ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ Δομή της διάλεξης Η Μεγάλη Έκρηξη Ο οδικός χάρτης της εξέλιξης του Σύμπαντος Το μέλλον του Σύμπαντος Συμπεράσματα

Η Κοσμολογία στην Αρχαιότητα * 07/16/96 Η Κοσμολογία στην Αρχαιότητα Θαλής (585π.Χ.) Στο Σύμπαν κυριαρχούν φυσικές διεργασίες Πυθαγόρας (530π.Χ.) Η Γή είναι σφαιρική Αναξαγόρας (430π.Χ.) Το Σύμπαν είναι κατανοητό Πλάτων (420π.Χ.) Γεωκεντρικό σύστημα, κυκλικές τροχιές πλανητών, η Γη είναι ακίνητη Δημόκριτος (400π.Χ.) Το Σύμπαν αποτελεί μηχανικό σύστημα Εύδοξος (340π.Χ.) Γεωκεντρικό σύστημα, 33 σφαίρες, η Γη είναι ακίνητη Αριστοτέλης (350π.Χ.) Γεωκεντρικό σύστημα, 55 σφαίρες, Αρίσταρχος (280π.Χ.) Ηλιοκεντρικό σύστημα (αγνοήθηκε) Ίππαρχος (125π.Χ.) Απόσταση της Σελήνη (διαστάσεις του Σύμπαντος) Πτολεμαίος (150μ.Χ.) Γεωκεντρικό σύστημα, Επίκυκλοι Lecture 2 * ##

Η Κοσμολογική Αρχή 1922 – Aleksandr Friedmann Διερεύνησε τις εξισώσεις της ΓΘΣ του Einstein, Θεωρώντας ότι το Σύμπαν δεν είναι στατικό, ότι δηλαδή μπορεί είτε να συστέλλεται είτε να διαστέλλεται. Χρησιμοποίησε την Κοσμολογική Αρχή Η Κοσμολογική Αρχή (Einstein) Το Σύμπαν είναι ομογενές και ισότροπο στο χώρο και στο Χρόνο

Το Σύμπαν δεν είναι μικρό! M31 NGC4565 1924 – Edwin Hubble Μέτρησε την απόσταση 9 γαλαξιών, χρησιμοποιώντας Κηφείδες αστέρες και απέδειξε ότι η απόστασή τους είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτήν των αστέρων του Γαλαξία. Οι διαστάσεις του Σύμπαντος είναι τεράστιες!

Το πρωτογενές άτομο 1927 – Georges Lemaitre Υπεστήριξε ότι το Σύμπαν γεννήθηκε από ένα “πρωτογενές άτομο” το οποίο τελικά διεσπάσθη, δημιουργώντας τους αστέρες και τους γαλαξίες. Διετύπωσε μία εξίσωση για την ηλικία του Σύμπαντος, η οποία ικανοποιούσε τις εξισώσεις τηw ΓΘΣ του Einstein

Millikan Lemaitre Einstein

Η διαστολή του Σύμπαντος 1929 – Edwin Hubble Χρησιμοποιώντας παρατηρήσεις γαλαξιών από το τηλεσκόπιο 2.5m του Mt. Wilson, απέδειξε ότι η μετατόπιση προς το ερυθρό, z, των γαλαξιών αυξάνει με την απόστασή τους, d. Πρότεινε ότι η μετατόπιση προς το ερυθρό οφείλεται στο φαινόμενο Doppler και οφείλεται στην απομάκρυνση των γαλαξιών. Ο Hubble συμπέρανε ότι το Σύμπαν διαστέλλεται. z = (l – lο) / lο

Η μετατόπιση προς το ερυθρό lο = το μήκος κύματος ηρεμίας = το παρατηρούμενο μήκος κύματος

Ο νόμος του Hubble z ~ v/c d = σταθερά × z v = H0 d d z

Ο νόμος του Hubble v = H0d H0 = 22 km/s/Mly Η0= 67.80±0.77 (km/s)/Mpc

Ο συντελεστής κοσμικής κλίμακας, R(t) t1 = Παρελθόν R(t) < 1, d(t1) tο = Παρόν R(t)=1, do t2 = Μέλλον R(t)>1, d(t2) λο d(t) = R(t) dο λrest = R(t) λο z = (λo - λrest) /λrest 1 + z = 1/R(t)

Η ηλικία του Σύμπαντος Ο νόμος του Hubble v = H0 d H0 = σταθερά του Hubble d = απόσταση Η ηλικία του Σύμπαντος d = v T d = H0 d T T = 1/H0 T ~ 20×109 έτη 1 parsec = 3.26 έτη φωτός

Η γένεση και εξέλιξη του Σύμπαντος 10-43 s έως 300,000 έτη μετά τη Μεγάλη έκρηξη Υπενθύμιση: Το κενό, σύμφωνα με την Κβαντομηχανική, περιέχει ενέργεια !

Ο χρόνος Planck 10-43 seconds Ο χρόνος Planck (TP). Ακόμα και η έννοιες του χώρου και του χρόνου δεν μπορούν να ορισθούν. (RP) = 10-33 cm (ρP) = 1032 g cm-3 (TP) = 1093 K

Η Εποχή του Πληθωρισμού 10-36 seconds Θερμοκρασία ~ 1028 K. Η εποχή του πληθωρισμού. Αμέσως μετά τη γένεση του Σύμπαντος, η μέση ελεύθερη διαδρομή των φωτονίων ήταν μικρότερη από 3 x 10-26 cm! Επομένως, το Σύμπαν ήταν ουσιαστικά αδιαφανές. Από 10-38 seconds έως 10-33 seconds οι διαστάσεις του Σύμπαντος αυξάνουν κατά ~ 1025. Η διάμετρος του Σύμπαντος φτάνει τα 3 mm. Οποιεσδήποτε μικρές διακυμάνσεις στην κατανομή της ενέργειας του Σύμπαντος αυξάνουν κατά τον ίδιο παράγοντα. Αποτελούν τους δομικούς λίθους δημιουργίας των γαλαξιών.

Η εξαφάνιση της αντιύλης 10-6 seconds Η θερμοκρασία πέφτει στα 10 τρισεκατομμύρια K. Δημιουργούνται Quarks και anti-quarks τα οποία αμέσως εξαϋλώνονται. Δημιουργούνται τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια Υπάρχει, όμως, μια μικρή υπεροχή της ύλης από την αντιύλη κατά 1: 1 000 000 000. Η αντιύλη σχεδόν εξαφανίζεται από το Σύμπαν λόγω εξαύλωσης. Τα quarks δημιουργούν νετρόνια και πρωτόνια. Τα πρωτόνια και νετρόνια μεταστοιχειώνονται προς άλληλα, αλλά υπάρχουν σε περίπου ίδια αφθονία.

Το τέλος της δημιουργίας μάζας 1 second Τα νετρόνια είναι κατά 0.1% βαρύτερα των πρωτονίων. Επομένως η μεταστοιχείωση νετρονίων  πρωτόνια ευνοείται . Επομένως η αφθονία των πρωτονίων στο Σύμπαν υπερισχύει και τελικά φθάνει στον λόγο 7 : 1. 5 seconds Θερμοκρασία ένα δισεκατομμύριο K. Σταματά η περαιτέρω δημιουργία ύλης (από την ενέργεια του Σύμπαντος)

Πυρηνοσύνθεση 3 minutes Θερμοκρασία 100 εκατομμύρια K. Έντονες πυρηνικές αντιδράσεις. Λόγω της χαμηλής, πλέον, θερμοκρασίας, η ταχύτητα των στοιχειωδών σωματιδίων είναι σχετικά μικρή και επιτρέπει τη δημιουργία πυρήνων υδρογόνου, ηλίου, δευτερίου και λιθίου. Το Σύμπαν αποτελείται, πλέον από ¾ πυρήνων υδρογόνου και ¼ ηλίου.

Επί τέλους ελεύθεροι! 300,000 years Η θερμοκρασία είναι περίπου 10,000 K. Η θερμοκρασία είναι αρκετά χαμηλή, ώστε τα ηλεκτρόνια ενώνονται με τους πυρήνες και δημιουργούνται άτομα υδρογόνου και ηλίου. Το Σύμπαν καθίσταται διαφανές. Η εποχή της επανασύνδεσης. Η ακτινοβολία από αυτήν την εποχή είναι αυτή που παρατηρείται ως Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου.

Τα Πρότυπα του Σύμπαντος

Σμήνη γαλαξιών

Κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου 1965 – Ο Arno Penzias και ο Robert Wilson Κατά την προετοιμασία για την παρατήρηση του Γαλαξία στα 21 cm, ανακάλυψαν τυχαία την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου 1978: Nobel Φυσικής

Οι πρώτες μετρήσεις του COBE – 1992 Tο διαστημικό τηλεσκόπιο COBE, εξοπλισμένο με ανιχνευτές σε χιλιοστομετρικά μήκη κύματος ήταν ουσιαστικά το πιο ευαίσθητο «θερμόμετρο» που έχει ποτέ κατασκευαστεί. Εκτόξευση: 1989. Μέτρηση του φάσματος της κοσμικής ακτινοβολίας T = 2.725 +/- 0.002 K

Χαρτογράφηση της κοσμικής ακτινοβολίας από το COBE Μετά τη διόρθωση των δεδομένων (ψηφιακή επεξεργασία) και απο-μάκρυνση της διπολικής ακτινο-βολίας, εμφανίζεται πολύ έντονη η ακτινοβολία του Γαλαξία Μετά τη διόρθωση των δεδομένων, τόσο από τη διπολική ακτινοβολία, όσο και από την ακτινοβολία του Γαλαξία μας, μένει η καθαρή Κοσμική Ακτινοβολία των 3 Kelvin, η οποία παρουσιάζει διακυμάνσεις της θερμοκρασίας της κατά μερικά εκατομμυριοστά του Κ. Θερμότερες περιοχές εμφανίζονται ως ερυθρές. Ψυχρότερες εμφανίζονται ως κυανές

Οι ακριβέστερες μετρήσεις του WMAP – 2008

Boomerang

Τα αποτελέσματα του Boomerang Συμπέρασμα: Το Σύμπαν είναι επίπεδο

Τα αποτελέσματα του Boomerang Τόσο από τις μετρήσεις του Boomerang, όσο και από τις μετρήσεις τοy COBE και του WMAP, οι ανομοιογένειες του Σύμπαντος είναι ~1°

Η Γεωμετρία και Ηλικία του Σύμπαντος Σε t έτη, το φώς διανύει απόσταση t ετών φωτός. Άρα όταν η ηλικία του Σύμπαντος ήταν 300,000 έτη, το φώς δεν θα μπορούσε να είχε διανύσει απόσταση μεγαλύτερη από μία περιοχή διαμέτρου 300,000 ετών φωτός. Επομένως, αν υπήρχαν, οι διακυμάνσεις θα ήταν της τάξεως των 300,000 ετών φωτός Έκτοτε το Σύμπαν έχει διασταλεί κατά περίπου 1/Rt = 1+z ~ 1000. Δηλαδή, οι διακυμάνσεις του Σύμπαντος από 300,000 έτη φωτός έχει γίνει 300 εκατομμύρια έτη φωτός. Η αρχική περιοχή βρίσκεται σήμερα σε απόσταση 15 Gly. Επομένως, κάθε περιοχή πρέπει να έχει γωνιώδη διάμετρο 1o στον ουρανό. 300 Mly 15 Gly ~1o Γη

Οι ακριβέστατες μετρήσεις του Planck - 2013 Οι μικρές διακυμάνσεις της ακτινοβολίας υποβάθρου, 2.73 Κ που ανιχνεύθηκαν από τον Ευρωπαϊκό δορυφόρο Planck. Με λευκή γραμμή σημειώνεται ο Άξονας Ασυμμετρίας (Axis of Evil) και η περίεργη Ψυχρή Περιοχή (Cold Spot).

Σύγκριση των δεδομένων των δορυφορικών τηλεσκοπίων Σύγκριση COBE – WMAP – Planck Σύγκριση των δεδομένων των δορυφορικών τηλεσκοπίων COBE – WMAP - Planck

Συμπεράσματα Μεγάλη έκρηξη Ενδείξεις ότι η ηλικία του Σύμπαντος είναι πεπερασμένη Ενδείξεις ότι αρχικά η θερμοκρασία του Σύμπαντος ήταν πολύ μεγάλη Ενδείξεις ότι το Σύμπαν είναι επίπεδο Ενδείξεις ότι μια «μυστηριώδης» δύναμη (σκοτεινή ενέργεια) επιταχύνει τη διαστολή του Σύμπαντος Αινίγματα Τι είναι η σκοτεινή ενέργεια; Τι προκάλεσε τη Μεγάλη έκρηξη; Γιατί το Σύμπαν έχει τις ιδιότητες που έχει;

Το μέλλον? ΜΕΛΛΟΝ ΠΑΡΟΝ ΖΩΗ

Παρατηρήσεις Υπερκαινοφανών τύπου Ιa Οι υπερκαινοφανείς είναι κατά 25% αμυδρότεροι…. Άρα βρίσκονται πιο μακριά… Άρα το Σύμπαν έχει διασταλεί περισσότερο από το αναμενόμενο… Η διαστολή του Σύμπαντος επιταχύνεται! Nobel Φυσικής 2011

Σκοτεινή Ενέργεια Παρατηρήσεις 1998 (Αυστραλία και ΗΠΑ) Το Σύμπαν διαστέλλεται! Ενδείξεις ότι μια «μυστηριώδης» δύναμη (σκοτεινή ενέργεια) επιταχύνει τη διαστολή του Σύμπαντος Θεωρία Ενέργεια κενού – Σταθερή Λ; Πεμπτουσία; Επαναπροσδιορισμός εξισώσεων της βαρύτητας; Μήπως δεν ισχύει η κοσμολογική αρχή; Εκπυρωτικό Σύμπαν;

Big Bang – Let There Be Light! In the distant past the visible universe was much smaller than it is today and therefore much, much hotter. Indeed, within minutes of the big bang the conditions were just right to synthesize hydrogen and helium, but not much else. Early on the universe must have been bathed in an intense sea of very short wavelength photons. As the universe expanded, it cooled. All length scales were stretched by the expansion. In particular, all wavelengths were stretched by the same scale factor.

Big Bang – Predictions The universe should be expanding The universe should be made of roughly ¾ hydrogen and ¼ helium The universe should be bathed in microwaves; with a perfect thermal spectrum. This is basically the afterglow of the hot beginning

Big Bang – Puzzles The Flatness Problem Why is the global geometry of space Euclidean? The Horizon Problem Why is the temperature of the CMB the same at opposite sides of the universe? The Smoothness Problem Why, on very large scales is the universe so smooth? Why, on smaller scales, are galaxies distributed in huge sheets, separated by great voids?

Inflation One way to solve all three problems is to suppose that very early in the history of the universe the latter underwent a short period of hyper-expansion, called inflation. The visible universe it but a tiny patch of an immensely larger universe. Our patch of it appears flat because it has been stretched by an enormous factor. Points on the opposite side of the visible universe were once next to each other but were pushed far apart by inflation The stretching smoothed out the density differences. But any residual density differences have been stretched to enormous sizes.

Inflation – Predictions The geometry of space should be very flat The universe should be extremely uniform on large scales. The visible universe should have small density differences that are of astronomical size. The temperature of the CMB should be very nearly the same in every direction in space.

Supernova Cosmology Project