... с птичьего полета Космология Дмитрий В. Наумов ЛЯП ОИЯИ Лекция 1. - презентация

1 ... с птичьего полета Космология Дмитрий В. Наумов ЛЯП ОИЯИ Лекция 1

2 Содержание Гравитация Гравитация Ньютона Гравитация Эйнштейна Создание Вселенной Разбегание галактик Большой взрыв Инфляционная модель Метрика Робертсона- Уолкера Уравнения Фридмана и их решения Кривизна пространства Черные дыры Состав Вселенной Видимое вещество Темная материя Темная энергия О размерах... Космические Лучи Как детектируют КЛ КЛ сверх-высоких энергий Лекция 1 Лекция 2

3 Содержание Гравитация Гравитация Ньютона Гравитация Эйнштейна Создание Вселенной Разбегание галактик Большой взрыв Инфляционная модель Состав Вселенной Видимое вещество Темная материя Темная энергия О размерах... Красное смещение Закон Хаббла Космические Лучи Как детектируют КЛ КЛ сверх-высоких энергий Лекция 1 Лекция 2

4 Содержание Гравитация Гравитация Ньютона Гравитация Эйнштейна Создание Вселенной Разбегание галактик Большой взрыв Инфляционная модель Состав Вселенной Видимое вещество Темная материя Темная энергия О размерах... Красное смещение Эволюция Вселенной Нуклеосинтез Образование галактик и крупных структур Реликтовый микроволновой фон Эксперименты COBE и WMAP Космические Лучи Как детектируют КЛ КЛ сверх-высоких энергий Лекция 1 Лекция 2

5 Содержание Гравитация Гравитация Ньютона Гравитация Эйнштейна Создание Вселенной Разбегание галактик Большой взрыв Инфляционная модель Состав Вселенной Видимое вещество Темная материя Темная энергия О размерах... Проблемы стандартной модели БВ Квантовое начало Космические Лучи Как детектируют КЛ КЛ сверх-высоких энергий Лекция 1 Лекция 2

6 D.Scramm and M.S. Turner, ``Big Bang enters the precision era'', RMP70(1998)0303 В.Л.Гинзбург, О некоторых успехах физики и астрономии за последние три года, УФH172(2002)0213 В.А.Рубаков, ``Физика частиц и космология: состояние и надежды, УФН169(1999)1299 S.Sarkar, ``Big bang nucleosynthesis and physics beyond the standard model'',RPP59(1996)1493 M.Turner, J.Tyson, ``Cosmology at the millenium'',RMP71(1999)S145 Dolgov, Ya.Zeldovich, ``Cosmology and elementary particles'',RMP53(1981)0001 A.Dolgov, ``Neutrinos in Cosmology'',PR370(2002)333 M.Maggiore, ``Gravitational Wave Experiments...'',PR331(2000)283 V.L. Ginzburg, ``What problems of physics and astrophysics...'', PhU042(1999)0353 I.L.Rozental, ``Elementary particles and cosmology'', PhU40(1997)0763 V.A. Rubakov, M.E.Saposhnikov, ``Electroweak baryon number non-conservation...'', PhU039(1996)0461 J.Ellis, ``Astropartical Physics: A personal outlook'', NPB48(1996)522 J.Ellis, ``Particles and Cosmology'',NPB35(1994)005 J.M.Uson, ``General Cosmology: Overview and outstanding problems'',NPB28A(1992)017 L.Jauneau, ``Introduction to Gravity and Cosmology'', LAL88-41 M.Kutschera, ``Introduction to Physical Cosmology'', INP-1659-PH P.Olesen, ``An introduction to cosmology'',ESHEP(1997)220 astro-ph/ , astro-ph/ , astro-ph/ astro-ph/ , astro-ph/ , astro-ph/ astro-ph/ , astro-ph/ , astro-ph/ astro-ph/ , astro-ph/ , astro-ph/ astro-ph/ , astro-ph/ , gr-qc/ gr-qc/ , hep-ph/ , hep-ph/ hep-ph/ , hep-ph/ , hep-ph/ hep-ph/ , hep-ph/ , hep-ph/ hep-ph/ , hep-th/ , hep-th/ hep-th/ Список литературы

7 О размерах...

8 Расстояние между Землей и Солнцем 150 млн. Км = A.U.

9 Гравитация M и m массы двух объектов, r – расстояние между ними, G = N m 2 /kg 2 Ньютона Инерционная и гравитационная массы совпадают --> ускорение в гравитационном поле не зависит от массы!

10 Гравитация Эйнштейна

11 Тензор Риччи Тензор энергии импульса плотность Если сегодня dR/dt>0 (расшырение) и всегда +3p>0, то d 2 R/dt 2 0 в момент t=0, R=0 Большой взрыв !!!

12 Изменение энергии объема = - работа против гравитации

13 Кривизна Пространства From Brian Schmidts web site,

14 Масса искривляет Пространство

15 Пример искривления изображения в гравитационном поле

16 Пример искривления изображения в гравитационном поле

17 From

18 Черные дыры

19 Если вещество звезды сосредоточено в объеме радиусом, меньше чем: R s = 2GM/c 2 Радиус Шварцшильда Горизонт событий не превышает R s Черная дыра

20 Черные дыры

21 This Chandra X-Ray Observatory image of the supermassive black hole at the Milky Way's center, Sagittarius A* was made from the longest X-ray exposure of that region to date. More than two thousand other X-ray sources were detected in the region, making this one of the richest fields ever observed. Credit: NASA/CXC/MIT/F.K.Baganoff et al. [

22 Создание Вселенной

23

24 From Brian Schmidts web site, From Создание Вселенной Хабл измерил: :H 0 = 500 km/s/Mpc Сегодня: H 0 = 65 km/s/Mpc

25 Создание Вселенной: Красное смещение

26 Возраст Вселенной

27 Friedmann equation k is the curvature constant *k=0: flat space, forever expanding *k>0: spherical geometry, eventually recollapsing *k

28

29 Density parameter 0 crit = g/cm 3 1 atom per 200 liter density parameter 0 0 =1: flat space, forever expanding (open) 0 >1: spherical geometry, recollapsing (closed) 0

30 k is the curvature constant *k=0: flat space *k>0: spherical geometry *k

31 How old is the Universe? A galaxy at distance d recedes at velocity v=H 0 d. When was the position of this galaxy identical to that of our galaxy? Answer: t Hubble : Hubble time. For H 0 = 65 km/s/Mpc: t Hubble = 15 Gyr

32 0 =0, =0: t Hubble =1/H 0 = 15 Gyr 0 =1, =0: t Hubble =2/(3H 0 )= 10 Gyr open universes with 0< 0 1, =0 are less than 10 Gyr old >0 increases,

33 At early epochs, the first term dominates the early universe appears to be almost flat At late epochs, the second term dominates the late universe appears to be almost empty At early epochs, the first term dominates the early universe appears to be almost flat At late epochs, the second term dominates the late universe appears to be almost empty Expansion rate of the Universe Falls off like the cube of R Falls off like the square of R

34 Friedmanns equation for >0, 0

35 Создание Вселенной Большой взрыв

36 Создание Вселенной

37 Создание Вселенной

38

39 Создание Вселенной: Нуклеосинтез

40 The structure of matter

41 Преобразование водорода в гелий Горячая эпоха после БВ: протоны и нейтроны несколько шагов: p + n 2 H p + 2 H 3 He n + 2 H 3 H 3 He + 3 He 4 He + 2 p некоторые боковые ветви 3 He + 3 H 7 Li 3 He + 3 He 7 Be Более тяжелые элементы образуются только в звездах

42 Первоначальный нуклеосинтез Result: abundance of H,He and Li is consistent but: b ~0.04 Consistent with abundance of H, He and Li

43 Можем ли мы понять почему 25% He? Избыток водорода: а Избыток гелия : = 0.25 Но почему n n /n p = 1/7 ?

44 Можем ли мы понять почему 25% He? (N n /N p ) f = exp((m p - m n )c 2 /kT f ) p + e - n + e n + e + p + anti- e В момент равновесия При T f = K имеем (N n /N p ) = 1/6, в дальнейшем число нейтронов уменьшается за счет бета распада N n (t) = N n e -t и становится к моменту начала нуклеосинтеза при T f = 10 9 K равным 1/7!

45 Создание Вселенной: Образование галактик и крупных структур Смотрим видео structform

46

47 Frame one depicts temperature fluctuations (shown as color differences) in the oldest light in the universe, as seen today by WMAP. Temperature fluctuations correspond to slight clumping of material in the infant Universe, which ultimately led to the vast structures of galaxies we see today. Frame two shows matter condensing as gravity pulls matter from regions of lower density to regions of higher density. Frame three captures the era of the first stars, 200 million years after the Big Bang. Gas has condensed and heated up to temperatures high enough to initiate nuclear fusion, the engine of the stars. Frame four shows more stars turning on. Galaxies form along those filaments first seen in frame two, a web of structure. Frame five depicts the modern era, billions upon billions of stars and galaxies... all from the seeds planted in the infant Universe.

48 Создание Вселенной: Реликтовый Микроволновый Фон

49 Nobel Prize, for what has been called the greatest scientific discovery ever.

50

51 In early 1990s, COBE sees inhomogeneities in cosmic background radiation (about one part in ): the seeds of the structure seen in our present universe, and evidence for both quantum fluctuations and inflation in the extremely early universe. In addition, the peak associated with acoustic oscillations (more later) indicates that the universe is flat. [from

52

53 The Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) uses differential microwave radiometers that measure temperature differences between two points on the sky. [

54 The Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) observes the sky from an orbit about the L2 Sun-Earth Lagrange point, 1.5 million km from Earth. The observatory can always point away from the Sun, Earth and Moon while maintaining an unobstructed view to deep space. WMAP orbits L2 in an oval pattern every six months, and requires occasional maneuvers (usually about every 3 months) to remain in position. [

55

56

57 Смотрим видео

58 Можно ли УВИДЕТЬ звуковые колебания Вселенной ? Сжатый газ нагревается Флуктуации температуры Ф

59 Power Spectrum (Fingerprint of the Universe) The "angular spectrum" of the fluctuations in the WMAP full-sky map. The shapes of these two curves contain a wealth of information about the age and content of the universe and about the source of the fluctuations seen in the picture. The rise in the bottom curve at large angles (~90 degrees) is the indication that the first stars in the universe formed very quickly. Смотрим видео

60 Назад по Времени. WMAP, сегодня смотрит назад по времени на первый свет, который через лет после Большого Взрыва смог проникнуть через газовое вещество Вселенной (когда температура упала до 3000 К и начали образовываться атомы водорода). Около 13 млрд. Лет понадобилось свету, чтобы достичь нас. Через 200 млн. лет после БВ гигантские газовые облака под действием гравитации формировали звезды. После этого галактики и кластеры галактик образовались в пустом пространстве. Флуктуации тепмературы, видимые сегодня соответвствуют зернам, из которых выросли галактики.

61 Первые звезды. Первые звезды во Вселенной начали появляться уже через 200 миллионов лет после Большого Взрыва. Гораздо раньше, чем многие ученые подозревали. Содержание Вселенной. 4% атомы 23% невидимая темная материя 73% загадочная форма темной энергии (действует как анти-гравитирующая сила, приводит к ускорению расширения Вселенной)

62 The light that is reaching us has been stretched out as the universe has stretched, so light that was once beyond gamma rays is now reaching us in the form of microwaves. Microwaves are the same kind of electromagnetic radiation as the light we see with our eyes, but stretched out to a longer wavelength.

63 WMAP Conclusions We use our new detailed picture to ask: "What happened earlier to make this picture happen?" We now begin to probe the earliest moments of the universe: Inflation (the rapid expansion of the universe a fraction of a second after its birth.). We have ruled out a textbook example of a particular inflation model. But others will be supported with this new evidence.Starting from the time of our picture we can ask: "What must have happened later? We have compared and combined the new WMAP data with other diverse cosmic measurements (galaxy clustering, Lyman-alpha cloud clustering, supernovae, etc.), and we have found a new unified understanding of the universe: *Universe is 13.7 billion years old with a margin of error of close to 1%. *First stars ignited 200 million years after the Big Bang. *Light in WMAP picture from 379,000 years after the Big Bang. *Content of the Universe: *4% Atoms, 23% Cold Dark Matter, 73% Dark energy. *The data places new constraints on the dark energy. It seems more like a "cosmological constant" than a negative-pressure energy field called "quintessence". But quintessence is not ruled out. *Fast moving neutrinos do not play any major role in the evolution of structure in the universe. They would have prevented the early clumping of gas in the universe, delaying the emergence of the first stars, in conflict with the new WMAP data. *Expansion rate (Hubble constant) value: Ho= 71 km/sec/Mpc (with a margin of error of about 5%) *New evidence for Inflation (in polarized signal) *For the theory that fits our data, the Universe will expand forever. (The nature of the dark energy is still a mystery. If it changes with time, or if other unknown and unexpected things happen in the universe, this conclusion could change.)

64 Состав Вселенной

65

66

67 From

68

69

70 Evidence for a mysterious dark energy in the universe: Gazing to the far reaches of space and time, NASA's Hubble Space Telescope identified the farthest stellar explosion ever seen, a supernova that erupted 10 billion years ago. By examining the glow from this dying star, astronomers have amassed more evidence that a mysterious, repulsive force is at work in the cosmos, making galaxies rush ever faster away from each other. [

71 From Brian Schmidts web site,

72 The Four Pillars of the Standard Cosmology "The evolution of the world can be compared to a display of fireworks that has just ended; some few red wisps, ashes and smoke. Standing on a cooled cinder, we see the slow fading of the suns, and we try to recall the vanishing brilliance of the origin of the worlds." Lemaitre. The four key observational successes of the standard Hot Big Bang model are the following: Expansion of the Universe Origin of the cosmic background radiation Nucleosynthesis of the light elements Formation of galaxies and large-scale structure The Big Bang model makes accurate and scientifically testable hypotheses in each of these areas and there is remarkable agreement with the observational data. from

73 Указание на темную материю

74 A galaxy like the Milky Way or Andromeda has a total visible mass of about M sun. The rotation velocity is ~220 km/sec The radius about ~30 kpc Newton: total mass: M sun ~5 times more mass than visible Численные оценки