Космология: вчера, сегодня, завтра

Космология: вчера,
сегодня, завтра
Вчера
• 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
космологии за 15 минут
1922 А. Фридман:
теоретическое предсказание
расширения Вселенной
1929 Э. Хаббл:
экспериментальное подтверждение
1948 Г. Гамов:
теоретическое предсказание
Вселенной
горячей
1965 А. Пензиас, Р. Вилсон:
экспериментальное подтверждение
Курс современой
космологии за 15 минут
• 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»).
Курс современой
космологии за 15 минут
 В 1965 г. Пензиас и Вилсон
открыли реликтовое
излучение и тем самым
сделали космологию
«современной».
• 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.
Что каждый культурный
человек должен знать о
космологии ранней Вселенной
• Все началось с инфляции, и это было хорошо
(а не то мы остались бы просто слабыми
возмущениями волновой функции).
Что каждый культурный
человек должен знать о
космологии ранней Вселенной
• Когда было горячо, кругом было полно всяких
разных элементарных частиц. Многие их них
распались, но некоторые выжили и до сих пор.
Что каждый культурный
человек должен знать о
космологии ранней Вселенной
• Рекомбинация - это момент, когда материя и
излучение перестали взаимодействовать –
всего то 480,000 лет после конца инфляции.
Что каждый культурный
человек должен знать о
космологии ранней Вселенной
• После рекомбинации начинается эпоха
поздней Вселенной, излучение и материя
друг с другом не взаимодействуют (почти).
Реликтовое 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...
COBE
• COsmic Background Explorer.
 Запущен в 1989.
 Работал 4 года.
 Несколько научных
целей, главная –
обнаружить флуктуации
реликта.
 И, главное, получилось
же!!!
Что COBE измерил
Что COBE измерил
Что COBE измерил
Что COBE измерил
минус однородный фон (0.2%)
минус эффект Доплера (10-5)
минус Млечный Путь (10-5)
Что COBE измерил
• 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.
WMAP
• Wilkinson Microwave Anisotropy Probe.
 Запущен в июне 2001.
 Работал 9 лет
(продливался дважды).
 Единственная научная
задача – более точное
измерение флуктуаций
реликта.
Planck
• 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 спутника
Атакама и Антарктика
 Более двух десятков экспериментов на земле.
 Острее зрение, только кусочек неба.
SPT
ACT
Зачем 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
реликт
• 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 флуктуаций
• Распределение флуктуаций на разных
угловых масштабах называется спектром.
Спектр флуктуаций
• Чтобы получить правильный спектр,
надо жить в правильной Вселенной...
Космология – наука
точная
• If that
А в это время где-то в
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!
• Скорость вращения Млечного Пути.
Неожиданность #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 чтото...
Темная 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!
• 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 материя
• Доля всей материи во Вселенной:
– Астрономия:
– WMAP:
– Plank:
• Доля барионов (обычной, светлой материи):
– Астрономия:
– WMAP:
– Plank:
Хотите верьте, хотите...
все равно придется
• До сих пор мы открыли только 5%
содержимого нашей Вселенной.
Завтра
Незнание законов Вселенной не
освобождает от ответственности их
открывать.
• Задача #1: обнаружить темную материю (в
лаборатории, по аннигиляционному
излучению, ...)
• Задача #2: измерить свойства темной энергии
по ее эффекту на расширение Вселенной.
Темная 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 – слабовзаимодействующие массивные частицы
(WIMP).
• Существуют и другие кандидаты: аксионы,
стерильные нейтрино, и т.д.
Ищем черную кошку в
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
темной комнате...
• Все «открытия»
сходятся на
массе частицы
в 10 раз больше
массы протона.
• Гонка за
Нобелем
выходит на
последний
круг...
Темная 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 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 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.
Заряжаем черную батарейку
в 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.
Заряжаем черную батарейку
в 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
Астрономия
Кустарная
Индустриальная
Индустриальная
Астрономия
Индустриальная
Астрономия
• «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 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.