35
Το πείραμα BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2) Δημόκριτος 3/6/2014 διάλεξη Α.Βαγιάκη Γιατί τα αποτελέσματα που ανακοινώθηκαν από το BICEP2 στις 18/3/2014 είναι σημαντικά ; Βαρυτικά κύματα και Κβάντωση της Βαρύτητας Τι μάθαμε περαιτέρω για την δημιουργία του σύμπαντος ;

Γιατί τα αποτελέσματα που ανακοινώθηκαν από το BICEP2 στις 18/3/2014 είναι σημαντικά ;

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Το πείραμα BICEP 2 ( B ackground I maging of C osmic E xtragalactic P olarization 2 ) Δημόκριτος 3/6/2014 διάλεξη Α.Βαγιάκη. Γιατί τα αποτελέσματα που ανακοινώθηκαν από το BICEP2 στις 18/3/2014 είναι σημαντικά ; Βαρυτικά κύματα και Κβάντωση της Βαρύτητας - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

Το πείραμα BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2)

Δημόκριτος 3/6/2014 διάλεξη Α.Βαγιάκη

Γιατί τα αποτελέσματα που ανακοινώθηκαν από το BICEP2 στις 18/3/2014 είναι σημαντικά ;

Βαρυτικά κύματα και Κβάντωση της Βαρύτητας

Τι μάθαμε περαιτέρω για την δημιουργία του σύμπαντος ;

Page 2: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

Περίγραμμα παρουσίασης

• Περιγραφή του αποδεκτού κοσμολογικού προτύπου

• Τό Cosmic Microwave Background , CMB, κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, (ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία)

• Κβαντισμός της βαρύτητας• Πόλωση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων• Το πείραμα BICEP2• Τα αποτελεσματα• Βαρυτόνια (gravitons) ανιχνεύονται για πρώτη φορά

Page 3: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

Εν αρχή ην η μεγάλη έκρηξη

• Το BIG BANG

Page 4: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

Φαινόμενο Ντοπλερ , Doppler shift

• Μια πηγή κυμάτων η οποία κινείται προς τα αριστερά. Η συχνότητα είναι μεγαλύτερη στα αριστερά και μικρότερη στα δεξιά. Αντίστοιχα, το μήκος κύματος είναι μικρότερο αριστερά και μεγαλύτερο δεξιά

• Για κύματα που δεν χρειάζονται ένα υλικό μέσο για τη διάδοσή τους, όπως τα ηλεκτρομαγνητικά (φως) ή τα βαρυτικά κύματα στην ειδική σχετικότητα, μόνο η σχετική ταχύτητα του παρατηρητή ως προς την πηγή παίζει ρόλο

• Για την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, τα φωτόνια έχουν ενέργεια Ε=h*ν, όπου ν είναι η συχνότητα.

Page 5: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

the line wavelengths are 393 & 397 nm from Ca II [ionized calcium]; 410, 434, 486 & 656 nm from H I [atomic hydrogen]; 518 nm from Mg I

[neutral magnesium]; and 589 nm from Na I [neutral sodium]

• By measuring the amount of the shift to the red, we can determine that the bright galaxy is moving away at 3,000 km/sec, which is 1 percent of the speed of light,

because its lines are shifted in wavelength by 1 percent to the red.

http://www.astro.ucla.edu/~wright/doppler.htm

Page 6: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

Διαστολή του σύμπαντος

• Hubble's law ισχύει στην κοσμολογία διότι:• (1) αντικείμενα που παρατηρούνται στον εξωγαλακτικό

χώρο ( ~10 megaparsecs* or more) μετατόπιση Doppler που ερμήνεύεται ως σχετική ταχύτητα απομάκρυνσης από την γη.

• και (2) ,αυτή η ταχύτητα απο την μετατόπιση Doppler των γαλαξιών που απομακρύνονται απο την γή είναι περίπου ανάλογη με την απόσταση τους από την γη, για γαλαξίες που απέχουν εκατοντάδες parsecs*. Αυτό εξηγείται ως μέτρηση/παρατήρηση της διαστολής του παρατηρήσιμου σύμπαντος.

• *an abbreviation of the parallax of one arcsecond = 3.26156 light years

Page 7: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

Διαστολή του σύμπαντος

• Ένα ανάλογο για την διαστολή του σύμπαντος είναι η ζύμη ψωμιού με σταφίδες μέσα. Στον φούρνο η ζύμη φουσκώνει και οι σταφίδες απομακρύνονται η μία απο την άλλη γιατί όλα τα σημεία της ζύμης διαστέλλονται.

• Ενα άλλο πρότυπο είναι η δυδιάστατη επιφάνεια ένος μπαλονιού καθώς φουσκώνει. Όλα τα σημεία της επιφάνειας απομακρύνωνται το ένα από το άλλο.

• Κατ΄επέκταση , όλα τα σημεία του χώρου ήταν στην αρχη των αξόνων (0,0,0,0), [ (x,y,z,t)], βέβαια με την κλασική μηχανική.

Page 8: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

Χρονικη εξελιξη σε γραμμικη μορφή

• Στο 10^-35sec η διάμετρος του σύμπαντος ήταν 10^-50 μέτρα , στο10^-34 1 μέτρο

Page 9: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;
Page 10: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

Ακτινοβολία μέλανος σώματοςblack body radiation

• As the universe expanded, adiabatic cooling caused the energy density of the plasma to decrease until it became favorable for electrons to combine with protons, forming hydrogen atoms. This recombination event happened when the temperature was around 3000 K or when

the universe was approximately 379,000 years old.

Page 12: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

Απεικονιση των σημειων παρατηρησης στη γη

Κάθε σημείο της γης βλεπει την ουράνια σφαίρα στη απεικόνιση

Page 13: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

CMB cosmic microwave background, peak wavelength 1.063mm

• This map shows a range of 0.0005 K from the coldest (blue) to

the hottest (red) parts of the sky. Average temperature 2.725K

Page 14: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

History of the universe

Page 15: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

Οι δυνάμεις της φύσης είναι κβαντισμένες

• Η πειραματική φυσική έχει καταλήξει στο ότι υπάρχουν τέσσερις δυνάμεις στην φύση

• Η ηλεκτρομαγνητική,(φωτόνιο), η ισχυρή (γκλουόνιο), η ασθενής ( W,Z μποζόνια), και η βαρύτητα

• Γνωρίζουμε οτι οι τρεις πρώτες είναι κβαντισμένες

• Η κβάντωση της βαρύτητας, λόγω της πολύ ασθενούς σταθεράς που την χαρακτηρίζει είναι ακόμα υποθετική.

Page 16: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

Κβαντική βαρύτητα

• Η μεγάλη ομοιογένεια στο Κοσμικό Υπόβαθρο Μικροκυμάτων στα 380.000 χρόνια μετά το Big Bang οδηγεί στην υπόθεση ότι η κβάντωση της βαρύτητας ομογενοποίησε το αρχικό στάδιο με το inflaton = quantum fluctuations.

• Θεωρητικά δεν έχει λυθεί η κβάντωση της βαρύτητας εκτός με μεθόδους δανεισμένες από την κβάντωση άλλων πεδίων. Στα όρια παρουσιάζονται απειρίες. Η θεωρία των χορδών (strings) λύνει αυτά τα προβλήματα αλλά ακόμα δεν υπάρχει ένα γενικά αποδεκτό πρότυπο με χορδές που να προβλέπει μετρήσιμα μεγέθη.

• Η θεωρία είναι σε εξέλιξη αλλά είναι ο μόνος δρόμος να εξηγηθεί η ομοιογένεια στο αρχικό σύμπαν.

Page 17: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

Η βαρύτητα εμφανίζεται σαν παραμόρφωση του χωροχρόνου

• Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαδίδονται πάνω σε αυτή την παραμόρφωση

• Τα βαρυτόνια, με σπιν 2, έχουν διατάξεις τανυστικές στον χώρο,

• Το πολωμένο φως διατρέχοντας την παραμόρφωση αποτυπώνει το ανάτυπό της που είναι ανιχνεύσιμο

• Εξ αυτού ορμώμενοι οι θεωρητικοί της βαρύτητας πρότειναν την μέτρηση της πόλωσης στα μικροkύματα του CMB

Page 18: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

Ενα ηλεκτρομαγνητικό κύμα , στο μήκος μιας ακτίνας:

Page 19: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;
Page 20: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

Η πόλωση ανιχνεύεται ουσιαστικά με την μέτρηση της έντασης του φωτός, δηλαδή της ενέργειας που

εναποτίθεται στους ανιχνευτές.

Page 21: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

Η πόλωση ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος εκφράζεται μαθηματικά ως συνεισφορά απο τανυστή και συνεισφορά από

βαθμωτό. E-mode είναι το βαθμωτό σκέλος και B-mode είναι το τανυστικό.

• gradient curl

H πρόταση να ερευνηθείη Β πόλωση οδήγησε στονσχεδιασμό πειραμάτων. Το BICEP2 ειναι το πρώτο που έδωσε τιμές με ακρίβεια για την πόλωση Β

Page 22: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

Προβλήματα στην ερμηνεία των αποτελεσμάτων

• Τά E-modes παρουσιάζονται με τις αλλαγές πυκνότητας που δημιουργούν την παρατηρημένη (μικρή) ανομοιογένεια στις θερμοκρασίες CMB.

• Τα E-modes μπορεί να παραμορφωθούν από την σκόνη στο διάστημα και να μιμηθούν τα B-modes.Λύση: επιλογή Νοτίου πόλου , παράθυρο καθαρότητας

• Η βαρυτική εστίαση δημιουργεί B modes. Λύση: ανάλυση του τανυστή της πόλωσης σε ροπές και επιλογή ροπών που αποκλείουν την βαρυτική εστίαση

Page 23: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

Η αλλαγή της πυκνότητας της ύλης επηρεάζει την ΗΜ ακτινοβολία , E-mode. Τα βαρυτικά πεδία από βαρυτική εστίαση, και η σκόνη στο διάστημα είναι

υπόβαθρο (noise) για την πόλωση Β .Και τα δύο πρέπει να εκτιμηθούν και να αφαιρεθούν

Page 24: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

Video of BICEP2 experimenthttps://www.youtube.com/watch?v=jq-OvV-XHdc

Page 25: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;
Page 26: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;
Page 27: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

Το Πείραμα

Figure 4: Cross-sectional view of the telescope insert. The entire telescope insert assembly is cooled to 4 K by a thermal link to a liquid helium bath. The optics tube provides rigid structural support for the optical chain, including the lenses, filters, and aperture stop. The camera tube assembly houses the sub-kelvin sorption refrigerator and the cryogenic readout electronics in a radiatively and thermally protected enclosure. The sub-kelvin focal plane assembly sits within a superconducting Nb magnetic shield. The focal plane is thermally connected to the fridge via a passive thermal filter.

http://bicepkeck.org/index.html

Page 28: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

Το Πείραμα

Page 29: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;
Page 30: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;
Page 31: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

• Figure 3: Left: BICEP2 apodized E-mode and B-mode maps filtered to 50 < ℓ < 120. Right: The equivalent maps for the first of the lensed-ΛCDM+noise simulations. The color scale displays the E-mode scalar and B-mode pseudoscalar patterns while the lines display the equivalent magnitude and orientation of the linear polarization. Note that excess B-mode is detected over lensing+noise with high signal-to-noise ratio in the map (s/n > 2 per map mode at ℓ ≈ 70). (Also note that the E-mode and B-mode maps use different color/length scales.)

Page 32: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

τελικά στοιχεία

• r=0.2 +0.07 -0.05 tensor to scalar• Αφαιρώντας την συνεισφορα της σκόνης στο B mode :

• r=0.16 +0.06 -0.05

• Η τιμή απέχει 5.9 σ απο το r=0

Page 33: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

Συμπεράσματα

BICEP2 has detected the B-mode polarization of the CMB angular Power spectrum at large angular scales corresponding to the multipoles of 30 <l<150. These multipoles correspond to cosmological scales and, hence, the observations are signatures of primordial gravitational waves. The observations of BICEP2 correspond to a rather high tensor-to-scalar ratio of r = 0.2. Importantly, the BICEP2 team concludes that a vanishingtensor-to-scalar ratio is ruled out at 7 sigma. .

Page 34: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

If inflation is indeed the mechanism that had generated these primordialgravitational waves, it implies that inflation had occurred at an energyscale of V ^1/4 = 2.1 *10^16 GeV. Also, the inflaton would have rolled overDelta(phi)= 0.6 MPl in order to generate the observed amplitude of the tensormodes.

Page 35: Γιατί τα αποτελέσματα  που ανακοινώθηκαν  από το  BICEP2  στις 18/3/2014  είναι  σημαντικά ;

Αναφορές για όποιον ενδιαφέρεται να μελετήσει το φαινόμενο

• Σύνδεσμοι για τις ανακοινώσεις

• όλα τα στοιχεία απο το πείραμα και η δημοσίευση http://bicepkeck.org/

• http://motls.blogspot.gr/2014/03/bicep2-primordial-gravitational-waves.html?m=1 Μία ανάλυση της σημασίας των αποτελεσ,άτων από τον κοσμολόγο Liam McAllister, Cornell University.