R - ITME

Wielki Wybuch
początek wszystkiego?
Piotr Decowski
Smith College
23 Luty 2011

Nieskończony i wieczny
Wszechświat
2R
Wszechświat musi być
V ~ R 3
albo skończony
albo musi mieć początek R L ~ 1/R 2
albo i jedno i drugie
całkowite L ~ R 3 /R 2 = R
nieskończenie jasne niebo!

Wszechświat
współczesny

Wykres Hubble’a
Velocity–distance relation among extra-galactic nebulae.
Wszechświat się rozszerza!
Kirshner R P PNAS 2004;101:8-13

Widzialny Wszechświat

Nowe dane z supernowych
gwiazd
Ω =
ρ
ρ crit
Najlepsze
dopasowanie
ρ crit
= 9.2 ∗10 −27 kg/m 3
Odpowiednik 5.5 protonów/m 3
Wszechświat się rozszerza coraz szybciej

Opis rozszerzania
Czynnik skali: a(t) [a=1 dziś]
λ obs
λ em
=1+ z =
1
a(t em
)
definicja “przesunięcia
do czerwieni” z
Zatem:
dz
dt = − 1 a 2
Ý a
dt = − a2 a Ý
dz = −
dz
H(z)(1+ z)
gdzie:
a
H = Ý
a
teraz
stała Hubble’a H 0 = 100 h km/s/Mpc
h = 0.7 bezwymiarowy parametr
Hubble’a

Opis rozszerzania cd.
Z ogólnej teorii względności:
całkowita gęstość (materia, promieniowanie,
ciemna energia)
gęstość energii próżni
⎛
H 2 = ⎜ a Ý ⎞ ⎟
⎝ a⎠
2
= 8πGρ − k 3 a + 8πGρ vac
2 3
stała kosmologiczna
krzywizna przestrzeni
Dla każdej formy energii (materia, promieniowanie, ciemna energia):
dE = −pdV d(a 3 ρ i
) = −p i
d(a 3 )
Wprowadźmy definicję:
w i
= ρ i
p i
d(a 3 ρ i
) = − ρ i
w i
d (a 3 )

Opis rozszerzania cd.cd.
Rozwiązanie równania: ρ (z) ~ (1 + z) 3(1+ w i )
Materia (bariony, ciemna materia): w M
= 0,ρ M
~ (1+ z) 3
Promieniowanie:
Ciemna energia:
w R
=1/3,ρ R
~ (1+ z) 4
w DE
= −1,ρ DE
= const
ujemne ciśnienie!
w = ρ p
dE = −pdV = ρdV

Jak rozumieć ujemne
ciśnienie?
Wyciągnięcie tłoka
wymaga pracy,
jak to jest możliwe,
że ciemna energia
powoduje rozszerzanie?
W ogólnej teorii wyględności pole grawitacyjne
spowalniające rozszerzanie Wszechświata
jest proporcjonalne do: ρ + 3p
Dla ciemnej energii: −2ρ Odpychająca grawitacja!!!

Ewolucja gęstości
epoka promieniowania
epoka materii
epoka ciemnej energii

Ekstrapolacja do początku
W < -0.3 oznacza przyspieszoną
ekspansję

Przyszłość

Skąd się bierze ciemna
energia?
Energia próżni w postaci wirtualnych cząstek?
Obliczenie: wynik 10 120 za duży!!!
???

Rotacja galaktyk
We Wszechświecie jest znacznie więcej materii
niż wynika z oszacowań ilości materii nam znanej
Ciemna materia

Obserwacja ciemnej materii
Widzialna materia
Ciemna materia
oszcowana z
ogniskowania
grawitacyjnego

Mikrofalowe Kosmiczne Tło
(CMB)
T=2.725 K

Struktura Mikrofalowego
Kosmicznego Tła (CMB)
η = n B
= (6.14 ± 0.25) ∗10 −10
n γ

Parametry kosmologiczne

Nukleosynteza

Nukleosynteza, cd.
4%

Kompozycja Wszechświata
Widzialny Wszechświat:
???
???
w = −1.05 ± 0.13(stat) ± 0.09(sys)
3 - 100x10 22 gwiazd
w 80-ciu miliardach
galaktyk tworzących
gromady i supergromady
0.5%
Wiek: 13.8 ± 0.2Gyr

Problem
Skąd się wziął nadmiar materii
w stosunku do antymateriii?
Konieczne jest spełnienie 3 warunków (Sacharow)
Niezachowanie liczby barionowej
Brak równowagi termodynamicznej
Złamanie symetrii C i CP
Nie wiemy jak to się dzieje

Inne Problemy
Problem horyzontu
Problem płaskości (k=0, gęstość krytyczna)
Rozwiązanie: INFLACJA

Inflacja
Kwantowe fluktuacje

Rozwój Wszechświata

Niejednorodność

Historia Wszechświata

Historia cd.

Wielki Wybuch
początek wszystkiego?
Czyżby?
Wielki Wybuch - stan o bardzo małej entropii
P = e S
S ~ 1 Λ
Λ ~ 10 16 GeV
P ~ (10 10123 ) −1
Multiwszechświat?