23
FIZIKALNA KOZMOLOGIJA VII. VRLO RANI SVEMIR & INFLACIJA

FIZIKALNA KOZMOLOGIJApicek/FK7_lect.pdf · INFLACIJA “KOZMIČKI SAT” ranog svemira. Ekstra zračenje u mjerenju CMB

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: FIZIKALNA KOZMOLOGIJApicek/FK7_lect.pdf · INFLACIJA “KOZMIČKI SAT” ranog svemira. Ekstra zračenje u mjerenju CMB

FIZIKALNA

KOZMOLOGIJA

VII. VRLO RANI

SVEMIR &

INFLACIJA

Page 2: FIZIKALNA KOZMOLOGIJApicek/FK7_lect.pdf · INFLACIJA “KOZMIČKI SAT” ranog svemira. Ekstra zračenje u mjerenju CMB

“KOZMIČKI SAT” ranog svemira

Page 3: FIZIKALNA KOZMOLOGIJApicek/FK7_lect.pdf · INFLACIJA “KOZMIČKI SAT” ranog svemira. Ekstra zračenje u mjerenju CMB

Ekstra zračenje u mjerenju CMB

Usporedba s rezultatima LEP-a

Page 4: FIZIKALNA KOZMOLOGIJApicek/FK7_lect.pdf · INFLACIJA “KOZMIČKI SAT” ranog svemira. Ekstra zračenje u mjerenju CMB

Usporedba CMB i neutrina

Vj.: Pozadinsko zračenje neutrina u svjetlu činjenice masivnih neutrina

Page 5: FIZIKALNA KOZMOLOGIJApicek/FK7_lect.pdf · INFLACIJA “KOZMIČKI SAT” ranog svemira. Ekstra zračenje u mjerenju CMB
Page 6: FIZIKALNA KOZMOLOGIJApicek/FK7_lect.pdf · INFLACIJA “KOZMIČKI SAT” ranog svemira. Ekstra zračenje u mjerenju CMB

Svemir u vrlo ranoj fazi je BARIONSKI ASIMETRIČAN

Vj.: Barionsko simetričan svemirna temp. 1 TeV vodio bi na omjer broja nukleona i fotona daleko ispod opaženog

Page 7: FIZIKALNA KOZMOLOGIJApicek/FK7_lect.pdf · INFLACIJA “KOZMIČKI SAT” ranog svemira. Ekstra zračenje u mjerenju CMB

Bariogeneza

- očuvani barionski broj je prije

formiranja hadrona (na 200 MeV)

nošen kvarkovima

Page 8: FIZIKALNA KOZMOLOGIJApicek/FK7_lect.pdf · INFLACIJA “KOZMIČKI SAT” ranog svemira. Ekstra zračenje u mjerenju CMB
Page 9: FIZIKALNA KOZMOLOGIJApicek/FK7_lect.pdf · INFLACIJA “KOZMIČKI SAT” ranog svemira. Ekstra zračenje u mjerenju CMB

VRLO RANI SVEMIR

Page 10: FIZIKALNA KOZMOLOGIJApicek/FK7_lect.pdf · INFLACIJA “KOZMIČKI SAT” ranog svemira. Ekstra zračenje u mjerenju CMB

NIZ PROBLEMA STANDARDNE (FRW) KOZMOLOGIJE ZAHTIJEVA DA ERI ZRAČENJA PRETHODI INFLATORNA ERA

Page 11: FIZIKALNA KOZMOLOGIJApicek/FK7_lect.pdf · INFLACIJA “KOZMIČKI SAT” ranog svemira. Ekstra zračenje u mjerenju CMB

0-ti PROBLEM: PROBLEM EKSPANZIJE SVEMIRA

(ekspanzija sada, jer

je bila i u prošlosti) - 2 pristupa:

za sve probleme vezane uz “početne

uvjete svemira”, kriva je kvantna

gravitacija

kozmologija 80-tih potražila je

odgovore na “GUT skali” – na tragu

problema magnetnih monopola

Page 12: FIZIKALNA KOZMOLOGIJApicek/FK7_lect.pdf · INFLACIJA “KOZMIČKI SAT” ranog svemira. Ekstra zračenje u mjerenju CMB
Page 13: FIZIKALNA KOZMOLOGIJApicek/FK7_lect.pdf · INFLACIJA “KOZMIČKI SAT” ranog svemira. Ekstra zračenje u mjerenju CMB
Page 14: FIZIKALNA KOZMOLOGIJApicek/FK7_lect.pdf · INFLACIJA “KOZMIČKI SAT” ranog svemira. Ekstra zračenje u mjerenju CMB

Koncept inflacije

The idea (A. Guth and A. Linde, 1981): Shortly after the Big Bang, the Universe went through a phase of rapid (exponential) expansion. In this phase the energy and thus the dynamics of the Universe was determined by a term similar to the cosmological constant (vacuum energy).

Why would the Universe do that ?

Why does it help ?

Page 15: FIZIKALNA KOZMOLOGIJApicek/FK7_lect.pdf · INFLACIJA “KOZMIČKI SAT” ranog svemira. Ekstra zračenje u mjerenju CMB

Problem relikta The monopole problem

big issue in early 1980s Grand Unified Theories of particle physics → at high

energies the strong, electromagnetic and weak forces are unified

the symmetry between strong and electroweak forces ‘breaks’ at an energy of ~1015 GeV (T ~ 1028 K, t ~ 10−36 s) this is a phase transition similar to freezing expect to form ‘topological defects’ (like defects in crystals) point defects act as magnetic monopoles and have mass

~1015 GeV/c2 (10−12 kg) expect one per horizon volume at t ~ 10−36 s, i.e. a number

density of 1082 m−3 at 10−36 s result: universe today completely dominated by monopoles

(not!)

Page 16: FIZIKALNA KOZMOLOGIJApicek/FK7_lect.pdf · INFLACIJA “KOZMIČKI SAT” ranog svemira. Ekstra zračenje u mjerenju CMB

Inflacija i problem relikta

Page 17: FIZIKALNA KOZMOLOGIJApicek/FK7_lect.pdf · INFLACIJA “KOZMIČKI SAT” ranog svemira. Ekstra zračenje u mjerenju CMB

1. PROBLEM:

PROBLEM

HORIZONTA

(područja koja

nisu bila u

kauzalnom

kontaktu

nalazimo s

istom

temperaturom)

Page 18: FIZIKALNA KOZMOLOGIJApicek/FK7_lect.pdf · INFLACIJA “KOZMIČKI SAT” ranog svemira. Ekstra zračenje u mjerenju CMB

Horizon Problem

Why is the CMB so isotropic? consider matter-only universe:

horizon distance dH(t) = 3ct scale factor a(t) = (t/t0)2/3

therefore horizon expands faster than the universe

“new” objects constantly coming into view

CMB decouples at 1+z ~ 1000 i.e. tCMB = t0/104.5

dH(tCMB) = 3ct0/104.5

now this has expanded by a factor of 1000 to 3ct0/101.5

but horizon distance now is 3ct0 so angle subtended on sky by one CMB

horizon distance is only 10−1.5 rad ~ 2° patches of CMB sky >2° apart should not be

causally connected

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 0.25 0.5 0.75 1

t/t0d

/ct horizon

distance

distance to object

at dhor for a =0.1

distance to object

at dhor for a =1.0

Page 19: FIZIKALNA KOZMOLOGIJApicek/FK7_lect.pdf · INFLACIJA “KOZMIČKI SAT” ranog svemira. Ekstra zračenje u mjerenju CMB

Inflation and the horizon Assume large positive cosmological

constant Λ acting from tinf to tend

then for tinf < t < tend

a(t) = a(tinf) exp[Hi(t – tinf)] Hi = (⅓ Λ)1/2

if Λ large a can increase by many orders of magnitude in a very short time

Exponential inflation is the usual assumption but a power law a = ainf(t/tinf)n works if n > 1

0.0001

100

1E+08

1E+14

1E+20

1E+26

1E+32

1E+38

1E+44

1E+50

1E+56

1.E-40 1.E-34 1.E-28 1.E-22 1.E-16

t (s)

a(t)

with inflation

without

inflation

horizon

Page 20: FIZIKALNA KOZMOLOGIJApicek/FK7_lect.pdf · INFLACIJA “KOZMIČKI SAT” ranog svemira. Ekstra zračenje u mjerenju CMB

2. PROBLEM:

PROBLEM

RAVNOSTI

1. predviđanje

inflacije – ravni

svemir

(Friedmannova

jedn. daje de

Sitterovo rješ. za

k=0)

Page 21: FIZIKALNA KOZMOLOGIJApicek/FK7_lect.pdf · INFLACIJA “KOZMIČKI SAT” ranog svemira. Ekstra zračenje u mjerenju CMB

3. PROBLEM: PROBLEM STRUKTURA

Problem porijekla svega opaženog!

Modeli hladne tamne tvari (CDM)

objašnjavaju kako fluktuacije u CMB

rastu do formiranja galaktika

Preostaje objasniti odakle fluktuacije

opažene u CMB-u

Page 22: FIZIKALNA KOZMOLOGIJApicek/FK7_lect.pdf · INFLACIJA “KOZMIČKI SAT” ranog svemira. Ekstra zračenje u mjerenju CMB

Inflatorno rješenje problema struktura

Prije inflacije: postoje kvantne fluktuacije Inflacija pojačava kvantne fluktuacije na

makroskopske skale Nakon inflacije makroskopske fluktuacije

(kakve su opažene u CMB zračenju) daju sjeme formiranja galaktika

Page 23: FIZIKALNA KOZMOLOGIJApicek/FK7_lect.pdf · INFLACIJA “KOZMIČKI SAT” ranog svemira. Ekstra zračenje u mjerenju CMB

JOŠ O INFLACIJI Da bi očuvali uspjehe modela velikog praska, epohu inflacije treba ograničiti na dovoljno ranu fazu svemira -povratak na normalnu jedn. stanja je kozmološki FAZNI PRIJELAZ

2. predviđanje inflacije – pozadinski gravitacijski valovi kao RELIKT dostupan misiji PLANCK-ova mjerenja

Kandidati za pogonitelja inflacije?