Upload
others
View
5
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Wstęp do Fizyki Jądra Atomowego i cząstek elementarnych
II. Elementy kosmologii
Jan Królikowski
pok. 123 w Pawilonie IPJ
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
Plan Cz. II
• Modele Wszechświata Friedmana-Robertsona- Walkera
• Dane doświadczalne:– CMB (WMAP)
– SN Ia/ Lyman Forest i Ciemna Energia• Dygresja: wyznaczanie odległości we Wszechświecie
– Krzywe rotacyjne i Ciemna Materia
– Nukleosynteza
• Tworzenie struktur we Wszechświecie
• Nukleosynteza w Wielkim Wybuchu
• Ciemna Materia i Ciemna Energia
• Łamanie CP i zniknięcie Antymaterii
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
Kosmologiczny paradygmat (M. Rees, 1997)
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
The Universe is expandingfrom a hot big bang in which the light elements were synthesized.There was a period of inflation which led to a ``flat'' universe today.Structure was seeded by gaussian irregularitieswhich are the relics of quantum fluctuationsand is dominated by cold dark matter.
Epoki w historii Wielkiego Wybuchu
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
Epoka tlower tupper Wydarzenia
Augustyoska 0 ?
Plancka 10-43 ? ; Kwantowa grawitacja
GUT 10-43 10-36 Grawitacja oddziela się od GUT
Elektrosłaba 10-36 10-12 E-w oddziela się od QCD; inflacja, reheating;BBN; łamanie SUSY
Kwarkowa 10-12 10-6 SSB; masy fermionów
Hadronowa 10-6 100 Oddzielają się BB neutrina
Leptonowa 1 3 min Anihilacja (anty)materii, nie ma nowych par l+ l-
Fotonowa 3min 380 000 lat Zdominowana przez fotony: <70 000,nukleosynteza: 3min <t<20 min, recombinacja=380 000
II.1 Modele Wszechświata Friedmana-Robertsona- Walkera
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
22 2 2 2 2 2 2
2
2 2
0 0
1
1
0 1
1
0
drds dt a(t) r dθ r sin θdφ
kr
k ; k=a H Ω
0
3 2
0
1
1
1
1
emisji
/
aH
a
a t
a t z
t(z)H z
Ekspansja Hubbla
Współrzędne współbieżne (co-moving)
mhsstyczeo 2009
GRB jako świece standardowe 6
Zależnośd Hubbla
Jak jest wyznaczana
mierzona intensywnośd
świeca standardowa
Mierzona intensywnośd jest miarą odległości
Przesuniecie ku podczerwieni
Co stanowi Ciemną
materię?Co stanowi
Ciemną Energię
Jan Królikowski, XL Zjazd PTF, Kraków, 2009
Materia barionowa ~4-6% Ciemna Materia ~23%Ciemna Energia ~70%
Dynamika: równania Einsteina
Tensor metryczny okreslony przez tensor energii- pędu T
Dla izotropowego i jednorodnego Wszechświata:
Gęstość energii i ciśnienie:
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
)t(p)t(a
g~T;T);t(T
ijiji
2
000 0
31103 wa
wp;pa
a
dt
d
3 szczególne przypadki
• Zimna materia: p=0, w=0
• Gorąca materia: p=ρ/3; w=1/3
• Energia próżni p=-ρ; w=-1
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
const~a
~
a~
4
3
1
1Te trzy rozwiązaniamogą koegzystowad weWszechświecie jeżelifrakcje nie oddziałują ze sobą
a(t)
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
II.3.1 Wilkinson MicrowaveAnisotrophy Probe
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
Precyzja T=10-6K; kąta=0.2
Pasma K, Ka, Q, V, U satelity WMAP
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
PLANCK wysłany w maju 2009http://www.rssd.esa.int/SA/PLANCK/docs/Blue
book-ESA-SCI(2005)1_V2.pdf
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
Różnice temperatur WMAP
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
2
100
lm lml,m
l lm
ΔT θ,φa Y θ,φ
T
θ
C a
• The angle subtends a length on the surface of last scattering That would now, by the Hubble expansion of the universe, be about 200Mpc per degree (1Mpc is approximately 3 million light-years). Therefore, the corresponding th multipole is determined by density fluctuations on that wavelength scale. For example, the density fluctuations of wavelength around 2Mpc, which seed galaxies, subtend an angle of around an arcminute; those of 20Mpc that seed clusters of galaxies subtend about 10 arcminutes; and those of around 200Mpc that seed the largest structures seen today subtend about 1 degree. (All of these distances were a thousand times smaller at the time of last scattering, when the linear size of the universe was a thousand times smaller. But it is conventional to quote ``comoving separations'' as they would be now.)
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
Dygresja: pomiar odległości we Wszechświecie
• Małe z (<0.01):
– paralaksa geometryczna
dZ= jednostka astronomiczna, d- szukana odległość
Satelita Hiparchos katalog 118 000 gwiazd– dla jasnych gwiazd precyzja 7-910-4 sekund łuku precyzja d do 10% dla d do 100 pc
– jasność obserwowalna l jasność absolutna L odległość d
Wielkości gwiazdowe m (Pogson 1856):
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
d
dZ
24 dL
12552 1052210 scmerg./m
Świece standardowe
Świece standardowe
• Gwiazdy ciągu głównego : kalibracja za pomocą danych z Hiparchosa
• RR Lyrae
• Klastry Czerwonych Olbrzymów (M=-0.280.2 mag:w IR)
• Gwiazdy zaćmieniowe
• Cefeidy (Henrietta Swan Leavitt 1912: zależność M od okresu dla SMG)
• SNIa (WD tuż poniżej granicy Chandrasekhara: wybuch: synteza 56Ni z C i O)
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
mhsstyczeo 2009
GRB jako świece standardowe 18
SN i Wszechświat Dlaczego?
Supernova SNIa wybuch białego karła
SNIa powstają w wyniku wybuchu białych karłów gdy masa ich przekracza masę krytyczną granica Chandrasekhara
Następuje wybuch termojądrowy który w max osiąga świetlnośd rzędu 4*109L0
Jest to bardzo jasny wybuch•możliwe obserwacja do ~1Gpc, z~1
SN ważne dla produkcji ciężkich pierwiastków
Zapewne są najlepszymi wskaźnikami odległości we Wszechświecie
Badanie SN <=> źródłem wiarygodnych pomiarów odległości
Wybuchy SNIa są podobnegwiazdy z masą ~ granica Chandrasekhara
SNIa
mhsstyczeo 2009
GRB jako świece standardowe 19
Świece standartowe: Lobserwowana ~ Labsolutna / dL2
Nie wszystkie SN Ia są identyczne•są różnice w krzywych świetlności i widmach•szerokośd krzywych świetlności jest powiązana z Labs
•kształt krzywych świetlności i ich czas zaniku dają Labs
Ale można je przeskalowad np. uwzględniając time dilatation.
Lobserwowana mierzona świetlnośd objektu dla wyznaczenia luminosity distance dL potrzebna jest znajomośd Labsolutna
SNIa
mhsstyczeo 2009
GRB jako świece standardowe 20
Tuebingen 5 classical/57 patrz 5/64
Świece standardowe: SNIa, krzywe świetlności
Krzywe świetlności dla SNIA poprawione na
Time dilatationEfekty systematyczne
są identyczne
czas, dni
-20 0 20 40-20 0 20 40
czas, dni
pomiar po poprawkach
Co prawda dla małych z
SNIa mogą byd wykorzystane jako świece standartowe
SNIa
mhsstyczeo 2009
GRB jako świece standardowe 21
SN SNIa i zależnośd Hubbla
Hubble ST może obserwowad wybuchy SN do odległości 75% wymiarów Wszechświata.
SNIa obiekty o równej świetlności stanowią dobre narzędzie pomiarów odległości
Szybsza ekspansja Wszechświata jest obserwowana jako zmniejszenie jasności odległych SNIa.
Ich jasnośd jest miarą odległości.
mhsstyczeo 2009
GRB jako świece standardowe 22
http://www.bao.ac.cn/sinous2008/talks/22Apr/ZhangShuangNan-1.pdf
Cosmology-Independent GRB Hubble Diagram 192 SNe Ia and 69 GRBs
Widma Lymana
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
1emittedΔλλ z λ z ; z λ
Dane z WMAP, SNIa i dopasowania modelowe
Koniec rekombinacji
i obecnie
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
Ciemna materia i ciemna energia
Fluktuacje CMB całkowita gęstość energii= gęstości krytycznej cr. Gęstość barionowa stanowi zaledwie 0.046 gęstości krytycznej. Istnieje niebarionowa składowa- ciemna materia DM (0.23 gęstości krytycznej). Ciśnienie DM jest zerowe. DM wydaje się zbierać w skupiska (niestabilność grawitacyjna).
Pozostała część energii to ciemna energia DE, która wywiera ujemne ciśnienie. Może to być albo stała kosmologiczna (p=-) albo jakieś pola skalarne (kwintesencja? moduli?) o p=w,
-1<w<-1/3.
Gęstości fotonów i neutrin:
Obecnie 0 =10-34 g/cm3 co stanowi 10-5cr, T=2.73 K.
Dla trzech rodzajów bezmasowych neutrin T=1.9 K i ich obecna gęstość energii = 0.68 0 .
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
Jak było w przeszłości?
Gęstości energii promieniowania, zimnej materii (DM i barionowej) i DE zmieniają się z przesunięciem do czerwieni z jak:
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
4
0
3
3 1
2
0
1
1
1
38
γ γ
m cr m
w
DE cr DE
cr
ε ε z
ε ε Ω z
ε ε Ω z ;
Hgdzie ε πG
1 3
0
0
1
1
/ w
DEDE
m
cr meq
γ
Ωz Ω
ε Ωz
ε
Czy liczba Barionowa B i liczba leptonowa L są/ były zachowane?
• Obecnie wszystkie oddziaływania fundamentalne zachowują B i L
• Na etapie Wielkiej Unifikacji zachowane było B-L (?) źródło asymetrii B i L we Wszechświecie.
LeptogenezaBariogeneza
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
Bariogeneza
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
3 warunki Sacharowa
Zależność składu od z: ery promieniowania, materii i DE
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
γε
mε
DEε3 1/2p ε/ ; a ~t
2 30 /p ; a t
2 3 1/ ( w)p wε; a t
Nukleosynteza w Wielkim Wybuchu
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
Obliczenia modelowe porównane z pomiarami
Pierwotna nukleosynteza w WW
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
W miarę ekspansji spada T, a z nią n/p spada od ok. 0,6 do ok. 0,2. Równowaga załamuje się przy T~0,1 MeV gdy zaczyna dominować rozpad beta neutronu:
epn;enp ee
Pod koniec ery leptonowej T~1010 K (`1 MeV) dwa procesy słabe w równowadze:
Stosunek (n/p) był wtedy określony prawem Boltzmana:
231 c/MeV.~mm;e pnkT
)mm(
pn
pn
eepn
Produkty pierwszej reakcji nukleosyntezy mogą już teraz się utrzymać:
Dpn 2
1
Deuter i HelTempo pierwszej reakcji nukleosyntezy zależy od:
• Energii i częstości zderzeń, czyli od T,
• Stosunku n/p
• Koncentracji samych barionów czyli nn/np.
Neutron ma dwie możliwości:
• Syntezy deuteru przez reakcję z protonem
• Rozpad beta
Wygrywa pierwszy proces i przez pierwsze sekundy przybywa nam deuteru.
Gdy [D/H]>10-3 zaczynają syntetyzować jądra trójcząstkowe:
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
HepD
TnD32
32
Na skutek tych reakcji ubywa stopniowo deuteru, jego obfitość stabilizuje się na poziomie *D/H+~5.10-5.
Gdy koncentracja helu 3 osiągnie *3He/H]~10-5 zaczyna zachodzić reakcja syntezy 4He:
W ciągu kilku pierwszy minut powstała zasadnicza ilość helu we Wszechświecie.
W ciągu tych kilkuset sekund Wszechświat rozszerza się, rozrzedza i stygnie 100 razy do T~108 K
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
pHeHeHe 2433
Nie ma stabilnych nuklidów o masach 5 i 6, wiec to hel jest główną pozostałością tej ery.
Nieco helu jest w stanie wejść w reakcje z helem 3 i trytem:
Hel nie może już wchodzić w reakcje ze sobą bo jest za zimno.
Przez dalsze kilka tysięcy sekund:
• Tryt rozpada się do 3He,
• 7Be wychwytuje elektrony i przekształca się w 7Li.
Jest to koniec pierwotnej nukleosysntezy.
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
BERYL i LIT
BeHeHe
LiTHe734
734
Obfitość jako funkcja czasu i gęstości
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych
Obfitość helu jako funkcja liczby generacji neutrin
Był to ważny test modelu standardowego przed pomiarami rozpadów Z0
Wstęp do Fizyki Jadra i Cząstek Elementarnych