eerst even leren kaartlezen: kaart van een bol met handige projectie Een (bijna) perfect heelal overal dezelfde temperatuur 2.728 graden! het heelal begon in alle richtingen hetzelfde (isotroop) Overal dezelfde temperatuur van 2.731 K geen drukverschillen? dan GEEN GELUID ("Oerknal" niet letterlijk nemen) hemelkaart van de temperaturen in kleur 3.6 graad 1
Één van de pijlers in het bewijs voor de Inflatie+oerknal-theorie een explosie wordt gekenmerkt door drukverschillen en temperatuursverschillen Overal dezelfde temperatuur die zijn er niet! van 2.731 K Oerknal geen explosie IN de ruimte, maar uitdijing van de ruimte! symmetrische gaaf heelal! toch structuur ontstaan? door kleine afwijking van de symmetrie en een zwaartekracht-instabiliteit iets hogere dichtheid ("zaailing") dan iets sterkere zwaartekracht trekt meer materie naar die locatie vergroting materiedichtheid dus op zoek naar kleine afwijkingen van volmaakte symmetrie! afwijkingen van de kleurtemperatuur t.o.v. gemiddelde (nu 1 op 100 000) (temperatuursverschillen van 1/100000ste graad) afwijkingen van de kleurtemperatuur t.o.v. gemiddelde (nu 1 op 100 000) COBE satelliet, Cosmic Background Explorer COBE Cosmic Background Explorer WMAP satelliet, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe COBE Cosmic Background Explorer afwijkingen van de kleurtemperatuur t.o.v. gemiddelde Achtergrondstraling te zien na verwijderen van de voorgrond Planck satelliet, metingen 2009-2012 (European Planck Satellite) 2
Hoofdproblemen met de Oerknal 1. Fine-tuning: begin-voorwaarden speciaal extreem kleine afwijking van kritische dichtheid in het begin, levert een heel ander heelal op Inflatie theorie Inflatie-theorie: vlak voor de Oerknal onderging het heelal een extreem korte periode van extreme expansie Inflatie-theorie lost veel problemen van de Oerknal-theorie op en verklaart hoe het hele universum uit bijna niets zou kunnen ontstaan antwoord blijkt te zijn: inflatie! Wat was er vóór de Oerknal? Wat was er vóór de Oerknal? Kosmische inflatie Schaalfactor heelal Oneindige dichtheid Oerknal stralingstijdperk ontkoppeling Huidige leeftijd Schaalfactor heelal Inflatieperiode Inflatiemodel Inflatiemodel materietijdperk leeg heelal Oerknal Huidige leeftijd Tijd sinds de Oerknal (in s) Tijd sinds de Oerknal (in s) Inflatie, de oorzaak van de Big Bang vlakheidsprobleem opgelost door inflatie eerst inflatie: exponentiële uitdijing (de Sitter heelal) daarna de gewone uitdijing tijd 3
Hoofdproblemen met de Oerknal 2. Horizon-probleem Hoe kan het heelal in alle richtingen waarvoor geen onderlinge communicatie mogelijk is, toch tegelijk ontstaan zijn en er hetzelfde uitzien? antwoord: een gemeenschappelijke oorsprong! namelijk de pre-inflatie periode! tijd tijdruimte bij horizonprobleem (probleem steeds groter op vroege tijden) B lichtsnelheid A ruimte horizon B horizon A Voorbeeld horizon-probleem Zet iedereen in deze zaal plotseling op 1000 lichtjaar afstand in allemaal verschillende richtingen onderlinge communicatie is dan traag een latere onderzoeker ontdekt dat iedereen volgens dezelfde mode van 2019 gekleed is, zonder onderlinge communicatie 1000 lichtjaar Hoofdproblemen met de Oerknal 3. de afwijking van volmaakte isotropie kwantum-fluctuaties in de "Oersoep" Hoe kan dat? Dat kan alleen als iedereen oorspronkelijk bij elkaar zat. Dat model heet INFLATIE-MODEL Oorzaak van de (kleine) anisotropie (korreligheid) De verdeling van de "zaailingen" van de eerste verstoringen in de dichtheid komen uit de "oerwereld" vlak vóór inflatie Afwijkingen van gelijkmatige verdeling moet afkomstig zijn uit de periode voor de inflatie (tot de eerste 10-32 s) kwantumfluktuaties opgeblazen, vergoot en versterkt door de inflatie ze zijn "schaal-invariant": alle onderlinge afstanden (golflengtes) komen gelijk voor Inflatie heeft een kenmerkende eigenschap: onderdrukt de grotere afstanden: "bijna schaal-invariant" Planck-resultaat: deze inflatie-eigenschap (de "zaailingen') is Mysteries nu Oerknal definitief 19-7-2019 aangetoond WMAP 2003 4
Baryon Acoustische Oscillaties (BAO's) de drukgolf (geluidsgolf ) komt tot stilstand en dijt uit door de expansie van het heelal gelijkmatig met kleine fluctuaties Korte geschiedenis van het heelal fluctuatie-versterker Vergrootte kans op vorming sterrenstelsels fractie van een seconde 380000 jaar kosmische achtergrond straling eerste sterren NU 200 miljoen jaar 3.8 miljard jaar geleden 5.5 miljard jaar geleden 13.8 miljard jaar geleden WMAP 2003 13.7 miljard jaar (Graphics from Gary Hinshaw/WMAP team) Inflatie, de oorzaak van de oerknal Oplossing van oerknal-problemen: Er was eerst een nog grotere klap, de inflatie Kosmologie Het inflatie-universum Het allerkleinst denkbare Planck-lengte Planck-massa Tekening:Roeland van Oss Het inflatie-universum bij niet-homogeen begin 100 verdubbelingen 5
toch homogeen binnen de horizon Problemen van de Oerknal opgelost door inflatie: de singulariteit (oneindige dichtheid) is opgeheven: nu eindig begin waarom homogeen en isotroop? (oorspronkelijke samenstelling is onbelangrijk geworden) geen fossielen uit het allerheetste oersoep-periode? (extreem verdund!) horizonprobleem van de oerknal opgelost (alles heeft een gemeenschappelijke oorzaak) vlakheidsprobleem opgelost (grote bol lijkt vlak op klein stukje horizon) vele sugegsties: -Higgs-veld -vals vacuum (bubble collision) -chaotic inflation -slow role inflation -meer dan 1 inflatieveld Wat maakt dat het heelal zich opblaast in de inflatieperiode? Onbekend! dus: een nieuwe kracht (zgn. scalair veld) in de Einsteinveldvergelijking (energie-inhoud bepaalt de expansie) ì.h.a. vereist: Scalaire Velden geen ingebouwde richting zoals een vector-veld als Elektriciteit in ieder punt van de ruimte één waarde enige voorbeeld: een Higgs-veld het heelal is doordrongen van een Higgs-veld zo ook van een inflatie-veld (mogelijk: inflatie-veld = Higgs-veld) Logica van Inflatie hoge potentiaal Φ van inflatie-veld een inflatieveld met in het begin hoge potentiaal Φ (hoge energiedichtheid), (bv door kwantum-fluktuatie) Hubble-parameter H hoog Hubble-parameter H is evenredig met Φ, H dus hoog extreme expansie ~ (de Sitter heelal) door "Hubble-wrijving" blijft H hoog langdurige expansie daardoor kunnen meer dan 100 verdubbelingen in de expansie optreden Tenslotte continueert de expansie als Big Bang (veel kleinere H) bv willekeurig inflatieveld, nu in een minimum Φ in ieder punt van de ruimte, neemt af tot nul nu Oersoep = tijdruimte-schuim, hoge Φ geeft "eeuwige inflatie" grote fluctuatie: inflatie-periode "mislukte universa" kleine fluctuatie: zaailingen struktuur (nu te zien) 6
Multiversum? als we weten hoe alles begonnen is: geen gekke gedachte dat dat proces elders nog eens plaatsgevonden heeft Het Multiversum De gedachte dat de wereld bestaat uit heel verschillende delen met volkomen verschillende eigenschappen dus ons universum is er één uit vele populair geworden door het succes van inflatie-theorie als oorzaak van de Oerknal eiland-universa: multiversum synopsis: struktuur (sterren, wij) ontstaat uit kwantum-fluctuaties, opgeblazen door extreme uitdijing, waarna de zwaartekracht samenbalt Kunnen we een interactie zien (botsing van twee universa)? zeer grote fluctuaties (zeldzaam) leiden tot lokaal versterkte expansie, "mislukte oerknallen" extreem grote fluctuaties (extreem zeldzaam ) leiden tot een oerknal zoals de onze Botsingkoers met ander universum te zien in Kosmische Achtergrondstraling 7
Hoe zie je een bubbelbotsing in de kosmische achtergrondstraling Als een plek met een struktuur groter dan de 'korrels' (groter dan ong 1 graad) in deze simulatie zoals linksboven, rechtsboven samen met de echte achtergrondstraling Anomalieën/onbegrepen zaken in de Kosmische Achtergrond Straling Er zijn dingen die niet kloppen. Verhit debat. drie groepen: 1. schouders ophalen, zo is het nu eenmaal, we zien het heelal maar vanuit één kant (Kosmische Variantie) 10 miljard lichtjaar verderop is t anders 2. beter kijken mogelijk "voorgrond probleem" zelfde als in WMAP, er zit iets dat we niet zien 3. slapeloze nachten Fundamenteel onbegrip: aanwijzing nieuwe fysika? linksonder, rechtsonder zijn analyse-technieken om ze op te sporen Anomalieën 1. geen isotropie Noordelijk en zuidelijk halfrond (t.o.v. ecliptica) zijn niet hetzelfde met een statische afwijking van 1 op 100 ; Kosmische variantie? Anomalieën 1. de asymmetrie overdreven weergave van het probleem: ecliptica extra warm extra koud koudste plek Anomalieën 3. extreem grote koude plek Van 10 volle manen manen (ong. 1 o ) in sterrenbeeld Eridanus. Anomalieën extreem grote koude plek in de achtergrond Van 10 volle manen manen (ong. 5 o ) in sterrenbeeld Eridanus. 4 o 4 o de koudste plek som van 50 voids de koudste plek in het heelal som van 50 voids NB alles wat buiten 2 volle manen (ong. 1 o ) ligt, kan niet één geheel vormen (ligt buiten horizon van het heelal op de leeftijd van 380000 jaar) Misschien een "supervoid" (superholte) op afstand 6 miljard lichtjaar, z = 1? Zou dan de grootste structuur in het heelal zijn, groter dan kan bestaan NB alles wat buiten 2 volle manen (ong. 1 o ) ligt, kan niet één geheel vormen (ligt buiten horizon van het heelal op de leeftijd van 380000 jaar) Misschien een "supervoid" (superholte) op afstand 6 miljard lichtjaar, z = 1? Zou dan de grootste structuur in het heelal zijn, groter dan kan bestaan misschien een botsend universum? 8
relatie mens-kosmos (fine tuning, Goudlokje-positie) volgende reacties mogelijk: niet toevallig, maar zo is het nu eenmaal het Multiversum-idee Iedere wereld heeft zijn eigen natuurconstanten want als het anders was, waren we er niet geweest (afhankelijke waarschijnlijkheden) welwillende goddelijke voorzienigheid zo is het ontworpen (evolutie met een bedoeling, bijv. de mens of minder antropocentrisch: complexe vormen)) Martin Rees en anderen: de meesten leven kort en laten geen complexe biologie toe wij hebben daardoor automatisch de Goldilockpositie wij zitten in een speciaal universum, onderdeel van een Multiversum Eefde 17-11-2016 Einde Toch aardig als u de volgende keer naar de sterrenhemel kijkt: die leegheid en weidsheid, die sterren die sterrenstelsels, het bestaat allemaal omdat u bestaat omdat een multiversum alle mogelijkheden toelaat 9