Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

1 Εισαγωγή στην Σύγχρονη Κοσμολογία. Λέανδρος Περιβολαρόπουλος Φυσικό Τμήμα - Πανεπιστήμιο Κρήτης Home Page: WWW Site.

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Παρουσίαση με θέμα: "1 Εισαγωγή στην Σύγχρονη Κοσμολογία. Λέανδρος Περιβολαρόπουλος Φυσικό Τμήμα - Πανεπιστήμιο Κρήτης Home Page: WWW Site."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 1 Εισαγωγή στην Σύγχρονη Κοσμολογία. Λέανδρος Περιβολαρόπουλος Φυσικό Τμήμα - Πανεπιστήμιο Κρήτης Home Page: WWW Site των Διαφανειών: Οι διαφάνειες των διαλέξεων που παρουσιάστηκαν στο θερινό σχολείο του Φυσικού Τμήματος στο Πανεπιστήμιο Κρήτης τον Ιούλιο 1998.

2 2 Δομή Διαλέξεων 1. Εισαγωγή: Ορισμοί - Βασικά Ερωτήματα- Παρατηρησιακά Δεδομένα 2. Κοσμολογική Αρχή: Καμπυλότητα - Μετρική Robertson-Walker 3. Δυναμική του Σύμπαντος: Εξισώσεις Friedman - Λύσεις 4. Φάσεις της Εξέλιξης του Σύμπαντος: Δημιουργία Πυρήνων, Ατόμων, Γαλαξιών, Πληθωριστικό Σύμπαν, Τοπολογικές Ατέλειες 5. Συμπεράσματα-Ανοιχτά Θέματα

3 3 Ορισμός Σύγχρονη Κοσμολογία Φυσική Υψηλών Ενεργειών Γενική Σχετικότητα Κοσμικές Παρατηρήσεις Στατιστική Φυσική Δημιουργία Δομών Σκοτεινή Υλη Βαρυονική Ασυμμετρία Διαστολή Σύμπαντος Σύγχρονη Κοσμολογία: Ο τομέας της Φυσικής που έχει σαν στόχο την κατανόηση της Εξέλιξης και της Δημιουργίας του Σύμπαντος στα πλαίσια Φυσικών Νόμων.

4 4 Βασική Θεωρία Θεωρία Μεγάλης Εκρηξης Ομογένεια Ισοτροπία Γενική Σχετικότητα Υλη: Ιδανικό Ρευστό Διαστολή Hubble Ομογενής Ακτινοβολία Μικροκυμάτων Δημιουργία Ελαφρών Στοιχείων

5 5 Διαστολή του Σύμπαντος Ι Edwin Hubble (1929): Οι Γαλαξίες Απομακρύνονται με ταχύτητες Ανάλογες της Απόστασης τους από την Γή.

6 6 Νόμος του Hubble Σταθερά του Hubble

7 7 Ερυθρή Μετατόπιση Πιο Απομακρυσμένα Σώματα παρουσιάζουν Μεγαλύτερη Ερυθρή Μετατόπιση

8 8 Διαστολή του Σύμπαντος Σχηματικά Ομοιότητα με Διαστελόμενο Μπαλόνι:

9 9 Κοσμικό Υπόβαθρο Μικροκυμάτων Δορυφόρος COBE Θερμικό Φάσμα οπως ανιχνεύθηκε από την συσκευή FIRAS του COBE Ισοτροπία και Ομοιογένεια

10 10 Κοσμικό Υπόβαθρο ΙΙ Διπολικός Όρος (Ταχύτητα Παρτηρητή) Θόρυβος από Γαλαξιακό Επίπεδο Πρωτογενείς Διαταραχές 6144 pixels Γαλαξιακές Συντεταγμένες Διακρ. Ικανότης 7 Μοίρες Κοσμικό Υποβαθρο Ακτινοβολίας από τον Δορυφόρο COBE

11 11 Προβλέψεις Κοσμολογικών Μοντέλων Χάρτες Διαταραχών Κοσμικού Υποβάθρου

12 12 Δημιουργία Πυρήνων (Πυρηνοσύνθεση) Μετρήσεις Σχετικών Συγκεντρώσεων:

13 13 Σκοτεινή Υλη v Υπάρχει μή ορατή ύλη Μετρήσεις Κινηματικής: Τουλάχιστον 90% της ύλης του Σύμπαντος είναι Σκοτείνη Υλη άγνωστης μορφής. Αναμενόμενη Καμπύλη αν δεν υπήρχε Σκοτεινή Υλη

14 14 Είδη Σκοτεινής Ύλης Βαρυονική ( ) Μή Βαρυονική

15 15 Δημιουργία Δομών στο Σύμπαν Κοσμολογικά Δεδομένα: Η Κατανομή Γαλαξιών στο Σύμπαν (CfA Survey) 100 Mpc Τυπικό Μέγεθος Δομών: Στρώματα Γαλαξιών, Υπερσμήνη κλπ Η Βαρύτητα δεν είναι δυνατόν να δημιουργήσει τις Δομές αυτές ξεκινόντας από ομοιογένεια Υπήρξαν Πρωτογενείς Διαταραχες που προκάλεσαν την δημιουργεία δομών Μέγιστη Απόσταση που έχει διανύσει η ύλη

16 16 Τί Προκάλεσε τις Πρωτογενείς Διαταραχές? Αριθμητικές Προσομοιώσεις με Βάση Διάφορα Κοσμολογικά Μοντέλα t =t (Παρόν) 0 Κοσμολογικές Θεωρίες

17 17 Η Εννοια της Καμπυλότητας K=+1K=0K=-1 Μέθοδοι Εύρεσης Καμπυλότητας: 1. Εμπειρικη: Αποκοπή και Εφαρμογή σε Επίπεδο. 2. Εύρεση Αθροίσματος Γωνιών Τριγώνου. 3. Περιφέρεια Κύκλου C 4. Χρήση Μετρικής.

18 18 Η Υλη Δημιουργεί Καμπυλότητα στο Χώρο Εξίσωση Einstein: Καμπυλότητα στην Περιοχή Μαύρης Τρύπας:

19 19 Φυσικά Αποτελέσματα της Γενικής Σχετικότητας Ι 1. Μετάπτωση Περιηλίου του Ερμή: 2. Καμπύλώση του Φωτός (Βαρυτικοί Φακοί)

20 20 Φυσικά Αποτελέσματα της Γενικής Σχετικότητας ΙΙ 3. Βαρυτική Ερυθρή Μετατόπιση: Ακτίνα οπου έγινε η εκπομπή 4. Ακτινοβολία Hawking:

21 21 Η Καμπυλότητα Καθορίζει την Εξέλιξη του Σύμπαντος K=-1K=0 K=+1 K=+1: Κλειστό Σύμπαν. Κατάρευση σε Μοναδικότητα. K=0: Επίπεδο Σύμπαν. Διαρκής Διαστολή. K=-1: Ανοικτό Σύμπαν. Διαρκής Εκθετική Διαστολή.

22 22 Κοσμολογική Αρχή Το Σύμπαν είναι Ομογενές και Ισοτροπικό Φυσικό Σύστημα που αποτελείται από τα γνωστά είδη σωματίων. Η Κοσμολογική Αρχή Επιβάλλει Χωρική αλλά όχι Χωροχρονική Ομοιογένεια και Ισοτροπία. Αρα η καμπυλότητα χώρου του Σύμπαντος μπορεί να γραφεί σαν k=1 : Κλειστό Σύμπαν k=0 : Επίπεδο Σύμπαν k=-1 : Ανοικτό Σύμπαν Παράγων Κοσμικής Διαστολής

23 23 Γνωστά Στοιχειώδη Σωμάτια

24 24 Μετρική Robertson Walker Χωρόχρονος με Ομογενή Καμπυλότητα: σ, θ, φ: Συν-κινούμενες (Comoving) Συν/νες r = R(t) σ : Φυσική Συντεταγμένη σ

25 25 Φυσική Απόσταση Νόμος του Hubble Απόσταση που μετράει ο παρατηρητής (Φυσική Απόσταση) : Εξαγωγή του Νόμου του Hubble:

26 26 Δυναμική του Σύμπαντος Εξισώσεις Einstein: Καμπυλότητα Μετρικής F-R (Χωρόχρονος): Λ: Κοσμολογική Σταθερά (επιτρέπει ομογενή καμπυλότητα χωρίς ύλη) Εξίσωση Friedman 1: Λ>0: Βαρυτική Απωση Διατήρηση Υλης:

27 27 Νευτώνια Απόδειξη Εξίσωσης Friedman σ R(t) Διαστελόμενη Σφαίρα ακτίνας σ R(t) με Ομογενή Πυκνότητα ρ(t). m Εξίσωση Friedman 1 Λ=0, p=0 (πίεση) Εξίσωση Friedman 1 Ολοκλήρωση Εξίσωση Friedman 2 Καμπυλότητα

28 28 Κοσμολογικές Σταθερές από Μετρήσεις Για t=t (παρόν) η Εξίσωση Friedman 1 γίνεται: 0 (παράμετρος επιβράδυνσης) (σταθερά Hubble) όπου: Για t=t (παρόν) η Εξίσωση Friedman 2 γίνεται: 0 ρ, q, H, είναι παρατηρησιακά μετρήσιμες ποσότητες. Η πυκνότητα ρ καθορίζει την καμπυλότητα k. 0 00

29 29 Διαστολή Ψύξη Η θερμοκρασία ακτινοβολίας του Σύμπαντος μεταβάλεται αντιστρόφως ανάλογα με τον παράγοντα διαστολής R(t). Ερυθρή Μετατόπιση λόγω Διαστολής του Σύμπαντος:

30 30 Λύσεις Εξισώσεων Friedman Κυριαρχία Υλης, k=Λ=0: Κυριαρχία Ακτινοβολίας, k=Λ=0: Κυριαρχία Λ, k=ρ(t)=0: Πληθωριστικό Σύμπαν

31 31 Η Κρίσιμη Πυκνότητα ρ και η Παράμετρος Ω Εξίσωση Friedman 1, α<1 Η τιμή Ω=1 είναι ασταθής. Υπολογισμός του Ω(t) c Ορισμός του Ω(t): Ορισμός του ρ (t): c Παρατηρήσεις Δυναμικής Γαλαξιών Ω ~1 0 (αν α > 1 Πληθωριστικό Σύμπαν)

32 32 Το Πρόβλημα της Επιπεδότητας Αν και η παράμετρος Ω εξελίσεται ασταθώς γύρω από την τιμή Ω=1, η παρούσα τιμή του Ω ειναι περιπου ιση με 1. Αρα η αρχική τιμή του Ω ηταν Ω=1. Τι καθόρισε με τόση ακρίβεια την τιμή αυτη?

33 33 Ανοικτό - Κλείστο Σύμπαν Ανοικτό Σύμπαν: Ω < 1 (k=-1) Κλειστό Σύμπαν: Ω > 1 (k=+1)

34 34 Το Παράδοξο του Olders Αν το Σύμπαν ήταν Στατικό και Άπειρο ο ουρανός θα ήταν φωτεινός την νύχτα.

35 35 Κοσμικός Ορίζοντας Λύση Παραδόξου Olders Απόσταση μέχρι το πιο μακρινό αντικείμενο που μπορούμε να δούμε σήμερα: σ h Γεωδαισιακή Φωτός Πεπερασμένος Αριθμος Γαλαξιών

36 36 Κυριαρχία Ακτινοβολίας Παρατηρήσιακές Μετρήσεις: Πυκνότητα Υλης: Πυκνότητα Ακτινοβολίας: Υπόβαθρο Μικροκυμάτων Ισότητα Υλης-Ακτινοβολίας Γαλαξίες + Σκοτεινή Υλη (Ω~1)

37 37 Δημιουργία Ατόμων

38 38 Τελευταία Σκέδαση Φωτονίων Μετά την Δημιουργία των Ατόμων τα Φωτόνια Ελευθερώνονται από Σκεδάσεις.

39 39 Φάσεις Εξέλιξης του Σύμπαντος Πληθωριστικό Σύμπαν (Inflation)

40 40 Το Πρόβλημα της Αιτιότητας (Horizon Problem) Γιατί περιοχές του Σύμπαντος που δεν έχουν έρθει ποτε σε αιτιακή συσχέτιση παρουσιάζουν όμοια μέση πυκνότητα, θερμοκρασία κλπ.?

41 41 Πληθωριστικό Σύμπαν (Inflation)

42 42 Πληθωριστικό Σύμπαν και το Πρόβλημα της Επιπεδότητας Η Εκθετική Διαστολή του χώρου στο Πληθωριστικό Σύμπαν οδηγεί σε Επιπεδότητα.

43 43 Ανάπτυξη Πρωτογενών Διαταραχών Η αντιπαράθεση πίεσης αερίου σωματιδίων και βαρύτητας. Πίεση Υπερισχύει Βαρύτητα Υπερισχύει

44 44 Δημιουργία Δομών με Σκοτεινή Υλη Η Δημιουργία Δομών σε μοντέλα όπου η σκοτεινή ύλη εχει μεγάλες ταχύτητες (Hot Dark Matter) δημιουργούνται πρώτα οι μεγάλες δομές και μετά (με διάσπαση) οι γαλαξίες. Σε μοντέλα όπου η σκοτεινή ύλη εχει μικρές ταχύτητες (Cold Dark Matter) δημιουργούνται πρώτα οι γαλαξίες και μετά οι δομές σε μεγαλύτερες κλίμακες.

45 45 Μεταβολές Φάσης και Πληθωριστικό Σύμπαν Μεταβολή Φάσης (π.χ. Βρασμός Νερού): Φυσική Υψηλών Ενεργειών Περιγραφή Μεταβολής Φάσης με Βαθμωτό Πεδίο. Η Δυναμική Ενέργεια V(Φ) ισοδυναμεί με Κοσμολογική Σταθερά Λ. Φάση 1: Λ = V(Φ=0) Φάση 2: Λ = V(Φ )=0 0 Φ 0

46 46 Προέλευση Πρωτογενών Διαταραχών από Τοπολογικές Ατέλειες Δυναμικό βαθμωτού Πεδίου Φ. Παγιδευμένη Ενέργεια λόγω Οριακών Συνθηκών. Πλέγμα Τοίχων Παγιδευμένης Ενέργειας μετά από Μεταβολή Φάσης (Φ=0 |Φ|=Φ ) 0 Τοίχος: Απλόύστερη Μορφή Τοπολογικής Ατέλειας

47 47 Τοπολογικές Ατέλειες ΙΙ Κοσμικές Χορδές Δυναμικό Βαθμωτού Μιγαδικού Πεδίου Φ. Παγιδευμένη Ενέργεια λόγω Οριακών Συνθηκών. Πλέγμα Σημείων (Χορδών σε 3 διαστασεις) Παγιδευμένης Ενέργειας μετά από Μεταβολή Φάσης (Φ=0 |Φ|=Φ ) 0

48 48 Τοπολογικές Ατέλειες ΙΙΙ: Μονόπολα Σημειακή Παγιδευμένη Ενέργεια (Μονόπολο) Μηδενική Ενέργεια (Κενό) Πεδίο Φ με 3 συνιστώσες (τριπλέτα). Τοπολογικά Ευσταθής Κατανομή Πεδίου

49 49 Κοσμικές Χορδές Χρονική Εξέλιξη Αλληλεπίδραση κοσμικών χορδών: Αρχική Κατανομή Χορδών Κατανομή Χορδών μετά από Αριθμητική Χρονική Εξέλιξη Πρωτογενείς Διαταραχές

50 50 Σύνοψη •Υπάρχει ένας μεγάλος και εκθετικά αυξανόμενος αριθμός κοσμολογικών παρατηρησιακών δεδομένων που θέτουν θεμελιώδη ερωτήματα σε νέες κοσμολογικές θεωρίες. •Τά νέα κοσμολογικά μοντέλα (Πληθωριστικό Σύμπαν, Τοπολογικές Ατέλειες κλπ) βασίζονται σε μεγάλο ποσοστό στήν Μίκροφυσική Υψηλών Ενεργειών αλλά και σε άλλους τομείς της Φυσικής. •Η διαρκής αλληλεπίδραση μεταξύ νέων παρατηρησιακών δεδομένων και θεωρητικών μοντέλων έχουν καταστήσει την Σύγχρονη Κοσμολογία έναν από τους πλέον υγιείς και δραστήριους τομείς της Φυσικής Επιστήμης.

51 51 Βιβλιογραφία •After the First Three Minutes : The Story of Our Universe by Τ. Padmanabhan (πολύ καλό, σύγχρονο, με παιδαγωγικά στοιχεία) •Early Universe (Frontiers in Physics, Vol 69) by Edward W. Kolb, Michael S. Turner (καλό αλλα πιό προχωρημένο) •First Principles of Cosmology by Eric V. Linder (εξαιρετικό και με όλες τις σύγχρονες ιδέες) •Principles of Cosmology and Gravitation by Michael Berry (πολύ καλό και παιδαγωγικό αλλά οχι σύγχρονο) •Gravitation and Cosmology : Principles and Applications of the General Theory of Relativity by Steven Weinberg (κλασσικό, πολύ καλογραμμένο αλλά όχι σύγχρονο)


Κατέβασμα ppt "1 Εισαγωγή στην Σύγχρονη Κοσμολογία. Λέανδρος Περιβολαρόπουλος Φυσικό Τμήμα - Πανεπιστήμιο Κρήτης Home Page: WWW Site."

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Διαφημίσεις Google