Επιταχυνόμενη Διαστολή του Σύμπαντος: Open page Επιταχυνόμενη Διαστολή του Σύμπαντος: Σκοτεινή Ενέργεια ή Αντιβαρύτητα Λέανδρος Περιβολαρόπουλος http://leandros.physics.uoi.gr Αν. Καθηγητής, Γραφείο: Φ2-303

Βασικά Θέματα Ορισμός Κοσμολογίας – Βασική Θεωρία Κοσμολογικές Παρατηρήσεις Tα Παρατηρησιακά Δεδομένα Hubble και ο Παράγοντας Διαστολής Γενική Σχετικότητα και θεωρητική πρόβλεψη εξέλιξης Παράγοντα Διαστολής Το αίνιγμα της Σκοτεινής Ενέργειας Σύνοψη - Βιβλιογραφία

Σύνορα της Γνώσης: Νέοι Φυσικοί Νόμοι Οι κλίμακες της Φύσης Απόσταση Αστέρων Ηλιακό Σύστημα Πρωτόνια-quarks Απόσταση Γαλαξιών Γή Κύτταρα Άτομα Πυρηνική Φυσική Αστροφυσική Βιολογία Γεωλογία-Φυσική Περιβάλλοντος Φυσική Στερεάς-Ατομική Μοριακή Φυσική Κοσμολογία Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων Γνωστοί Φυσικοί Νόμοι: Νέες Εφαρμογές Σύνορα της Γνώσης: Νέοι Φυσικοί Νόμοι

Βασικά Ερωτήματα Κοσμολογίας Ποια είναι τα συστατικά του Σύμπαντος? Υπήρξε ‘Αρχή’ στον Χώρο και στον Χρόνο? Θα υπάρξει ‘Τέλος’ στην ύπαρξη του Σύμπαντος? Τι προκάλεσε την δημιουργία ‘Δομών’ στο Σύμπαν? Πως δημιουργήθηκαν οι πυρήνες των ελαφρών στοιχείων από τα πρωτογενή πρωτόνια? Γιατί ο Χώρος σε μεγάλες κλίμακες διαστέλλεται? Γιατί η διαστολή αυτή επιταχύνεται αντί να επιβραδύνεται από την βαρυτική έλξη μεταξύ των κοσμικών σωμάτων?

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

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

Κοσμικές Παρατηρήσεις Ι: Κοσμικό Υπόβαθρο Μικροκυμάτων Κοσμικές Παρατηρήσεις Ι: Κοσμικό Υπόβαθρο Μικροκυμάτων Ισοτροπία και Ομοιογένεια Θερμικό Φάσμα οπως ανιχνεύθηκε από την συσκευή FIRAS του COBE Δορυφόρος COBE Δορυφόρος COBE

Κοσμικές Παρατηρήσεις: Οι Όψεις τους Σύμπαντος Κοσμικές Παρατηρήσεις: Οι Όψεις τους Σύμπαντος ..\030640_720.mov

Κοσμικές Παρατηρήσεις ΙΙ: Δομές σε μεγάλες κλιμακες Κοσμικές Παρατηρήσεις ΙΙ: Δομές σε μεγάλες κλιμακες Τυπικό Μέγεθος Δομών: Στρώματα Γαλαξιών, Υπερσμήνη κλπ Η Βαρύτητα δεν είναι δυνατόν να δημιουργήσει τις Δομές αυτές ξεκινώντας από ομοιογένεια 100 Mpc Κοσμολογικά Δεδομένα: Η Κατανομή Γαλαξιών στο Σύμπαν (CfA Survey) Υπήρξαν Πρωτογενείς Διαταραχες που προκάλεσαν την δημιουργεία δομών

Κοσμικές Παρατηρήσεις: Η εξέλιξη των κοσμικών διαταραχών Κοσμικές Παρατηρήσεις: Η εξέλιξη των κοσμικών διαταραχών

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

Κοσμικές Παρατηρήσεις ΙV: Η Διαστολή Hubble Edwin Hubble (1929): Οι Γαλαξίες Απομακρύνονται με ταχύτητες Ανάλογες της Απόστασης τους από την Γή.

Νόμος του Hubble Γραμμική Προσέγγιση Σταθερά του Hubble 1Mpc~3έτη φωτός Σταθερά του Hubble

Ερμηνεία της Διαστολής Hubble A. Γεωκεντρική Β. Διαστολή Χώρου

Περιγραφή Διαστολής Χώρου: Ο παράγοντας διαστολής α(t) Ομοιότητα με Διαστελόμενο Μπαλόνι: Ομοιότητα με Διαστελόμενο Μπαλόνι: Ποσοτική Περιγραφή Διαστολής: Φυσική Απόσταση Φυσική Συντεταγμένη Φυσική Συντεταγμένη Φυσική Συντεταγμένη Παράγοντας Διαστολής (γεωμετρία)

Η έννοια της καμπυλότητας του χώρου Αρνητική Καμπυλότητα (υπερβολοειδές) Θετική Καμπυλότητα (σφαίρα) Μηδενική Καμπυλότητα (επίπεδο) k=0 Επίπεδο Σύμπαν k=-1 Ανοικτό Σύμπαν k=+1 Κλειστό Σύμπαν Γεωμετρία Ομογενούς-Ισοτροπικού Χώρου πλήρως καθορισμένη!

Ο παράγοντας διαστολής και οι παρατηρήσεις τύπου Hubble Η ταχύτητα απομάκρυνσης συναρτήσει του παράγοντα διαστολής: Σύγκριση με τον νόμο του Hubble: Επιβραδυνόμενο σύμπαν (μεγαλύτερη ταχύτητα στο παρελθόν) Επιταχυνόμενο σύμπαν (μικρότερη κλίση ευθείας ( ) στο παρελθόν) πίσω στον χρόνο

Παρατηρήσεις: Χρήση Υπερκαινοφανών Αστέρων Γνωστή, μεγάλη εκπεμπόμενη φωτεινή ισχύς L Υπερκαινοφανής αστέρας Ια SnIa Obs Μέτρηση, (d, z) Εύρεση Η(d) Εύρεση Η(t) Εύρεση a(t) Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant S. Perlmutter et al., Nature 391 (1998) 51 Discovery of Supernova Explosion at Half the Age of the Universe A.G. Riess et al., Astron.J. 116 (1998) 1009-1038

Παρατηρήσιακά Δεδομένα Gold Dataset (157 SNeIa): Riess et. al. 2004 Επιταχυνόμενο H0=σταθερό Επιταχυνόμενο σύμπαν (μικρότερη κλίση ευθείας ( ) στο παρελθόν) Επιβραδυνόμενο σύμπαν (μεγαλύτερη ταχύτητα στο παρελθόν)

Η παρατηρούμενη εξέλιξη του α(t) a(t) Κενό Σύμπαν Επιταχυνόμενο Σύμπαν Επιβραδυνόμενο Σύμπαν Παρόν t0 t t0 Επιβραδυνόμενη διαστολή λόγω ελκτικής βαρύτητας ύλης Επιταχυνόμενη διαστολή λόγω ???

Γιατί η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται?

Εξέλιξη του Παράγοντα Διαστολής: Θεωρητικές Προβλέψεις χρονική παράγωγος του α Εξίσωση Einstein: Εξισώσεις Friedman Ομοιογένεια, Ισοτροπία (k, α(t)) Γεωμετρία Ενέργεια-Ύλη Newton: Ελλειπτικές τροχιές πλανητών Einstein: Μετάπτωση περιηλίου πλανητών Καμπύλωση χώρου

Το αίνιγμα της Σκοτεινής Ενεργειας χρονική παράγωγος του α Εξίσωση Einstein: Εξισώσεις Friedman Ομοιογένεια, Ισοτροπία (k, α(t)) Γεωμετρία Ενέργεια-Ύλη Σκοτεινή Ενέργεια Επιταχυνόμενη Διαστολή: Δεν ισχύει η Γενική Σχετικότητα σε μεγάλες αποστάσεις και η βαρύτητα γίνεται απωστική (αντιβαρύτητα)! Και οι δύο πιθανότητες ανοίγουν συναρπαστικές προοπτικές για ανακάλυψη νέων θεμελιωδών νόμων

Η ανακάλυψη του Hubble (1929) Κοσμολογική Σταθερά: Η απλούστερη προσέγγιση Einstein (1915) Γενική Σχετικότητα: Gμν = κ Tμν Einstein (1917) Γ.Σ. + Στατικό Σύμπαν + Ύλη: Gmn - L gmn = k Tmn κοσμική άπωση (p=-ρ) Κοσμολογική Σταθερά Μετά ήρθε: Η ανακάλυψη του Hubble (1929) Το μεγαλύτερο λάθος της ζωής μου

Πρόβλημα της Κοσμολογικής Σταθεράς Δεν υπάρχει κανένα γνωστό θεωρητικό μοντέλο που να προβλέπει κατά φυσικό τρόπο την ύπαρξη τόσο μικρής κοσμολογικής σταθεράς! Αρχή κλασσικής εξέλιξης του Σύμπαντος Παρόν

Σύνοψη Η Σύγχρονη Κοσμολογία είναι ένας από τους δύο θεμελιώδεις τομείς της φυσικής που ερευνούν στα όρια της ανθρώπινης γνώσης και στοχεύουν στην ανακάλυψη νέων θεμελιωδών νόμων της Φύσης Η ανακάλυψη της επιταχυνόμενης διαστολής του Σύμπαντος το 1998 ανέτρεψε ριζικά την κατανόηση μας σχετικά με το ενεργειακό περιεχόμενο του Σύμπαντος και ίσως ανατρέψει και την κατανόηση που έχουμε για τους νόμους που διέπουν την βαρυτική αλληλεπίδραση.

Βιβλιογραφία A. Liddle: An Introduction to Modern Cosmology, Willey 2003 B. Ryden: Introduction to Cosmology, Ad. Wesley 2003 S. Dodelson: Modern Cosmology, Willey 2003 Προπτυχιακό Μάθημα: Εισαγωγή στην Σύγχρονη Κοσμολογία Διδάσκουσα: Π. Καντή Μεταπτυχιακό Μάθημα: Βαρύτητα και Κοσμολογία Διδάσκων: Λ. Περιβολαρόπουλος (διαλέξεις στο e-course: http://ecourse.uoi.gr/)

Τι είδε το Φωτόνιο; Ταξίδι στην Μεγάλη Έκρηξη