Maailmankaikkeuden muodonmuutoksia

1. Maailmankaikkeudenmuodonmuutoksia Syksy Räsänen

2. 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?

3. Mikroaaltotausta: WMAP

4. Mikroaaltotausta: Planck http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=47333

5. Suuren mittakaavan rakenne arXiv:astro-ph/0604561, Nature 440:1137.2006

6. Tyypin Ia supernovat

7. 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.”

8. 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.

9. 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.

10. 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 (10-3eV)4. • Miksi tyhjö on ottanut vallan eilen? • Tänään ρtyhjö ≈ 3 ρaine, mutta ρaine∝a-3, ρtyhjö=vakio.

11. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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