Maailmankaikkeuden muodonmuutoksia Syksy Räsänen Luonnonfilosofian seuran seminaari, Helsinki, 2. päivä marraskuuta 2010

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 10-1…10-2 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 10-4…10-5 s 100 MeV QCD-faasitransitio (?) 10-11 s 100 GeV sähköheikko faasitransitio (?) 10-13…10-36 s 103…1016 GeV baryogenesis? 10-13…10-36 s 103…1016 GeV inflaatio? 10-13…10-42 s 103…1019 GeV kvanttigravitaatio? Luonnonfilosofian seuran seminaari, Helsinki, 2. päivä marraskuuta 2010

Mikroaaltotausta: WMAP Luonnonfilosofian seuran seminaari, Helsinki, 2. päivä marraskuuta 2010

Mikroaaltotausta: Planck http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=47333 Luonnonfilosofian seuran seminaari, Helsinki, 2. päivä marraskuuta 2010

Suuren mittakaavan rakenne arXiv:astro-ph/0604561, Nature 440:1137.2006 Luonnonfilosofian seuran seminaari, Helsinki, 2. päivä marraskuuta 2010

Tyypin Ia supernovat Luonnonfilosofian seuran seminaari, Helsinki, 2. päivä marraskuuta 2010

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.” Luonnonfilosofian seuran seminaari, Helsinki, 2. päivä marraskuuta 2010

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 15…30% maailmankaikkeuden energiabudjetista. Luonnonfilosofian seuran seminaari, Helsinki, 2. päivä marraskuuta 2010

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 < 0. 2) Yleinen suhteellisuusteoria ei päde. 3) Homogeeninen ja isotrooppinen approksimaatio ei päde. Luonnonfilosofian seuran seminaari, Helsinki, 2. päivä marraskuuta 2010

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 ρtyhjö ≈ 3 ρaine, mutta ρaine∝a-3, ρtyhjö=vakio. Luonnonfilosofian seuran seminaari, Helsinki, 2. päivä marraskuuta 2010

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. Luonnonfilosofian seuran seminaari, Helsinki, 2. päivä marraskuuta 2010

Luonnonfilosofian seuran seminaari, Helsinki, 2. päivä marraskuuta 2010

Luonnonfilosofian seuran seminaari, Helsinki, 2. päivä marraskuuta 2010

Luonnonfilosofian seuran seminaari, Helsinki, 2. päivä marraskuuta 2010

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. Luonnonfilosofian seuran seminaari, Helsinki, 2. päivä marraskuuta 2010

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. Luonnonfilosofian seuran seminaari, Helsinki, 2. päivä marraskuuta 2010

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. Luonnonfilosofian seuran seminaari, Helsinki, 2. päivä marraskuuta 2010

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 η, joten vaikea testata. (leptogenesis, L ⇒ B, saattaa liittää neutriinoihin) Baryonien osuus maailmankaikkeuden “energiabudjetista” on 4...5% ⇒ pimeä aine, pimeä energia Luonnonfilosofian seuran seminaari, Helsinki, 2. päivä marraskuuta 2010