Космология: вчера, сегодня, завтра

Космология: вчера, Космология: вчера, сегодня, завтрасегодня, завтра

ВчераВчера

• Космология существовала всегда: геоцентрическая модель Птолемея тоже космология (и самая успешная из всех).

• Космология стала «современной» 13 мая 1965 года.

• Космология стала «точной» 23 апреля 1992 года.

Курс современой Курс современой космологии за 15 минуткосмологии за 15 минут

1922 А. Фридман: теоретическое предсказание расширения Вселенной

1929 Э. Хаббл: экспериментальное подтверждение

1948 Г. Гамов: теоретическое предсказание горячей Вселенной

1965 А. Пензиас, Р. Вилсон: экспериментальное подтверждение


• Если бы Вселенная не расширялась или всегда была бы холодной, курс на этом бы и закончился...

• Раз Вселенная была горячей, материя (фермионы) и излучение (бозоны) были в равновесии (т.е. умеем считать что там могло быть).

• Раз Вселенная расширяется и остывает, равновесие должно рано или поздно нарушиться (излучение «отцепилось» от материи и стало «реликтовым»).

• Космология ранней Вселенной: взаимодействие излучения и материи в равновесии (ну, почти равновесии).

• Космология поздней Вселенной: мир галактик, звезд, и всего, что там плавает между ними.

В 1965 г. Пензиас и Вилсон открыли реликтовое излучение и тем самым сделали космологию «современной».


Что каждый культурный человек Что каждый культурный человек должен знать о должен знать о

космологии ранней Вселеннойкосмологии ранней Вселенной

• Все началось с инфляции, и это было хорошо (а не то мы остались бы просто слабыми возмущениями волновой функции).



• Когда было горячо, кругом было полно всяких разных элементарных частиц. Многие их них распались, но некоторые выжили и до сих пор.



• Рекомбинация - это момент, когда материя и излучение перестали взаимодействовать – всего то 480,000 лет после конца инфляции.



• После рекомбинации начинается эпоха поздней Вселенной, излучение и материя друг с другом не взаимодействуют (почти).

Реликтовое излучениеРеликтовое излучение

• Почему оно не важно:– Холодное – 2.728 K.– 0.01% эффект на скорость расширения.

• Почему оно важно:– Квантовые флуктуации во время инфляции

(да, те самые ) растягиваются в макроскопические флуктуации в реликте.

– Вся последующая эволюция Вселенной оставляет на этих флуктуациях следы – надо лишь научиться их читать...

COBECOBE

• COsmic Background Explorer. Запущен в 1989. Работал 4 года. Несколько научных

целей, главная – обнаружить флуктуации реликта.

И, главное, получилось же!!!

Что Что COBE COBE измерилизмерил




минус однородный фон (0.2%)

минус эффект Доплера (10-5)

минус Млечный Путь (10-5)


• Первые результаты от COBE были обнародованы (точнее, «озвучены») 23 апреля 1992 года, и космология стала точной наукой.

• За COBE последовало много других экспериментов, и с земли, и из космоса.

WMAPWMAP

• Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Запущен в июне 2001. Работал 9 лет

(продливался дважды). Единственная научная

задача – более точное измерение флуктуаций реликта.

PlanckPlanck

• Назван в честь Макса Планка. Запущен в мае 2009 г. Работал 20 месяцев. Единственная научная

задача – более точное измерение флуктуаций реликта (по европейской версии).

Реликт и 3 спутникаРеликт и 3 спутника

Атакама и АнтарктикаАтакама и Антарктика

SPTSPT

ACTACT

Более двух десятков экспериментов на земле. Острее зрение, только кусочек неба.

Зачем это все надоЗачем это все надо

• Флуктуации температуры на небе - это последствия различных физических процессов, произошедших на разных стадиях расширения Вселенной.

• Теория большинства этих процессов хорошо развита, все что надо - это считать свойства нашей Вселенной с микроволного неба (ну, и, не забывать о том что не все еще открыто).

Как расшифровать Как расшифровать реликтреликт

• Флуктуации на небе случайны, но амплитуды флуктуаций на разных масштабах тесно связаны.

• На небе различные масштабы описываются сферическими гармониками, или мультиполями:– вся небесная сфера– половина небесной сферы– ¼ небесной сферы– и т.д.

Спектр флуктуацийСпектр флуктуаций• Распределение флуктуаций на разных

угловых масштабах называется спектром.

Спектр флуктуацийСпектр флуктуаций

• Чтобы получить правильный спектр, надо жить в правильной Вселенной...

Космология – наука Космология – наука точнаяточная

• If that

А в это время где-то в А в это время где-то в Астрономии...Астрономии...

• В 1959 г. Луиза Воддерс обнаружила, что спиральная галактика M33 вращается быстрее чем ей положено по статусу.

• К 1975 г. Вера Рубин открыла, что все спиральные галактики вращаются слишком быстро.

• Основываясь на этих наблюдениях, Джерри Острайкер и Джим Пибблс выдвинули гипотезу о существовании невидимой темной материи.

• Фритц Звикки сделал это в 1933 г., но...

У нас она тоже есть!У нас она тоже есть!

• Скорость вращения Млечного Пути.

Неожиданность #2Неожиданность #2• В 1998 г. две независимые группы ученых

обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется со временем.

• Материя, даже и темная, всегда только замедляет расширение.

Значит, во Вселенной существует еще что-то...

Темная энергияТемная энергия• Это что-то обладает отталкивающей

гравитацией – до сих пор никто никогда такого не обнаруживал (ну, разве что, теоретики выдумывали).

• Что делать, если открыл что-то, о чем не имеешь ни малейшего понятия? Придумай этому название.

• Так родилась темная энергия...

Внимание, занавес!Внимание, занавес!• К чему все это? • Да теперь у нас есть астрономические

наблюдения темной материи, темной энергии, плюс спектр флуктуаций реликта (в котором это тоже все зашифровано).

• Главное:

Все наблюдения согласуются между собой!

Темные действительно существуют.

Темная материяТемная материя• Доля всей материи во Вселенной:

– Астрономия:– WMAP:– Plank:

• Доля барионов (обычной, светлой материи):– Астрономия:– WMAP:– Plank:

Хотите веХотите веррььтте, хотите... е, хотите... все равно придетсявсе равно придется

• До сих пор мы открыли только 5% содержимого нашей Вселенной.

ЗавтраЗавтра

• Задача #1: обнаружить темную материю (в лаборатории, по аннигиляционному излучению, ...)

• Задача #2: измерить свойства темной энергии по ее эффекту на расширение Вселенной.

Незнание законов Вселенной не освобождает от ответственности их

открывать.

Темная материяТемная материя• Барионы (обычная материя) составляют

менее 20% всей материи.• Значит, такие объекты как черные дыры,

нейтронные звезды, обломки инопланетных кораблей, не могут составлять всю темную материю.

• Наиболее вероятный кандидат – слабо-взаимодействующие массивные частицы (WIMP).

• Существуют и другие кандидаты: аксионы, стерильные нейтрино, и т.д.

Ищем черную кошку в Ищем черную кошку в темной комнате... темной комнате...

• DAMA (Италия) с 2000 г.: видят «годовую модуляцию», интерпретируют как открытие темной материи.

• CoGENT, 2011: объявил об обнаружении сигнала от темной материи.

• CRESST, 2012: объявил об измерении годовой модуляции.

• CDMS, 2013: обнаружил 3 «события» интерпретируемые как столкновения частиц темной материи с веществом.

• XENON 100: ничего не видно.

Ищем черную кошку в Ищем черную кошку в темной комнате... темной комнате...

• Все «открытия» сходятся на массе частицы в 10 раз больше массы протона.

• Гонка за Нобелем выходит на последний круг...

Темная энергияТемная энергия• Кандидат #1: космологическая постоянная.

– Придумана Эйнштейном (+).– В 10120 раз меньше чем «естественное»

значение в теории поля (-).– В теории струн не существует вообще (-).

• Кандидат #2: «квинтэссенция» – квантовое поле со специальными свойствами.– Объясняет, почему темная энергия столь

разряжена (+).– Нигде никем и никогда не обнаружена (-).

Темная энергияТемная энергия

• Кандидат #3: может никакой темной энергии и нет вовсе, просто теория относительности неточна на космологических масштабах.–Обижаем Эйнштейна (-).–Никто не преуспел в построении такой работающей теории (-).

Заряжаем черную батарейку в Заряжаем черную батарейку в

темной комнате...темной комнате...

• Единственный способ узнать что-нибудь о темной энергии – это измерить ее влияние на расширение Вселенной.

• Это влияние измеряется специальным параметром w.

• Космологическая постоянная Эйнштейна соответствует w = -1.

• Нобель #2: померить отклонение w от -1 или найти отклонения от теории относительности.


темной комнате...темной комнате... • Существует много разных «проб»

расширения Вселенной:– Сверхновые как «стандартные свечи»

(меряем скорости далеких галактик).– Гравитационное «линзирование» (меряем

как сильно галактики притягиваются друг к другу).

– «Акустические осцилляции» (почти прямое измерение расширения Вселенной).

– Распределение скоплений, искажения красных смещений, и т.д. и т.п.


темной комнате...темной комнате... • Зачем так много разных методов? A. Обеспечить работой

всех астрономов.

B. Ни один из методов не является лучшим.

C. Параметры, описывающие Вселенную, «говорят» друг с другом (взаимная корелляция).

Индустриальная Индустриальная АстрономияАстрономия

Кустарная Индустриальная



• «Большой адронный коллайдер Астрономии»: LSST (Large Synoptic Survey Telescope), 2015+

8м телескоп ½ неба до ½ возраста

Вселенной (¼ всей наблюдаемой Вселенной)

25 миллиардов галактик Соберет данных больше,

чем все предыдущие наблюдения вместе взятые.

Вместо заключенияВместо заключения• За последние 20 лет космология превратилась

из (почти) чистой теории в точную «экспериментальную» науку.

• Современные космологи не обсуждают расширяется ли Вселенная, они обсуждают как точнее сфокусировать телескоп.

• Новые открытия в космологии сровняли с землей старые представления: 95% Вселенной состоит из темных материи и энергии.

• Понять их – основная задача современной космологии.

Documents

Космология: вчера, сегодня, завтра