ΠΛΗΘΩΡΙΣΜΟΣ ΤΑ ΠΡΩΤΑ ΣΤΑΔΙΑ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ

Παρουσίαση με θέμα: "ΠΛΗΘΩΡΙΣΜΟΣ ΤΑ ΠΡΩΤΑ ΣΤΑΔΙΑ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΠΛΗΘΩΡΙΣΜΟΣ ΤΑ ΠΡΩΤΑ ΣΤΑΔΙΑ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ
ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΩΝ ΜΑΘ/ΚΩΝ & ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΠΛΗΘΩΡΙΣΜΟΣ ΤΑ ΠΡΩΤΑ ΣΤΑΔΙΑ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ ΟΝΟΜ/ΝΟ: Χατζαρά Ειρήνη ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: κ. Παπαντωνόπουλος

2 HOT BIG BANG το καθιερωμένο κοσμολογικό μοντέλο (SBB)
ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΙΑΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ Διαστολή του Σύμπαντος από τον Hubble («οι γαλαξίες απομακρύνονται με ταχύτητες ανάλογες της απόστασής τους») Μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου ΕΠΙΤΥΧΗΜΕΝΕΣ ΠΡΟΒΛΕΨΕΙΣ Η διαστολή του σύμπαντος Η ύπαρξη και το φάσμα της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου Η αφθονία ελαφρών στοιχείων Ότι δεδομένων των ανωμαλιών του CMBR όπως καταγράφηκαν από τον COBE, υπάρχει ικανοποιητική εξήγηση για την ανάπτυξη της δομής στο σύμπαν

3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ SBB ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΚΗ ΑΡΧΗ: Σύμπαν ομογενές & ισοτροπικό
ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΚΗ ΑΡΧΗ: Σύμπαν ομογενές & ισοτροπικό 4-διάστατος χωρόχρονος περιγράφεται από τη μετρική Robertson- Walker: r, θ, φ: «comoving» πολικές συντ/νες , t: χρόνος, a: παράγοντας κλίμακας, k: καμπυλότητα χώρου για κλειστό (k>0) , επίπεδο (k=0) ή ανοιχτό (k<0) Σύμπαν Φυσική απόσταση= α x comov. distance ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΠΟΥ ΠΕΡΙΓΡΑΦΟΥΝ ΤΗ ΔΙΑΣΤΟΛΗ: Εξίσωση συνέχειας: Εξίσωση Friedmann:

4 ΑΝΕΠΑΡΚΕΙΕΣ ΚΑΘΙΕΡΩΜΕΝΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ
Ομοιογένεια μεγάλης κλίμακας (πρόβλημα ορίζοντα) Επιπεδότητα χώρου Το πρόβλημα των μονοπόλων ΟΡΙΟ ΠΡΟΒΛΕΨΕΩΝ: 1 sec μετά το Big Bang

5 Ποια είναι η προέλευση της ομοιομορφίας του CMB;
ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΟΡΙΖΟΝΤΑ Ποια είναι η προέλευση της ομοιομορφίας του CMB; Ακτινοβολία από αιτιακά ασύνδετες περιοχές είναι ομοιόμορφη σε αναλογία 1/10000 Κατά το μοντέλο BB, η CMB των 2.7 Κ εκπέμφθηκε yr μετά τη μεγάλη έκρηξη αλληλεπίδραση περιοχών που απέχουν μόλις 2ο ως προς τη Γη CMB αναμένεται ανομοιογενής και με κοκκώδη μορφή κλίμακας 2ο

6 ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΕΠΙΠΕΔΟΤΗΤΑΣ
Σχετικό με την τιμή της παραμ. πυκνότητας (τωρινή τιμή: ) Μια ελάχιστη αλλαγή στην πυκνότητα του σύμπαντος κατά τον χρόνο Planck θα είχε αλλάξει δραστικά την εξέλιξη του σύμπαντος. Αν το σύμπαν θα ήταν κλειστό έχοντας καταρρεύσει χιλιάδες χρόνια πριν. Αν το σύμπαν θα ήταν ανοιχτό με αμελητέα πυκνότητα ενέργειας. Ερώτημα που προκύπτει: Πως εξηγούνται οι τόσο ομαλές, «μη φυσικές» αρχικές συνθήκες;

7 ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΜΟΝΟΠΟΛΩΝ Επισημάνθηκε το 1979 από τον John Preskill
Η ένωση της παραδοσιακής Κοσμολογίας με τις GUTs έχει σαν αποτέλεσμα πολλά μαγνητικά μονόπολα Μονόπολα: υπερβαρέα σωματίδια με μικρή ενεργό διατομή Δημιουργούνται από το αυθόρμητο σπάσιμο της συμμετρίας, μιας ομάδας σε υποομάδα που περιέχει U(1) Αναπόφευκτο πρόβλημα για κάθε GUT (παρατηρούμενη συμμετρία SU(3)xSU(2)xU(1) )

8 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΛΗΘΩΡΙΣΜΟΥ Εισήχθη το 1981 από τον A. Guth Επιλύει τους κοσμολογικούς γρίφους Δεν αντικαθιστά το SBB μοντέλο αλλά το συμπληρώνει Βασίζεται στην ύπαρξη καταστάσεων με υψηλή ενεργειακή πυκνότητα η οποία δεν ελαττώνεται με μεγάλη ταχύτητα ΟΡΙΣΜΟΣ ΠΛΗΘΩΡΙΣΜΟΥ: Η περίοδος κατά την οποία ο παράγοντας κλίμακας του Σύμπαντος επιταχύνεται:

9 ALAN GUTH «ΠΑΛΙΟ ΠΛΗΘΩΡΙΣΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ»
Έννοιες που χρησιμοποίησε Αληθές κενό Σταθερή κατάσταση Ψευδοκενό Διεγερμένη κατάσταση Πληθωρισμός: μετάβαση από το ψευδές στο αληθές κενό Το ψευδοκενό έχει ελκτική βαρυτική επίδραση Η βαρύτητα του ψευδοκενού συνοδεύεται από τεράστια αρνητική πίεση Η αρνητική πίεση υπερνικά τη βαρύτητα Η προκύπτουσα απωστική δύναμη δίνει πληθωριστική ώθηση (διπλασιασμός μεγέθους Σύμπαντος κάθε sec) Το ψευδοκενό αποδιεγείρεται με διακυμάνσεις Αφού όπως έδειξε ο Einstein η ενέργεια έχει μάζα και συνεπώς ασκεί βαρυτική έλξη όπως η ύλη βαρυτική επίδραση της τεράστιας ενέργειας του κβαντικού κενού είναι φυσικά ισχυρότατα ελκτική. Γι αυτό και η εν λόγω κολοσσιαία βαρύτητα του ψευδοκενού δεν βοηθάει στην πρόκληση πληθωρισμού, αφού ο πληθωρισμός απαιτεί κάποιο είδος αντιβαρύτητας. Εντούτοις, η τεράστια ενέργεια του ψευδούς κενού συνδέεται με μια εξίσου τεράστια αρνητική πίεση, και αυτή ακριβώς είναι που λύνει το πρόβλημα. Στο ψευδοκενό η αρνητική πίεση είναι κολοσσιαία αντιβαρυτική, που ανταγωνίζεται την εξίσου τρομακτική βαρυτική έλξη της ενέργειας. Στον μεταξύ τους αγώνα τελικά κερδίζει η αρνητική πίεση και γι αυτό το συνολικό αποτέλεσμα είναι η παραγωγή μιας απωστικής δύναμης τόσο μεγάλης, που μπορεί να διαλύσει το σύμπαν σε κλάσματα του δευτερολέπτου. Αυτή η γιγαντιαία πληθωριστική ώθηση ήταν που προκάλεσε το διπλασιασμό του μεγέθους του σύμπαντος κάθε δευτερόλεπτα. Το ψευδές κενό είναι από τη φύση του ασταθές. Όπως όλες οι διεγερμένες κβαντικές καταστάσεις, μπορεί να αποδιεγερθεί στη θεμελιώδη κατάσταση του, δηλαδή στο αληθές κενό. Όντας μια κβαντική διαδικασία, υπόκειται στην αναπόφευκτη αβεβαιότητα και τις τυχαίες διακυμάνσεις λόγω της αρχής της απροσδιοριστίας του Heisenberg. Αυτό σημαίνει ότι η αποδιέγερση δεν θα συμβεί ομοιόμορφα σε όλο το χώρο: θα υπάρχουν διακυμάνσεις. Αυτές οι κβαντικές διακυμάνσεις του κενού είναι τελικά η πηγή των διακυμάνσεων που παρατηρήθηκαν από τους δορυφόρους COBE και WMPAP Φαινόμενο υπέρψυξης στα πεδία Higgs (τα σωματίδια μένουν σε κατάσταση ψευδοκενού, και η συμμετρία σπάει όταν καταφέρουν να φτάσουν στην κατάσταση αληθούς κενού)

10 ΠΕΔΙΟ HIGGS & ΠΛΗΘΩΡΙΣΜΟΣ
«Υπερψύξη μετάπτωσης φάσης αποτρέπει τον κατακλυσμό των μαγνητικών μονόπολων» Για η βαρύτητα αποχωρίζεται από τις άλλες δυνάμεις Για η ισχυρή πυρηνική αποχωρίζεται από την ηλεκτρασθενή θεωρία Σημείο εκκίνησης της θεωρίας του Guth: μετάβαση Higgs (διάσπαση GUTs). Πρότεινε ότι η διαταραχή των GUTs είναι μετάβαση από το ψευδοκενό στο αληθές κενό, άρα: Ψευδοκενό: κατάσταση στην οποία τα πεδία Higgs είναι μηδενικά αλλά με τεράστια πυκνότητα ενέργειας Αληθές κενό: Τα πεδία Higgs δεν είναι μηδενικά αλλά με ελάχιστη πυκνότητα ενέργειας

11 ΤΟ ΠΕΔΙΟ INFLATON Αναγκαία η αρνητική πίεση για την έναρξη πληθωρισμού. Το βαθμωτό πεδίο φ = φ(t) που την προσφέρει ονομάζεται inflaton. Το αντίστοιχο δυναμικό συμβολίζεται με V(φ). ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ: Παρόμοιο με πεδίο Higgs αλλά το διάγραμμα ενεργειακής πυκνότητας πιο επίπεδο. Το ψευδοκενό αποτελείται από πεδίο inflaton Όταν το inflaton μετακινηθεί σε χαμηλότερη ενεργειακή στάθμη το ψευδοκενό διασπάται Το δυναμικό του inflaton καθορίζεται από την σχέση : Το συνολικό μέγεθος του πληθωρισμού είναι:

12 ΕΠΙΛΥΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ ΕΠΙΠΕΔΟΤΗΤΑΣ
Επίδραση βαρύτητας αντιστρέφεται κατά τον πληθωρισμό: Καθώς τα Η, α αυξάνονται με τεράστιο ρυθμό: Άρα Ω -> 1 ( αντί να απομακρύνεται από το 1 όπως συμβαίνει στην υπόλοιπη ιστορία του Σύμπαντος) Φαινόμενο ανάλογο ενός μπαλονιού που φουσκώνει Συμπέρασμα: δε χρειάζεται να ορίσουμε αξιωματικά ότι το Σύμπαν ξεκίνησε με Ω κοντά στη μονάδα

13 ΕΠΙΛΥΣΗ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ ΜΟΝΟΠΟΛΩΝ
ΕΠΙΛΥΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ ΟΡΙΖΟΝΤΑ Πριν τον πληθωρισμό το μέγεθος του Σύμπαντος είναι πολύ μικρότερο από ότι προβλέπει η θεωρία SΒB. Διαστολή αυτού με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός (ενώ ο ορίζοντας γεγονότων διευρύνεται με την ταχύτητα του φωτός). Οι αιτιακά συνδεδεμένες περιοχές διευρύνονται σε περιοχές μεγαλύτερες από την απόσταση Hubble. Ομοιομορφία της θερμοκρασίας είναι φυσική συνέπεια του πληθωρισμού. ΕΠΙΛΥΣΗ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ ΜΟΝΟΠΟΛΩΝ Έστω ότι υπήρχε μεγάλος αριθμός μονόπολων στο πρώιμο Σύμπαν. Το ορατό σε μας Σύμπαν έχει προέλθει από τη διαστολή ενός πάρα πολύ μικρού όγκου. Στατιστικά αδύνατο να υπήρξε έστω και ένα μονόπολο στο χώρο αυτό.

14 ΠΩΣ ΣΤΑΜΑΤΑ Ο ΠΛΗΘΩΡΙΣΜΟΣ?
Η ενέργεια του ψευδοκενού πρέπει να απελευθερωθεί για την παραγωγή ύλης Η διάσπαση του ψευδοκενού ανάλογη του βρασμού του νερού Φυσαλίδες αληθούς κενού σχηματίζονται στο ψευδοκενό Το τοίχωμά τους διευρύνεται με την ταχύτητα του φωτός Η ενέργεια του ψευδοκενού είναι συγκεντρωμένη στα τοιχώματα και μπορεί να διασκορπιστεί ομοιόμορφα μόνο αν αυτά συγκρουστούν ΠΡΟΒΛΗΜΑ GRACEFUL EXIT: η διεύρυνση φυσαλίδων δε μπορεί να ανταγωνιστεί τη διαστολή του Σύμπαντος (ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός) άρα δε γίνονται συγκρούσεις. Το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας του Σύμπαντος εγκλωβισμένο στα τοιχώματα των φυσαλίδων άρα έλλειψη επαρκούς ενέργειας για να αρχίσει η Μεγάλη Έκρηξη

15 ΤΟ ΝΕΟ ΠΛΗΘΩΡΙΣΤΙΚΟ ΣΕΝΑΡΙΟ
Επίλυση του προβλήματος graceful exit από τον A. Linde το 1982: «Ο πληθωρισμός συμβαίνει κατά τη μετάβαση του πεδίου inflaton από τοπικό ελάχιστο υψηλής θερμοκρασίας στο ελάχιστο χαμηλής θερμοκρασίας» «ολόκληρη η ορατή περιοχή του Σύμπαντος περιλαμβάνεται στο εσωτερικό μιας και μόνο φυσαλίδας, γι αυτό δεν παρατηρούμε ανομοιομορφίες από τις συγκρούσεις των τοιχωμάτων» Ο Linde θεώρησε ένα πεδίο inflaton με μορφή πεπλατυσμένου μεξικάνικου καπέλου με πιο πλατιά και ομαλή κεντρική κορυφή σε σχέση με το αρχικό πρότυπο

16 ΠΑΛΙΟΣ Vs ΝΕΟΣ ΠΛΗΘΩΡΙΣΜΟΣ
Παλιό μοντέλο: Νέο μοντέλο:

17 ΧΑΟΤΙΚΟ ΠΛΗΘΩΡΙΣΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ
Εισήχθη από τον A. Linde (προσπάθεια απλοποίησης πληθωρισμού) : Δεν περιλαμβάνει μεταπτώσεις φάσης Το inflaton αρχικά είναι μετατοπισμένο από το αληθές κενό (κβαντικές ή θερμικές διακυμάνσεις) Ο όρος χαοτικό προκύπτει από τις χαοτικές αρχικές συνθήκες Πληθωρισμός καθώς το inflaton μεταπίπτει στην κατάσταση ελάχιστης ενεργειακής πυκνότητας Πέρας πληθωρισμού όταν φ=0 και το Σύμπαν αναθερμαίνεται κατά τη σύζευξη inflaton με άλλα πεδία Στη συνέχεια το Σύμπαν εξελίσσεται σύμφωνα με το SBB Ο χαοτικός πληθωρισμός είναι ένα γενικό σενάριο που μπορεί να ικανοποιηθεί από αρκετά μοντέλα

18 REHEATING (ΑΝΑΘΕΡΜΑΝΣΗ)
Η θεωρία αρχικά εισήχθη στα πλαίσια του νέου πληθωριστικού μοντέλου. Ανάγκη εύρεσης ενός γενικού μοντέλου reheating. 3 φάσεις για reheating: PRE-HEATING Το ταλαντούμενο πεδίο inflaton φ, διασπάται σε φ-σωμάτια (δεν βρίσκονται σε θερμική ισορροπία) ΙΙ. Διάσπαση των σωματιδίων της φάσης του preheating III. THERMALIZATION Τα παραγόμενα σωματίδια αλληλεπιδρούν για να έρθουν σε θερμική ισορροπία σε μια θερμοκρασία Tr (θερμοκρασία reheating)

19 ΔΙΑΣΠΑΣΗ Φ-ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ
PRE-HEATING Για φ > Μpl έχουμε πληθωρισμό (λόγω του όρου που παίζει το ρόλο της τριβής στην εξ. κίνησης του inflaton) Για φ < Μ pl /2 ο όρος γίνεται αμελητέος και το φ μειώνεται ταχύτατα στο ελάχιστο του V(φ) όπου ταλαντώνεται Το πλάτος των ταλαντώσεων μειώνεται (διαστολή , μεταφορά ενέργεια στα φ-σωμάτια που προκύπτουν λόγω ταλάντωσης) ΔΙΑΣΠΑΣΗ Φ-ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Το inflaton διασπάται σε μποζόνια χ και φερμιόνια ψ με ρυθμούς & Ο ρυθμός μείωσης πλάτους συμπίπτει με το ρυθμό διάσπασης THERMALIZATION Συγκρούσεις παραγόμενων σωματιδίων Προσέγγιση θερμοδυναμικής ισορροπίας Αύξηση θερμοκρασίας Σύμπαντος Το reheating ολοκληρώνεται όταν to Γ είναι μικρότερος από το ρυθμό διαστολής:

20 ΕΝΔΕΙΞΕΙΣ ΟΡΘΟΤΗΤΑΣ ΠΛΗΘΩΡΙΣΜΟΥ
Το μέγεθος του Σύμπαντος Η διαστολή Hubble Επίλυση προβλημάτων επιπεδότητας, μονοπόλων και ορίζοντα Ανισοτροπία του CMB Δομές μεγάλης κλίμακας

21 ΠΟΥ ΒΡΙΣΚΟΜΑΣΤΕ ΣΗΜΕΡΑ
Έχουν προταθεί πολλά μοντέλα πληθωρισμού Η ορθότητα της πληθωριστικής θεωρίας δεν έχει αποδειχτεί ακόμα Υπάρχουν ισχυρότατες ενδείξεις ότι κάποια μορφή πληθωρισμού είναι υπεύθυνη για το Σύμπαν στο οποίο ζούμε (λύσεις προβλημάτων sbb, υπολογισμός με ακρίβεια 15 δεκαδικών της πυκνότητας μάζας του Σύμπαντος, 1 sec μετά τη Μεγάλη Έκρηξη)

22 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Lecture Notes in Physics – Cotsakis, Papantonopoulos
Το πληθωριστικό Σύμπαν – Alan Guth Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems – Alan Guth Inflation & Eternal Inflation – Alan Guth Cosmological Inflation & Large Scale Structure- Andrew Liddle , David Lyth Principles of Physical Cosmology – P. J. E. Peebles Accelaration of the Universe – Andrew Liddle Initial Conditions for Inflation – Dalia Goldwirth, Tsvi Piran An exposition on inflationary cosmology – G. S. Watson The inflationary decade – Edward W. Kolb Reheating after Inflation – Lev. Kofman, Andrei Linde, Alexei Starobinsky