Космология. V. Ранняя Вселенная. Первичный нуклеосинтез. Инфляция. Образование современной структуры 2/13/2018 Л 11 1
Уравнения Фридмана (1922) Добавлено Эйнштейном в 1917 г. 2/13/2018 Л 11 2
Связь с наблюдаемыми параметрами 2/13/2018 Л 11 3
Модели без космологической постоянной 2/13/2018 Л 11 4
Модели с космологической постоянной 2/13/2018 Л 11 5
Открытие ускоренного расширения Вселенной по наблюдениям далеких термоядерных сверхновых SNIa (NP 2011) 2/13/2018 Л 11 6
2/13/2018 Л 11 7
Краткая история расширения Вселенной Современная Вселенная 14 млрд. лет Образование звезд 3 млн. лет Рекомбинация 300 тыс. лет Первич. Нуклеосинтез 1 -100 с Отщепление нейтрино 0. 1 с Барионы 10 -7 -10 -4 с Кварки 10 -30 -10 -7 с 2/13/2018 Л 11 Инфляция t<10 -30 c 8
Фазовые переходы от кварков к ядрам • Образование НЗ: рост плотности при T~10 Mэ. В • Ранняя Вселенная: уменьшение плотности и температуры ρn= 2 x 1014 г/см 3 2/13/2018 Л 11 9
Первичный нуклеосинтез (t~1 -200 с) • • Фазовый переход КХД при TQCD~170 Мэ. В~1012 K образование барионов (n=udd, p=uud) из кварк-глюонной плазмы n, p в ТДР из-за слабых взаимодействий • Вселенная расширяется и остывает (T~1/t 1/2), сечения слабых взаимодействий уменьшается : σ~GFE 2, nσc~ T 3 T 2~1/t 5/2 < H(t)~1/t. Выход нейтрино из равновесия при t~0. 1 с • При T<70 ke. V из барионов образуются легчайшие ядра (первичный нуклеосинтез). Nn/Np~0. 16 ~25% He 2/13/2018 Л 11 10
Динамика первичного нуклеосинтеза 265 s 2/13/2018 Л 11 11
2/13/2018 Л 11 12
75% H и 25% He рождаются в первые три минуты 2/13/2018 Л 11 13
V. Ранняя Вселенная время B A сегодня t l. A 2/13/2018 l. B • Фридмановские модели ранней Вселенной a~t 1/2 , горизонт частиц l~ct • Удаленные объекты не должны быть причинно связанными Почему наблюдаемая Вселенная однородна и изотропна? • a(t 0)=lp(t 0/tp)1/2~ 1033 см (1017/10 -43)1/2 ~0. 1 мм Почему наблюдаемая часть Вселенной столь большая? Пр-во l. H~a 0~1028 см? Л 11 14
• Почему полная плотность близка к критической? |Ωc |<0. 02. Или почему Вселенная практически плоская? 2/13/2018 Л 11 15
• Возможное объяснение: очень тонкая настройка «начальных условий» (точка зрения, преобладавшая до начала 1980 -х) • “What really interests me is whether God had any choice when He created the World” (A. Einstein) • ~1980 е: Парадоксы исчезают, если до Фридмановских стадий (подтвержденных первичным нуклеосинтезом, рекомбинацией и т. д. ) была эпоха, когда гравитация ускоряла, а не замедляла расширение, т. е. d 2 a(t)/dt 2>0 2/13/2018 Л 11 16
2/13/2018 Л 11 17
Модель инфляционной Вселенной • a(t)~exp(Ht), H=const • Сопутствующий горизонт: a(t) • Кривизна: ~70/H 2/13/2018 time Л 11 Δt~70/H достаточно для плоскостности с точностью 10 -60! 18
Физические модели • Физ. вакуум (Э. Глинер 1965), • A. Старобинский, A. Д. Линде 1979, A. Guth 1981, . . . : Массивное скалярное поле φ с потенциалом V(φ) (инфлатон) 2/13/2018 Л 11 19
Инфляция как теория гармонического осциллятора Линде 1983 2/13/2018 Л 11 20
• Эйнштейн: Уравнения движения: • Кляйн-Гордон: Сравните с уравнением для гармонического осциллятора: 2/13/2018 Л 11 21
Логика инфляции: Большое φ большое H большое трение Поле φ изменяется очень медленно, поэтому потенциал долгое время остается почти постоянным Динамика скалярного поля автоматически обеспечивает экспоненциальное расширение. 2/13/2018 Л 11 22
Рост возмущений A сегодня B • рекомбинация A и B кажутся причинно связанными в эпоху рекомбинации Радиационнодомин. a(t)~√t Инфляция a(t)~exp(Ht) 2/13/2018 • Л 11 A и B были причинно связаны на инфляционной стадии! 23
2/13/2018 Л 11 24
2/13/2018 Л 11 25
2/13/2018 Л 11 26
2/13/2018 Л 11 27
Квантовые флуктуации видны в эпоху рекомбинации с относитлеьной амплитудой ~10 -5 2/13/2018 Л 11 28
Образование крупномасштабной структуры Вселенной 2 5 5 2 1 1 3 4 1 4 3 Двумерный аналог 2/13/2018 Л 11 29
Наблюдаемая структура 2/13/2018 Л 11 30
«Стенки» Характерный размер «войдов» 130 Мпк Cf. A+SDSS 2/13/2018 Л 11 31
Компьютерное моделирование формирования структуры в модели ЛCDM (V. Springel) 2/13/2018 Л 11 32
2/13/2018 Л 11 33
2/13/2018 Л 11 34
2/13/2018 Л 11 35
2/13/2018 Л 11 36
2/13/2018 Л 11 37
2/13/2018 Л 11 38
2/13/2018 Л 11 39
2/13/2018 Л 11 40
• Пример галактик «Ly-break» 2/13/2018 Л 11 41
2/13/2018 Л 11 42
Hubble UDF 2/13/2018 Л 11 43
2/13/2018 Л 11 44
2/13/2018 Л 11 45
Галактика «бэби-бум» , ок. 4000 масс Солнца в год Возраст: 1. 5 миллиарда лет. Z=4. 55. 2/13/2018 Л 11 46
САМАЯ ДАЛЕКАЯ ГАЛАКТИКА, обнаруженная на сегодня • Открыта в апреле 2009 г. как источник мощного гамма –всплеска • Z = 8. 2 (600 млн лет после начала расширения) 2/13/2018 Л 11 47
СОВРЕМЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ КОСМОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ (ПО ОТНОШЕНИЮ К КРИТИЧЕСКОЙ) • ПОЛНАЯ ПЛОТНОСТЬ 1. 02+/-0. 02 • СРЕДНЯЯ ПЛОТНОСТЬ НАБЛЮДАЕМОГО ВЕЩЕСТВА: ЗВЕЗДЫ, ГАЗ И ПЫЛЬ В ГАЛАКТИКАХ 0. 01+/-0. 005 • СРЕДНЯЯ ПЛОТНОСТЬ ВЕЩЕСТВА, СОСТОЯЩЕГО ИЗ АТОМОВ (как наблюдаемого, так и не-наблюдаемого) 0. 044+/-0. 04 • СРЕДНЯЯ ПЛОТНОСТЬ «ТЕМНОЙ» МАТЕРИИ 0. 27+/-0. 04 • ПЛОТНОСТЬ «ВАКУУМА» 0. 73+/-0. 04 2/13/2018 Л 11 48
Идея Мультиверс – Множество Вселенных с различными начальными условиями 2/13/2018 Л 11 49
2/13/2018 Л 11 50
Нерешенные вопросы • Природа Темной Материи. Возможное решение – в течение нескольких лет (WIMPS? ), если новые тяжелые частицы будут найдены экспериментально (LHC>2015? ) • Природа Темной Энергии (~10 лет ? ? ? ) • Природа барионной асимметрии Вселенной (слабое взаимодействие? ) • Обнаружение реликтового фона гравитационных волн (косвенно, по измерениям поляризации РИ в космическом эксперименте ПЛАНК, >2013), непосредственно ГВдетекторами ( LISA >2020? ) • Реликтовый фон нейтрино (T~2 K) (как обнаружить? ) • Топологические дефекты (космические струны. . . ) (? ) • Экзотика (многомерные модели – Вселенная на бране. . ) • … 2/13/2018 Л 11 51
Скачать презентацию Космология V Ранняя Вселенная Первичный нуклеосинтез Инфляция Образование
MSU_cosmol3_2013.ppt