Oorsprong van het heelal, inflatie en de kiemen van structuur Alles uit Niets Oorsprong van het heelal, inflatie en de kiemen van structuur Jan Pieter van der Schaar Instituut voor Theoretische Fysica Universiteit van Amsterdam Paradisolezingen 2007: 1+1=3 Goedemorgen en welkom. Paradiso, poptempel, zondagochtend, kerkgang, kosmologie, ontstaan en eigenschappen van ons absurde heelal, wetenschappelijke scheppingsverhaal (genesis). Midden 17e eeuw aartsbisschop James Ussher uit Ierland: god creerde hemel en aarde op 22 october, 4004 BC, 8 uur ‘s ochtendsvroeg. Even later gecorrigeerd door de bijbelgeleerde Dr John Lightfoot: Adam werd gecreerd op 23 oktober, 4004 BC, 9 uur in de ochtend!! De oudste stenen op aarde zijn ongeveer 4,6 miljard jaar oud, en inmiddels weten we dat ons heelal ongeveer 13,7 miljard jaar oud is (plus/min 200 miljoen jaar) (ochtend, middag of avond, dat is onduidelijk)

Alles uit Niets Ons zichtbare heelal: van Alles naar `Niets’ Kosmologische parameters Theorie en observatie Donkere mysteries `Emergentie’ of gewoon toeval? Fijn-afstelling parameters Dynamisch versus begin-conditie Inflatie en de oorsprong van structuur Speculaties over `Niets’ Beknopt overzicht van mijn lezing: (1) op reis in ruimte en tijd, terug naar het begin, (2) Wat weten we en hoe, en welke verassingen heeft ons heelal in petto, (3) Mysteries van de oerknal: toeval of moest het zo zijn, (4) Inflatie verklaart veel, maar niet alles, (5) wilde speculaties!

X+Y=? 0+0=∞ ! Paradisolezingen 2007: 1+1=3 NWO Hypothese, nr. 5, jaargang 13 Paradisolezingen 2007: 1+1=3 Subtitel: emergentie en 1+1=3, collectief is meer dan de som der delen, collectief `gedrag’ niet direct herleidbaar tot individuele componenten. 1+1=4,5,6,7,...,100000? Aankondiging in nwo, 3+3=1 : subemergentie, collectief is minder dan de som der delen??? In de context van de inflationaire kosmologie is eens gezegd “........”, derhalve zou een goede ondertitel voor mijn lezing kunnen zijn 0+0=oneinding, oftewel alles uit niets. “In the context of inflationary cosmology, it is fair to say that the universe is the ultimate free lunch” – Alan Guth 0+0=∞ !

Emergentie Eigenschappen heelal Dynamische verklaring Emergentie in de natuurkunde: eigenschappen van het collectief die niet direct herleidbaar zijn uit de individuele bouwstenen. Ook al is het niet direct, emergente verschijnselen in de natuurkunde zijn niet onbegrepen. We weten precies waarom water kan golven, namelijk door de krachten tussen de watermoleculen. In de context van het heelal zal ik het begrip emergentie hanteren wanneer een bepaalde eigenschap van ons heelal dynamisch verklaard kan worden door een fundamentele theorie of mechanisme. Sommige eigenschappen van ons heelal zijn van die aard, andere lijken op dit moment het gevolg te zijn van extreem fijn afgestelde begin-condities op het eerste moment van de oerknal (t=0 genoemd). Zo’n eigenschap zal ik vooralsnog als niet emergent beschouwen, maar dat zou in de toekomst kunnen veranderen als gevolg van het feit dat we onze theorieen beter gaan begrijpen. Eigenschappen heelal Dynamische verklaring Theorie/mechanisme Ruimte-tijd emergent?

Kosmologie Oorsprong, evolutie en toekomstig lot van ons heelal als geheel Hubble expansie: 1929 voor het eerst gemeten expansie van ons heelal, roodverschuiving, hoe verder weg, des te groter de relatieve snelheid tov ons (denk aan opblazen ballon, of rijzend brood). De ruimte tussen de melkwegstelsels dijt uit (dus geen lokale versnelling van de melkwegstelsels), in overeemstemming met Einstein’s algemene relativiteitstheorie (Alexander Friedmann 1922). Dat betekent automatisch ook dat ons heelal in het verleden dus veel kleiner was! Oerknal idee. Einstein’s algemene relativiteitstheorie: ruimte-tijd heeft een eigen dynamiek, de tijd een begin, het heelal een eigen geschiedenis

Kosmologische meetlat 1 parsec (pc) ~ 3,3 lichtjaar Andromeda ~ 770 kiloparsec (kpc) Afstand Aarde-Zon: 1 Astronomical Unit (AU) ~ 8 lichtminuten ~ 1011 meter Natuurlijke kosmologische afstandsmaat: parsecs of lichtjaren Belangrijk: een lichtjaar is de afstand die het licht in een jaar aflegt, dat betekent dus dat alles wat we zien ons een blik op het verleden geeft. Zon: 8 minuten, sterren: jaren geleden, melkwegstelsels >> 2 miljoen jaar geleden (homo erectus) Dichtsbijzijnde sterren Paar lichtjaren ~ 1016 meter Melkweg ~ 30 kpc ~ 100.000 lichtjaar ~ 1021 meter

Typisch volume sterrenstelsel cluster ~ miljoen kubieke parsecs Favoriete eenheid kosmologen: Megaparsec (Mpc) ~ 1022 meter T=2,725 K Ons heelal ziet er op het eerste gezicht misschien klonterig uit (veel structuur), maar naarmate we naar grotere (kosmologische) afstanden gaan neemt die klonterigheid af en gaat het heelal er steeds uniformer (homogener) uitzien. Het beste bewijs zien we hier: wederom, hoe groter de afstand, hoe langer geleden, dus op de typische kosmologische afstanden van meer dan 100 Mpc zien we het heelal zoals het meer dan 300 miljoen jaar geleden uitzag, toen ons heelal veel kleiner was. Het allerbeste bewijs voor het feit dat ons heelal eigenlijk heel homogeen is wordt geleverd door de zogenaamde kosmische achtergrondstraling: baby-foto van ons heelal, toen er nog geen melkwegstelsels waren en fotonen (lichtdeeltjes) voor het eerst vrij konden bewegen (ontkoppelden van het plasma) omdat voor het eerst neutrale atomen gevormd werden (waterstof/helium). Deze fotonen, die dus niet van sterren afkomstig zijn zien we nog steeds, maar door de roodverschuiving nu in het microgolf (golflengte 2 mm, zichtbaar licht ~ 600 nanometer, miljoen keer zo klein) gebied, sterker nog: 1% tv ruis. Uit alle richtingen, met een temperatuur van 2,725 kelvin, 1000 keer zo koud als de zon, uniform over alle richtingen aan de hemel. Per toeval ontdekt als hardnekkige ruis door Penzias en Wilson. Hete oerknal, temperatuur loopt op verder terug in de tijd. Gevormd toen het heelal 1000 x zo klein was, ongeveer 300.000 jaar na de oerknal. Afkomstig van een oppervlak zo’n 15.000 Mpc van ons verwijderd, grootte van ons zichtbare heelal. 380 duizend jaar (ABB) Clusters en superclusters van sterrenstelsels ~ 100 Mpc Op afstanden groter dan 100 Mpc: homogeen, isotroop Heelal Kosmische achtergrondstraling: tot op 0,001% uniform

Kosmologische tijdlijn Beknopte historie van ons heelal. Nogmaals: verder weg betekent verder terug in de tijd, toen het heelal veel kleiner was. Uit de oersoep van deeltjes ontstonden later alle structuren. Met behulp van theorieen van de elementaire deeltjes berekende men: 75% waterstof, 25% helium, overeenkomstig met wat we meten. Het merendeel van de gewone materie in ons heelal is waterstof en helium, verspreid in gaswolken rondom melkwegstelsels. Toen atomen werden gevormd stroomden de lichtdeeltjes ongestoord in onze richting – CMB fotonen. Als ons heelal perfect homogeen was geweest dan waren structuren ontstaan! Verder terug (waar we slechts indirect toegang tot hebben) komen we uiteindelijk terecht in een fase waar onze bekende natuurwetten hun geldigheid lijken te verliezen. Dicht opeengepakte materie, zeer hoge temperaturen en energieën: extreme omstandigheden, bestaande theorieën uiteindelijk niet langer geldig

Kosmische achtergrondstraling COBE (Nobel 2006) … WMAP ESA PLANCK (2008) Nagloed van de oerknal Zeer uniform T=2,725 K Oorsprong structuur in gemeten kleine variaties

De CMB als vingerafdruk Kritische dichtheid: ~ 10 waterstof atomen per kubieke meter Temperatuurvariaties in de CMB van orde 1/100.000 !

Precisie kosmologie Voor 1990 : 35 < H0 < 100 In schril contrast met electron magnetisch moment :

Zoeken naar Supernova’s Supernova Cosmology Project (S. Perlmutter) High-Z SN Search Team (B. Schmidt)

Versnelde expansie Grote schok voor (theoretisch) natuurkundigen! Anti-gravitatie voorbeeld: energie van het vacuum, de kosmologische constante Λ Theorie ~ [1018 GeV]4 Observatie ~ [10-3 eV]4 Factor 10-120 verschil!

Bron: schaal-invariant Ons absurde heelal Hete oerknal ΔT/T =1/100.000 Bron: schaal-invariant ΩTOT=1

Fundamentele vragen De oerknal Donkere sector Wat `knalde’ er en waarom Waarom zo groot, oud en plat Waarom zo bijzonder uniform Donkere sector Samenklonterend: materie Niet samenklonterend: `energie’

Parameters lijken nauwkeurig afgestemd! Ons toevallige heelal? Parameters lijken nauwkeurig afgestemd! Dichtheidsvariaties/homogeniteit Platheid/kritische dichtheid Donkere energie Massa’s elementaire deeltjes Sterkte krachten …

Fijn-afstelling oerknal Kritische dichtheid Plat heelal Horizon probleem: homogeniteit CMB temperatuur onverklaarbaar zadelvorming heelal Sub-kritisch bolvormig heelal Super-kritisch Horizon-probleem: informatie uitwisseling onmogelijk tussen verschillende delen van de CMB hemel! Waarom dan toch dezelfde temperatuur, het is alsof is twee volstrekt niet gerelateerde mensen vraagt wat voor getal ze in hun hoofd hebben en dat ze beiden hetzelfde getal noemen.

Oorsprong van structuur?

Kosmologische Inflatie Kritische dichtheid Plat heelal Oerfase van exponentiele expansie, bron: vacuum energie Straal ~ 10-30 m, duur ~ 10-36 s, expansie factor >1030 Voorspelt homogeen, plat en groot uitdijend heelal

Inflaton veld Energie-schaal inflatie ~ GUT schaal: 1016 GeV Verklaart platheid en homogeniteit Hete oerknal: vervallend inflaton veld Ons zichtbare heelal 1026 m 10-30 m

Dichtheidsvariaties Quantum fluctuaties! Inflatie verklaart in één klap de oorsprong van de expansie van ons heelal, de platheid, homogeniteit en het ontstaan van structuur : ALLES UIT (bijna) NIETS

Status inflatie Donkere materie en energie Overtuigende (dynamische) verklaring Kleine afwijking van schaal-invariant oer-spectrum van fluctuaties Oer-gravitatiegolven Donkere materie en energie Wat gebeurde er voor inflatie

Uni-of-multiversum? Meerdere universa (> 10200) Verschillende parameters (Λ, mn, …) Neutron mass >~ proton mass: proton -> neutron : neutron heelal, neutron in atoom onstabiel: waterstof wereld. Waarschijnlijk gerealiseerd in string theorie… Mogelijke verklaring fijn-afstelling parameters in het bijzonder de kosmologische constante

Emergente ruimte-tijd? Energie/Afstand/Tijd AdS/CFT correspondentie: Gegeneraliseerde versie van quantum electromagnetisme is equivalent aan een 5d gravitatie-theorie met een negatieve kosmologische constante!

Tot slot Dank voor uw aandacht! `Golden age’ van de kosmologie theorie en observatie gaan hand in hand 96 % van de inhoud van ons heelal totaal mysterieus Inflatie (‘Alles uit Niets’) Toeval, antropisch of toch dynamisch/emergent? Dank voor uw aandacht! The WMAP Science Team is acknowledged for providing many of the figures and animations

Abstract Waarom is ons heelal zo groot, zo oud en zo plat? Wat zijn donkere materie en donkere energie, en welke rol spelen ze in ons universum? Ons heelal lijkt een bizarre speling van het lot, met eigenschappen nauwkeurig afgestemd op het ontstaan van melkwegstelsels, sterren en uiteindelijk het leven zelf. Op het eerste gezicht lijkt het onwaarschijnlijk dat deze eigenschappen volledig verklaard kunnen worden door fundamentele natuurwetten, in termen van microscopische bouwstenen en hun onderlinge wisselwerkingen. Aan de hand van recente kosmologische observaties zal ik aangeven waar ons huidige begrip begint en eindigt, met speciale aandacht voor kosmologische inflatie als belangrijk theoretisch mechanisme, dat enkele bijzondere kenmerken van ons heelal op natuurlijke wijze verklaart. Maar wat veroorzaakte inflatie? En wat gebeurde er precies tijdens de oerknal? Speculaties alom, waarvan ik de meer beloftevolle suggesties kort de revue zal laten passeren.