100 лет развития космологии. Первая космологическая революция 1916-1917 гг. – Эйнштейн формулирует Общую теорию относительности. Нестационарность Вселенной, - презентация

1 100 лет развития космологии

2 Первая космологическая революция гг. – Эйнштейн формулирует Общую теорию относительности. Нестационарность Вселенной, как целого. Эйнштейн этого не хотел и добавил «руками» -член г. – Александр Фридман публикует решения уравнений Эйнштейна, описывающие нестационарную Вселенную г. Леметр продолжает дело Фридмана и предсказывает закон красного смещения 1929 г. Хаббл публикует закон красного смещения, ошибившись в определении своей постоянной в пять раз

3 Вселенная – физический объект -Геометрия: открытая – закрытая – плоская. Кривизна: отрицательная- положительная-нулевая -Закрытая Вселенная – надуваемый шарик - Скорость расширения – постоянная Хаббла -Температура? Что покажет градусник вдали от галактик? 1 градус К? Георгий Гамов: Градусник покажет от 3 до 10 К Так надо, чтобы правильно прошел нуклеосинтез в первые 3 минуты

4 Важные вехи Конец 40-х. Георгий Гамов – горячая Вселенная. Начало 50-х. Правильное определение постоянной Хаббла 1963 г. - Работа Сахарова по акустическим осцилляциям. Сделана в неправильном предположении холодной вселенной, но эффект стал фундаментом современной прецизионной космологии г. - Открытие реликтового излучения. Т = 2.7 К Реликтовое излучение – свет горячей плазмы, испущенной в эпоху ее рекомбинации в возрасте Вселенной 380 тысяч лет

5 Статус в период 1965 – 1980 Концепция большого взрыва торжествует, но остались серьезные вопросы: -Почему Вселенная так велика и динамически сбалансирована? Что дало такую точность? - Вселенная всюду одинакова. Но разные ее области в начале ничего не знали друг о друге. Что так согласовало свойства Вселенной в причинно не связанных областях? -Во вселенной огромное число частиц (или энтропия) – в наблюдаемой части. Откуда они взялись? - Что послужило начальным толчком? Это все – вопрос начальных условий. Кто задал такие начальные условия?!!

6 Планковский предел Как далеко мы можем зайти назад к «начальному толчку»? Объединение квантовой механики и теории гравитации При t ~ с l ~ см r ~ г/см 3 Время теряет смысл, пространство теряет смысл, причинность теряет смысл Это предмет квантовой гравитации, которой не существует. Коллапс материи упирается в планковский масштаб в конце (черная дыра) Большой взрыв вроде бы упирается в планковский масштаб в начале Так ли это?

7 Вторая космологическая революция Эйнштейн придумал -член, а потом его дезавуировал. Но - член остался висеть, как ружье на стене и в 1981 выстрелил, произведя революцию. Что есть вакуум и почему его энергия равна нулю? А не мог ли вакуум быть другим? А если вакуум заполнен скалярным полем (а он заполнен и сейчас) Положительная энергия вакуума = отрицательное давление (натяжение) Отрицательное давление = расталкивание (антигравитация) Антигравитация не может сделать ничего, кроме того, как создать новую вселенную Пространство вместе со скалярным полем экспоненциально расширяется!

8 Космологическая инфляция г. – Эраст Глинер выступает с идеей что расталкивающий член можно получить из физики вакуума г. Дымникова и Глинер заявляют, что при положительной энергии вакуума можно из ничего сделать огромную Вселенную с огромным содержимым г. Алексей Старобинский публикует первую проработанную модель инфляции

9 -1981 г. Гут публикует свою неправильную но наглядную теорию космологической инфляции и путем интенсивной пропаганды ломает общественное мнение г. Линде, Албрехт и Стейнхардт – новая инфляция 1983 г. Линде – хаотическая инфляция 1986 г. Линде – вечная инфляция 1998 г. Открыто ускоренное расширение современной Вселенной Инфляция прямо сейчас!

10 Ответы на вопросы -Вселенная так велика и динамически сбалансирована, поскольку инфляция автоматически создает точнейший баланс между скоростью расширения и плотностью энергии: вклад кривизны ничтожно мал по сравнению с плотностью - Вселенная всюду одинакова, поскольку все ее части были в одной причинно-связанной области и были заполнены скалярным полем одинаковой величины. Потом они потеряли причинную связь, но сохранили общую биографию - Гигантское число частиц во Вселенной – из-за диссипации поля, движущего инфляцию, которое экспоненциально раздувалось. Число будущих частиц тоже экспоненциально росло - Инфляция и есть начальный толчок, создающий вселенную практически из ничего: -Энергия материи + отрицательная энергия связи = 0 всегда. Вселенная даром! Но есть еще один вопрос: откуда у Вселенной структура?

11 Крупномасштабная структура Сеть каустик Блики от ряби на стене или сетка ярких полос на мелком дне реальная смоделированная Откуда первичные возмущения?

12

13 Инфляция умеет делать и это! Муханов Чибисов 1981 Есть вакуумные (нулевые) колебания любого поля Если воздействовать на нулевые колебания, они могут превратиться в реальные флуктуации Быстрое расширение пространства – тоже воздействие! (Лукаш 1980) Инфляция – конвейер, генерирующий и растягивающий флуктуации Результат: плоский спектр – флуктуации всех размеров имеют одинаковую амплитуду

14 Первичные неоднородности должны быть видны на карте реликтового излучения! На момент рекомбинации они должны иметь контраст не меньше 10 -3, иначе не успеют образоваться галактики. Середина 80-х: неоднородностей реликта на уровне нет! РАТАН-600: неоднородностей реликта на уровне нет! На помощь приходит холодная темная материя: это она должна иметь контраст Но все равно первичные возмущения не могут быть меньше 10 -5, иначе темная материя не успеет комковаться до РАТАН-600 неоднородностей на уровне нет! Все нервничают 1992 COBE – неоднородности реликта на уровне есть!

15

16 WMAP 2001 – 2010 Полоса 0.32 – 1.3 см Тепловое равновесие в тени ~40К Зеркало 1.4 Х 1.6 м Данные открыты в 2002 «Планк» 2009 – 2013 Полоса – 1 см Охлаждение гелием Зеркало 1.5 Х 1.9 м Данные открыты в 2013?

17

18

19 Что мы должны увидеть на карте? А.Д. Сахаров 1963 год. При Большом взрыве рождаются стоячие звуковые волны. Когда скорость звука падает, волны застывают. Одни длины волн застывают с фазой, 2, 3 Другие с /2, 3p/2, 5p/2 – в минимуме Разложение по угловым гармоникам должно описываться осциллирующей функцией Бесселя. Сахаров взял неправильную модель Вселенной – холодную Поэтому у него волны застывали слишком рано На правильную модель пересчитали Сюняев с Зельдовичем и Пибблс с Ю Сахаровские осцилляции получили новый смысл – их можно напрямую наблюдать!

20 Если бы Сахаров увидел это! М CDM

21 Подгонка кривой 1. Амплитуда первичных неоднородностей (вертикальная нормировка) 2. Наклон спектра неоднородностей (он не обязан быть в точности плоским) 3. Доля обычного вещества в массе Вселенной (влияет на высоту первого пика) 4. Доля темной материи (влияет на соотношение высоты пиков) 5. Кривизна Вселенной (влияет на угловую шкалу всей кривой - зная ее определим вклад темной энергии) 6. Оптическая толща электронов современной Вселенной (влияет на высоту подложки)

22 Вклад кривизны k = Темная материя c = Обычная материя b =

23 Нейтрино Число типов легких слабовзаимодействующих частиц (нейтрино) Влияет на плотность энергии релятивистской компоненты и на темп расширения в эпоху рекомбинации По данным WMAP число типов тяготело к 4 ( ) По данным «Планка» Масса нейтрино. Влияет на уравнение состояния Вселенной в период рекомбинации Сумма масс нейтрино < 0.22 эВ

24 Наклон спектра n = (n=1 – плоский спектр: амплитуды неоднородностей всех размеров одинаковы) Наблюдаемые неоднородности сгенерированы за 50 – 60 времен 1/Н (е- холдингов) до конца инфляции. n < 1 означает, что инфляция к тому моменту уже замедлялась: Поле, служащее мотором инфляции (инфлатон), ослабевало. Так и должно быть!

25 Почему все так хорошо получается? Подогнать такую кривую 6-ю параметрами все равно, что убить 20 зайцев 6-ю выстрелами. Значит мы очень хорошо понимаем физику и биографию Вселенной Тут замешаны: генерация неоднородностей, эффекты конца инфляции, смена режимов расширения, вход неоднородностей под горизонт, акустические волны, гравитационное взаимодействие обычной материи с темной, временной сценарий рекомбинации и многое другое Все это научились хорошо считать за два десятилетия. Огромное значение открытости данных WMAP

26 Предсказания теории.инфляции неотличима от 1 (Вселенная плоская) ++!! По результатам WMAP и «Планка» выполняется с точностью лучше процента 2. Плоский спектр, но не совсем плоский ++!! Предсказали Муханов с Чибисовым n s = подтверждено WMAP и «Планком»: ns = Адиабатичность (соотношение фотонов и барионов одинаково в сгущениях и разрежениях) +! Положение акустических пиков - подтверждено 4. Гауссовость +! Подтверждено «Планком» на уровне, закрывающем витиеватые модели инфляции 4. Гравитационные волны (Грищук, Старобинский) (нет предсказаний по поводу амплитуды) Тянуть с нобелевской премией по теории инфляции будет больше нельзя!

27 Последний штрих? BICEP 2 Южный полюс

28 В-мода – сигнал от реликтовых гравитационных волн! Однако, результат противоречит данным «Планка» - сигнал слишком велик Поляризованная пыль?

29 7 апреля 2014 Статья а архиве е-принтов: там, куда смотрел BICEP2 полно поляризованной пыли: Ситуация остается подвешенной