Je kosmologie mytologií? aneb teorie a hypotézy o vzniku vesmíru z pohledu experimentálního fyzika

1. Je kosmologie mytologií?anebteorie a hypotézy o vzniku vesmíru z pohledu experimentálního fyzika “Nobelova cena za fyziku pro rok 2006 je udělena John C. Matherovi a George F. Smootovi za studium základní struktury kosmického mikrovlnného záření i jeho jemných fluktuací v různých směrech... hrálo hlavní roli při přeměně moderní kosmologie v precizní vědu.“ Zdůvodnění udělení Nobelovy ceny za fyziku za rok2006 Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: WAGNER@UJF.CAS.CZ, WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/ 1. Úvod 2. Člověk poznává vesmír 2.1 Kosmologické hypotézy, modely a teorie 2.3 Pozorování v kosmologii 2.4 Teorie popisující hmotu 3. Velký třesk 3.1 Ozvuky velkého třesku 3.2 Reliktní záření • 3.3 Temná hmota • 3.4 Reliktní neutrina • 3.5 Průběh Velkého třesku • 4. Inflační model • 4.1 Inflační model • 4.3 Neinflační možnosti • 4.4 Jaká experimentální data • rozhodnou • 5. Závěr

2. Kosmologické hypotézy, modely a teorie Jednotlivé stupně lidského poznání: Hypotéza- návrh hlavních předpokladů popisu, zatím neověřeno experimentálně - příklad:Koperníkova hypotéza heliocentrické soustavy Ptolemaios a geocentrická hypotéza - heliocentrická hypotéza a Koperník Model- soubor pravidel umožňujících zjednodušený popis - příklad: Keplerův model Sluneční soustavy vypracovaný na základě pozorování Tychona de Brahe. Tycho de Brahe Johanes Kepler a Keplerův model Sluneční soustavy

3. Teorie- soubor pravidel, který umožňuje kvantitativně popsat přesně a komplexně experimentální data - příklad: Newtonův popis Sluneční soustavy na základě Newtonovy teorie gravitace Sir Isaac Newton Dráhy všech současný meziplanetárních sond se počítají pomocí Newtonovy teorie gravitace Obecnější teorie gravitace – Einsteinova obecná teorie relativity – je nutná až v „extrémnějších“ podmínkách Sonda Gravity probe B., testujici obecnou teorii relativity

4. Rozdíly i jednota v popisu mikro, makro i mega světa 17. století - Galileo, Newton - pohyb a vlastnosti nebeských těles popisují stejné zákonitosti jako těles pozemských  Jednota popisu makrosvěta i megasvěta → možnost extrapolace 19. a 20. století - nové nástroje pro popis (uplatňují se v oblasti extrémních hodnot fyzikálních veličin): Mikrosvěta - speciální teorie relativity - vysoké rychlosti, přenosy energii - kvantová fyzika - velmi malé hodnoty hmotností, vzdálenosti těles, přeneseného účinku Megasvěta - speciální teorie relativity - vysoké rychlosti, přenosy energii - obecná teorie relativity - velmi intenzivní gravitační pole

5. Pozorování v kosmologii Minulé století a začátek současného → obrovský přísun stále přesnějších dat → možnost ověřování kosmologických hypotéz: Studium složení a vlastností objektů v galaxiích- studium evoluce, složení a výskytu v současnosti i minulosti. Využití pro určení vzdáleností (cefeidy, supernovy). Mapování vesmíru- co nejpřesnější pozorování co největšího počtu galaxií - studium struktury, složení, rozpínání a evoluce vesmíru - např. projekt Sloan Digital Sky Survey Studium chemického složení vesmíru- prvky prvotní a vzniklé ve hvězdách - využití spektroskopie Pulsar v Krabí mlhovině, blízká galaxie NGC 6070 a nejvzdálenějších kvazarů z=5.0

6. Studium reliktního záření- stále přesnější znalost fluktuací jeho teploty, polarizace …  v současnosti neperspektivnější zdroj informací o počátcích vesmíru Mapa teploty reliktního záření ze sondy Wilkinson MAP Studium neutrin a gravitačních vln i reliktních? Jiné exotické částice? Spousta experimentálních dat z fyziky- jaderné, částicové, plazmy, pevné fáze …  cesta ke sjednocení interakcí a k popisu hmoty v extrémních podmínkách  popis ranných stavů vesmíru Hledání hypotetické Higgsovi částice

7. Složení hmoty Hmota je složena z částic - mezi nimi působí interakce Atomová fyzika, fyzikální chemie Jaderná fyzika Fyzika elementárních částic Superstrunové teorie? (rozměr 10-35 m)? Důležité nástroje pro popis mikrosvěta: 1) Speciální teorie relativity - rychlosti blízké rychlosti světla, kinetická energie srovnatelná s klidovou 2) Kvantová fyzika - velmi malé hodnoty veličin  kvantový a pravděpodobnostní charakter, Heisenbergův princip neurčitosti

8. Standardní model Hmota je tvořena částicemi (fermiony s=1/2), mezi kterými působí interakce, které jsou zprostředkovány výměnou částic (bosony s=celé číslo) 1) Silná - kvantová chromodynamika 2) Elektromagnetická - kvantová elektrodynamika 3) Slabá - elektroslabá teorie 4) Gravitace – obecná teorie relativity - nekvantová Tři druhy interakcí: graviton + antičástice neutrina Cíl -co nejjednoduššími pravidly a s co nejmenším počtem počátečních parametrů popsat hmotu a její chování → cesta dál za standardní model

9. Proč jít dále? - experimentální a teoretické důvody Teoretické důvody: 1) Příliš mnoho volných parametrů ve standardním modelu 2) Nutnost zahrnout i gravitaci - kvantová teorie gravitace 3) Pozorované podobnosti, symetrie (např. mezi rodinami kvarků a leptonů) 4) Hierarchie hmotností u částic 5) Nutnost odstranění divergencí (nekonečných hodnot fyzikálních veličin) vyrovnání intenzity interakcí při vysokých energiích Experimentální důvody: 1) Pozorování asymetrie v existenci hmoty a antihmoty 2) Velmi přesná měření magnetického momentu mionu 3) Pozorování oscilací neutrin 4) Existence nebaryonové temné hmoty ve vesmíru 5) Sbližování síly různých interakcí s rostoucí energií 6) Náznaky rozdílů oproti Standardnímu modelu u některých vysokoenergetických experimentů ( nezachování CP invariance, produkce b částic …) Detektor Superkamiokande

10. !!!!Varování!!!vše dále zatím jen hypotézy!!! Supersymetrie Hledání symetrií, které umožňují transformaci bosonů na fermiony  supersymetrie Důsledky a předpovědi: Hlavním je existence supersymetrických partnerů známých částic: Boson má partnera fermion, fermion pak boson fotonfotinokvarks - kvark gluon gluinolepton s - lepton Z Zino gravitongravitino Hledání supersymetrických částic- jeden z hlavních programů největších existujících i plánovaných urychlovačů Supersymetrické částice jsou vhodnými kandidáty na vysvětlení temné hmoty ve vesmíru - neutralino (směs fotina, gluina, ..) - nejmenší hmotnost Jejich vlastnosti by umožnily vybrat správnou supersymetrickou teorii Supersymetrické částice budou hledat i experimenty na budovaném urychlovači LHC v CERNu

11. Strunové teorie Strunová teorie - částice nejsou bodové, ale tvoří je struny o rozměru 10-35 m Jednotlivé částice jsou různé módy kmitů struny čím vyšší kmitočet  tím vyšší hmotnost Nutnost zavedení šesti dalších rozměrů: 1) Další rozměry jsou velmi malé - svinuté 2) Některé možná velké až nekonečné  náš svět - čtyřrozměrná brána ve vícerozměrném prostoru Otevřená struna Uzavřená struna Do dalších rozměrů by pronikala pouze gravitace Další rozměry jsou svinuté Povolené kmitočty dány délkou struny Strunový Feynmanův diagram

12. Určování průběhu rozpínání vesmíru Určení rychlosti- měření změny vlnové délky vlivem Dopplerova jevu  rudý posuv Určování vzdálenosti: • Měření paralaxy - triangulační metoda, modelově nezávislá družice • Hiparchos (dosah 500 sv.l.) • 2) Určování vzdálenosti pomocí cefeid (do vzdálenosti až 60 milionů sv. let) • 3) Určování vzdálenosti pomocí supernov typu II - absolutní jasnosti se dost • různí  dosah je třetina pozorovaného vesmíru • 4) Určování vzdálenosti pomocí supernov typu Ia - stejná absolutní • jasnost  vysoká přesnost, je jich méně, dosah celý • pozorovaný vesmír • 5) Určování vzdálenosti pomocí galaxií, gravitačních čoček … Pozorování vzdálených  mladých částí vesmíru – změny rozpínání v čase (pozorování supernov Ia → zrychlování rozpínání – temná energie vakua) Závislost rychlosti vzdalování na vzdálenosti (Particle Data Booklet 2000)

13. Reliktní mikrovlnné záření mikrovlnné záření s teplotou 2.7 K izotropní – malé odchylky teploty odpovídají prvotním nehomogenitám Vznik při T 4000 K (0.3 eV – energie ionizace atomu H) t ≈ 400 000 let. Pokles teploty T ~ R-1 (Energie fotonů klesá s rozpínáním hν ~ R-1) Podobným procesem vymrznutí prošly již dříve neutrina. Bylo to při teplotě okolo 1010 K (1 MeV), nyní by měly mít reliktní neutrina teplotu 1,95 K. Jak registrovat tato neutrina zatím nevíme. Ještě hůře půjdou měřit případné reliktní gravitony. Spektrum reliktního záření získané pomocí sondy COBE. Převzato ze zdrojů NASA. Odpovídá Planckově vyzařovacímu zákonu černého tělesa s teplotou T.

14. Určování kosmologických parametrů z fluktuací reliktního záření 1)Určení zakřivení vesmíru - poměr rozměru zvukového horizontu (známe z vlastností materiálů) a vzdálenosti , kterou mikrovlnné záření urazilo (dáno rozdílem jeho teplot v době vzniku a nyní) je ve vztahu k úhlovému rozměru zvukového horizontu (daný polohou maxima a minim prvního akustického píku) buď euklidovském nebo neeuklidovském. 2)Určení podílu baryonové hmoty - baryony mají velkou hmotnost  ovlivňují akustické vlny  poměr mezi maximy a minimy akustických vln určují poměr baryonů 3) Určení doby reionizace (světlem prvních hvězd) - světlo hvězd ionizovalo okolní plyn, vzniklé horké oblasti vyhlazovaly rozdíly v teplotě reliktního záření. Velikost úhlu, do kterého jsou akustické píky potlačeny určuje dobu, kdy začaly svítit hvězdy (galaxie, kvasary) 4) Určení podílu temné energie - plochost vesmíru z reliktního záření + zrychlování rozpí- nání z pozorování supernov  podíl temné energie - velikost kosmologickékonstanty

15. Závislost velikosti fluktuace na úhlové vzdálenosti – čím větší úhel, tím dříve přestala být ovlivňována velikost fluktuací Polarizace a závislost fluktuací na vlnové délce Polarizace reliktního záření: 1) Citlivá ke gravitačním vlnám (odlišení fluktuací da- ných gravitačním smršťováním a gravitačními vlnami) 2) Nezávislý údaj o reionizaci době vzniku prvních hvězd 3) Upřesnění dalších kosmologických parametrů. Závislost fluktuací reliktního záření na vlnové délce: Mohlo by rozlišit inflační a ekpyrotický vesmír Vysvětlení polarizace reliktního záření

16. Zrychlování expanze vlivem temné energie Éra temna První hvězdy Následky čeho sonda WMAP prostřednictvím reliktního záření studuje Inflace WMAP Kvantová fluktuace Vznik reliktního záření Vznik galaxií, hvězd, planet ... 13,7 miliard let Výsledná mapa reliktního záření po třech letech činnosti sondy WMAP

17. Prvotní tvorba prvků Premordiální nukleosyntéza - vysvětlí pozorované množství hélia, deuteria a lithia – 23 % baryonové hmoty tvoří 4He – může vznikat v reakcích přes mezistupeň D, T a 3He: Většina nukleosyntézy T  109 K  t  200 s ! zastoupení 4He nelze nijak objasnit z nekosmologických zdrojů ! Je to informace s zatím nejzaššího období alespoň nepřímo dostupného Zastoupení ještě těžších jader 6Li, 7Li, 9Be a 11B může být ovlivněno i průběhem hadrosyntézy Zastoupení lehkých prvků (převzato ze stránek NASA) Snímek ve směru středu Galaxie Návrat sondy Genesis

18. Evoluce galaxií Pozorování vzdálených - mladých částí vesmíru: Vzdalování → putování v čase První tvorba hvězd - reionizace - ~ 200 milionů let 1) pouze vodík a primordiální helium 2) více hmotnějších a zářivějších hvězd Mladé oblasti: Galaxie ve vzdálených (mladých) oblastech jsou jiné než ty blízké 1) Zářivější, více aktivní, živější tvorba hvězd, více hmotnějších hvězd … 2) Liší se hustota kvasarů, aktivních jader galaxií Studium pomocí Hubblova teleskopu, v programu Sloan Digital Sky Survey a dalších přehlídek vzdálených galaxií galaxie NGC1087 Kvasar se z=6.4 galaxie UGC03214

19. Temná hmota Nesrovnalost mezi odhadem množství hmoty ve vesmíru na základě studia svítící hmoty a studia gravitačního vlivu hmoty (veškeré)  temná hmota – nevyzařuje ani neabsorbuje světlo, interaguje pouze gravitačně Možnost zkoumání: 1) Studium oběžných pohybů: hvězd  haló v galaxiích galaxií  haló v galaktických kupách kup galaxií  velkorozměrová hustota hmoty 2)Rentgenovské záření horkého plynuv galaktickém halo – teplota dána rychlostí atomů – menší než úniková rychlost – rychlost je větší než by odpovídalo pozorované hmotě 3)Gravitační čočky– určení hmotnosti a jejího rozložení pro kupu tvořící gravitační čočku Čím větší škála – tím větší podíl temné (skryté) hmoty V kupách galaxií nejméně 90% skrytá hmota

20. Konečný důkaz existence temné hmoty !?!? Temná hmota nebo modifikace gravitační teorie? • temná hmota (pokud existuje) nejvíce • mezigalaktický plyn (několikanásobně méně než temné hmoty) • galaxie (několikanásobně méně než plynu) Kupa galaxií: Srážka dvou kup galaxií: • Plyn zpomalen třením (elmg. síla) • Galaxie jsou kompaktní (aerodynamické) – tření není • Temná hmota – pouze gravitace Nalevo je zobrazení galaktické dvojkupy 1E0657-558 ve viditelné oblasti spektra. Jsou vidět dvě koncentrace svítících bodů - větší nalevo a menší napravo. Modrými křížky jsou vyznačena místa maximální koncentrace dvou plynných oblaků spojených s kupami, které jsou pak dobře vidět na snímku v rentgenové oblasti nalevo. Na obou obrázcích je pak vyznačen zelenými čarami průběh intenzity gravitace. Bílá úsečka na obrázcích vpravo dole vyznačuje měřítko vzdáleností v kupě (reprezentuje 200 kpc = 652 000 světelných let)

21. Reliktní neutrina Vznik 1 s po velkém třesku Teplota 1,95 K Jejich podíl na temné hmotě závisí na jejich hmotnosti Dnešní limita pro hmotnost 2 eV Střední kvadratická rychlost 5000 km/s Úniková rychlost z galaxií 600 km/s Úniková rychlost z kup galaxií až 6000 km/s Určování hmotnosti neutrina v rozpadu tritia – experiment KATRIN

22. Velký třesk – standardní model Čas: Teplota:Událost: _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 10-5s 2·1012KVznik elementárních částic z kvarků - hadronizace ~ 1 s1010KOddělení reliktních neutrin 200 s 109KVznik prvotních jader H, He a některých dalších lehkých prvků 400 000 let 4000 KVznik atomů – oddělení reliktního záření 200 milionů let Vznik prvních galaxií a hvězd Průběh popisuje obecná teorie relativity a standardní model hmoty a interakcí Je dán počátečním složením a dalšími počátečními podmínkami Vzdálené galaxie fotografované pomocí Hubblova teleskopu (archív NASA)

23. Proč inflační model? Standardní model popisuje vesmír až od jistého okamžiku, nastavení jeho počátečních podmínek musí vysvětlit jiný model: 1)Vysokou stejnorodost a izotropnost vesmíru. Je třeba vysvětlit, proč jsou hustota látky ve vesmíru i teplota reliktního záření velmi stejnorodé na velké úhly a vzdálenosti. 2) Současně vznik jisté nehomogenity, které umožní formování velkoškálové struktury vesmíru, galaxií i hvězd. 4)Poměr mezi jednotlivými složkami hmoty. 5)Vznik přebytku hmoty nad antihmotou (baryonovou asymetrii). Zjistit, jak se vlastně stalo, že vůbec existujeme. 6)Absence pozorovatelných topologických singularit (např. magnetických monopólů). 7)Řešení problému počáteční singularity - zároveň vysvětlit jak došlo tomu horkém a hustému počátku

24. Vlastnosti inflačního modelu Hypotéza inflace: Čas 10-35s - existence fáze velmi rychlého rozpínání vesmíru Zvětšení objemu dnes viditelného vesmíru faktorem nejméně 1025 z 10-27m na 1 cm. Inflace (jedna nebo několik) skončila(y) v čase 10-32s Spojená s fázovými přechody při vydělování jednotlivých interakcí při ochlazování předpovídaného v popisu sjednocování interakcí (oddělení silné a elektroslabé interakce) Vysvětlí: A) Automaticky: 1) Homogenitu a izotropii 2) Plochost - ve spojení s antropickým principem 3) Neexistenci topologických defektů B) V závislosti na modelu a sjednocené teorii interakcí: 1) Charakter fluktuací a strukturu vesmíru 2) Poměr mezi různými formami hmoty 3) Počáteční singularitu 4) Poměr hmoty a antihmoty Detailní pozorování mikrovlnného pozadí  cesta od hypotézy inflace k inflačnímu modelu  výběr správného inflačního modelu Např: závislost fluktuací na vlnové délce záření, charakter polarizace.

25. Neinflační možnosti Hypotéza ekpyrotického vesmíru: vychází ze strunové teorie: Srážka dvou třírozměrných bran (čtvrtý rozměr je čas) pohybujících se v pátém rozměru (ostatních šest rozměrů je svinuto) Brány musí být ploché homogenní a vzájemně paralelní Vlastnosti výhodné pro nahrazení hypotézy inflace: 1) Při srážce vzniká dostatečná teplota pro start Velkého třesku 2) Teplota je dostatečně nízká, aby nevznikaly topologické defekty 3) Nehomogenity dány kvantovými fluktuacemi 4) Neexistuje prvotní singularita (nekonečné hustoty a teploty) 5) Vysvětluje homogennost a isotropii vesmíru Představa vzájemné oscilace bran a periodické srážky: Náš vesmír je částí jedné z bran, vznikne ve srážce, postupně se nehomogenity vyhladí, energie vyrovná (na nulovou hodnotu), až do příští srážky.

26. Možnost odlišení hypotézy inflace a ekpyrotického vesmíru: Gravitační vlny: Ekpyrotický vesmír: amplituda klesá rychle s vlnovou délkou gravitačních vln ("fialový" posun) Inflace: amplituda mírně roste s vlnovou délkou gravitačních vln (mírný rudý posuv) Vliv gravitačních vln na reliktní mikrovlnné záření pozorování fluktuací (otisk gravitačních vln závisí na frekvenci) a polarizace mikrovlnného záření Jaká experimentální data rozhodnou? K poznání může přispět řada experimentálních pozorování: • Experimenty poznávající sjednocenou teorii interakcí • 1) Pozorování supersymetrických partnerů standardních částic • 2) Oscilace neutrin • 3) Rozpad protonů, další rozpady nezachovávající baryonové • nebo leptonové číslo • 4) Vznik mikročerných děr • 5) Gravitační experimenty na krátké vzdálenosti Poničený detektor Superkamiokande

27. B) Experimenty zkoumající záření z vesmíru I) Reliktní mikrovlnné záření: 1) Data o polarizaci 2) Data o frekvenční závislosti fluktuací II) Vývoj poměru jednotlivých složek hmoty v průběhu evoluce vesmíru III) Reliktní neutrina IV) Reliktní gravitační vlny: 1) Závislost jejich fluktuací na vlnové délce V) Pozorování částic temné hmoty VI) Silná gravitační pole na blízké vzdálenosti – vlastnosti černých děr VII)Vliv gravitace z jiných vesmírů (bran), únik gravitační energie Únik gravitační energie Účinky gravitace velmi hmotných objektů ze sousedních bran Experimenty na zachycení gravitačních vln LIGO a VIRGO

28. Závěr • Standardní model Velkého třesku je velice dobře podložen experimentálními daty: • rozpínání vesmíru, reliktní záření, primordiální nukleosyntéza, evoluce galaxií • Inflační model indikován experimentálním faktem plochosti vesmíru. Mohl by • vysvětlit řadu vlastností vesmíru daných jeho vývojem v nejrannějších fázích 3) Velmi přesné hodnoty vlastností vesmíru byly určeny z pozorování reliktního záření. Jsou ve velmi dobré shodě s dalšími pozorováními. 4) Inflační model, ekpyrotický model … jsou zatím hypotézy • I nejexotičtější kosmologické hypotézy nabízejí předpovědi k rozhodnutí pozorováním 6) Rozhodne: pozorování reliktního mikrovlného záření. V budoucnu snad reliktních neutrin, snad i gravitačních vln, částic temné hmoty, vliv jiných dimenzí či snad i jiných vesmírů? Plánovaná sonda Planck 7) Sepětí s fyzikou mikrosvěta a hledáním jednotné teorie částic a interakcí