PIME ENERGIA mysteeri vai kangastus Kari Enqvist Helsingin

PIMEÄ ENERGIA mysteeri vai kangastus? Kari Enqvist Helsingin yliopisto ja Fysiikan tutkimuslaitos

alkuräjähdys á la Einstein • ei tapahtunut missään: aika ja avaruus saivat alkunsa alkuräjähdyksessä • avaruus ei laajene mihinkään tyhjään tilaan • valo kulkee vain 300 000 km/s: katsomalla kauas katsotaan samalla menneisyyteen

tyhjä avaruus laajenee Linnunrata välimatkat näyttävät venyvän atomit, galaksit sidottu toisiinsa

valo joka ei vielä ole ehtinyt Maahan horisontti maailmankaikkeus voi olla ääretön, mutta me näemme siitä vain äärellisen osan

Planckin aika 10 -43 s kosminen inflaatio 10 -35 s sähköheikko faasimuutos 10 -11 s -5 QCD faasimuutos 10 s 1 s aineen valtakausi 380 000 v 13. 7 mrd v alkusingulariteetti laajenee valoa nopeampi laajeneminen alkeishiukkaset saavat massansa kvarkit sitoutuvat protoneiksi atomiytimien synty alkaa mikroaaltotausta syntyy tämä päivä

kuinka paljon ainetta voi pilkkoa? 10 -11 m 10 -15 m ”koko” vailla merkitystä Planckin skaalassa 10 -34 m

Mitä oli ennen alkuräjähdystä? Ei mitään – aika ja avaruus ”syntyivät” alkuräjähdyksessä

suhteellisuusteoria: Ei ole aikaa ennen alkuräjähdystä samassa mielessä kuin pohjoisnavalta ei enää pääse pohjoisemmaksi … AIKA pohjoisuus loppuu avaruus onko suhteellisuusteoria viimeinen sana?

ALKURÄJÄHDYKSEN LYHYT HISTORIA

Saariuniversumista (Kant) William Herschel … Kapteynin universumiin (1922)

1917: Einstein sovelsi yleistä suhteellisuusteoriaa koko maailmankaikkeuteen Linnunradan eli maailmankaikkeuden tulisi romahtaa kasaan lisätään teoriaan ylimääräinen termi Kosmologinen vakio tyhjiön energiaa puskee avaruutta erilleen

Edwin Hubble - 1925: Linnunradan ulkopuolella on galakseja - 1929: galaksien lähettämä valo punasiirtyy sitä enemmän, mitä kauempana ne ovat avaruus laajenee Einstein kosmologisesta vakiosta: ”elämäni suurin möhläys” tyhjiöenergia = pimeää energiaa

Miten katsotaan menneisyyteen? • valon nopeus on vain 300 000 km/s: kun katsotaan kauas, katsotaan samalla menneisyyteen KUU on noin 1 s päässä menneisyydessä AURINKO on noin 8 minuutin päässä ANDROMEDAN GALAKSI on 2 miljoonan vuoden päässä ALKURÄJÄHDYS on 13. 7 miljardin vuoden päässä

Kun katsotaan niin kauas kuin on mahdollista katsoa, nähdään KOSMINEN MIKROAALTOTAUSTA - löytyi sattumalta vuonna 1965 - joka suunnasta saapuvaa mikroaaltosäteilyä

13. 7 mrd vuotta ≠ 13. 7 mrd valovuotta 380 000 vuotta alkuräjähdyksestä

Mikroaaltotaustaa mitanneita satelliitteja • COBE (Cosmic Background Explorer) 1992 • WMAP (Wilkinson microwave anisotropy probe) 2003 • Planck (vrt. Max Planck) 2009 keväällä – suomalaiset tutkijat mukana

Kuuma alkutila lämpösäteilyä T = 2. 725 K

WMAP derived maps Dust map Free-free map Synchrotron map CMB map

WMAP PRIMORDIAL SKY MAP <T> = 2. 725 K O(10 -5) K Kuumia ja kylmiä alueita muutaman sadastuhannesosaasteen suuruisia eroja

MIKÄ AIHEUTTI HÄIRIÖT MASSAENERGIAAN? Kosminen inflaatio = valoa nopeamman laajenemisen periodi varhaisessa maailmankaikkeudessa INFLAATIO: me olemassa mitättömien kvanttihäiriöiden ansiosta

KOSMINEN INFLAATIO heti alkuräjähdyksen jälkeen avaruus laajeni hetken valoa nopeammin tyhjiöenergiaa =1 10 -35 s ennustus: energiatiheys = kriittinen tiheys

l kulmakoko

UNIVERSUMIN KALUSTELUETTELO aiheuttaa kiihtyvää laajenemista

inflaation aikaiset kvanttiheilahtelut ennustaa muodon: n= 0. 9 - 1. 0 spektri-indeksi kosmisessa mikroaaltotaustassa havaittavia säteilyn lämpötilan vaihteluita tyhjiöenergia hajoaa kaikki aine

PIMEÄ AINE mustia aukkoja? - ”läpinäkyvää” – ei lähetä eikä vastaanota sähkömagneettista säteilyä - vaikuttaa painovoimallaan toistaiseksi tuntemattomien alkeishiukkasten muodostama kylmä kaasu supersymmetria: neutraliinot CERN LHC-kiihdytin 2008

Bullet cluster: dark matter in action

PIMEÄ ENERGIA EI KOOSTU HIUKKASISTA tyhjiöenergia = kosmologinen vakio “pimeä energia” yleisempi: kosmologinen vakio voi muuttua ajan kuluessa osallistuu maailmankaikkeuden kehitykseen painovoimavaikutuksellaan (energia on massaa ja massa energiaa!)

Tyyppi Ia supernova harvard. edu Chandrasekharin raja standardikynttilä

PIMEÄ ENERGIA

SN kirkkaus d d=[z+f( , m)z 2]/H 0 =0 emogalaksin z = energia/kriittinen energia

TEORIAA Einsteinin yhtälöt homogeeninen FRW-universumi laajenemisnopeus riippuu universumin sisältämästä aineesta ja energiasta ”pöly” (=galaksit), säteily hidastuva laajeneminen (gravitaatio attraktiivinen) tyhjiöenergia kiihtyvä laajeneminen

supernovahavainnot + FRW-oletus laajenemisvauhti alkoi kiihtyä n. 6 miljardia vuotta sitten relativistinen aine = säteily energia aine pimeä energia 300 000 v - 6 mrd v 2008 aika

tulevaisuudessa tyhjiöenergia määrää universumin laajenemisen jatkuvasti kiihtyvä (eksponentiaalinen) laajeneminen laajenemisnopeus ylittää valon nopeuden! OK galaksit katoavat näkyvistä horisontti

pimeä energia = teoreettinen ongelma hiukkasteoriat - miksi suuruusluokka E ~10 -120? - miksi juuri nyt? Nykykosmologian suurin haaste

Onko pimeä energia varmasti olemassa? laajenemista ei nähdä – ainoastaan valoa epähomogeniat kangastus? Onko teoria varmasti oikea? yleinen suhteellisuusteoria väärä? yleistä suhteellisuusteoriaa pitää laajentaa?

Pitääkö yleistä suhteellisuusteoriaa rukata? ei yleisin mahdollinen gravitaatioteoria kaksi malliluokkaa: rumat ja erittäin rumat - yleistetty gravitaatio - kvintessenssi vrt. inflaatio tieteellinen keskustelu jatkuu kiivaana …

EPÄHOMOGENIAT Einsteinin yhtälöt epälineaariset G[g] = 8 T[aine, g] FRW-oletus: g = <g>, aine = <aine> mutta: G[<g>] ≠ <G[g]>; 8 T[<aine>, <g>] ≠ 8 <T[aine, g]> periaatteessa G[<g>] = <G[g]> + lisätermejä voivatko epähomogeniat generoida efektiiviset Einsteinin yhtälöt siten, että pimeä energia selittyy niiden avulla? teknisesti vaikea ongelma

- kiitos havaintojen, kosmologia on muuttunut täsmätieteeksi - teoreettinen kehittely: pieni ja suuri kohtaavat alkuräjähdyksessä (mm. säieteoriat) - suurin teoreettinen ongelma: pimeä energia; pimeän aineen suora havainto 10 v skaalassa? - uusia kokeita tulossa: mm Euroopan avaruusjärjestön ESAn Planck-satelliitti 2009 (suomalaiset mukana)

FATAL ERROR memory access 2020211022011012201100010201010110 1010021102120022111101220110001021 physical address 00 -BF-21 -AC-00 -01 -AB-25 -OA beginning of core dump: 230821 XRW 1 WZZ 0955 W 1 EX 82 W 770 79882 JX 09 80080 XR 10 1 WQJ 220 X 0 4706 YZX 03 43 RW 25 XZX 095 WX 8017 200951 XZW 56272180 W 270961 XQW 6528 XVW 03 990 XQZX 10 130424 WYZ system recovery failed

Planck Surveyor Mission • ESAn satelliitti, laukaisu 2009 • kaksi mittalaitetta, molemmissa joukko mikroaaltovastaanottimia • mittaa kosmisen mikroaaltotaustan lämpötilavaihtelut tarkemmin kuin WMAP • suuri (400 hlöä) kansainvälinen yhteistyö • Suomessa rakennetaan 70 GHz: n vast. otin • dataa n. v. 2010

Mitä tutkitaan? - Planck-luotaimen datankäsittelyä - mikroaaltotamittausten implikaatioita kosmologisille parametreille - inflaatiomalleja - säie- ja braaniuniversumeita

Mitä kosmologin pitää osata? • • statistinen fysiikka kvanttikenttäteoria hiukkasfysiikka suhteellisuusteoria (1 kurssi) kosmologian erikoiskurssit (Kurki-Suonio) kosmologian kesäkoulut

LISÄTIETOJA • www. physics. helsinki. fi/~enqvist (tämä esitys) • www. physics. helsinki. fi/~tfo_cosm/ (Astroparticle physics and cosmology pages) • phys 45. phys. jyu. fi/~kimmo/cosmophysics/ (HIPin kosmologiaprojekti) • http: //www. helsinki. fi/~tfo_cosm/tfo_planck. html (Planck-sivut) • www. physics. helsinki. fi/~hkurkisu/ (dos. Kurki-Suonio) • users. utu. fi/tuomul/cosmophysics/ kosmologia Suomessa