Jo van den Brand Relativistische kosmologie: 26 november 2012

Slides:



Advertisements
Verwante presentaties
Kosmologie 17 april 2014 prof Stan Bentvelsen en prof Jo van den Brand
Advertisements

Jo van den Brand 10 November, 2009 Structuur der Materie
dr. H.J. Bulten Mechanica najaar 2007
College Fysisch Wereldbeeld versie 5
FEW Cursus Gravitatie en kosmologie
Afstanden in het heelal
Jo van den Brand & Mark Beker Einsteinvergelijkingen: 27 oktober 2009
Witte dwergen, Neutronensterren en Zwarte Gaten
J.W. van Holten Metius, Structuur en evolutie van de kosmos.
Verleden, heden en toekomst van ons absurde heelal
College Fysisch Wereldbeeld 2
Large-scale structure
Het Uitdijend Heelal Prof.dr. Paul Groot Afdeling Sterrenkunde, IMAPP
Evolutie: van Kosmos tot Mens Het Heelal 29 sept.Ons wereldbeeld (Rintro + R1) 29 sept.Ons wereldbeeld (Rintro + R1) 6 okt.Sterren stralen (R2 + R3) 6.
2. De Drie-Kelvinstraling De inertie van de wetenschap Waarnemingen Planckse straling in uitdijend heelal Een hete oerknal Recombinatie Nucleosynthese.
1. Newtoniaanse Kosmologie GeschiedenisGeschiedenis De FriedmannvergelijkingenDe Friedmannvergelijkingen Open en gesloten heelalOpen en gesloten heelal.
HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen.
Het Relativistische Heelal prof.dr. Paul Groot Afdeling Sterrenkunde, IMAPP Radboud Universiteit Nijmegen.
HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011
Oorsprong van het heelal, inflatie en de kiemen van structuur
Alles uit (bijna) Niets
Ontstaan van het heelal
Gideon Koekoek 21 November 2007
Gideon Koekoek 8 september 2009
Jo van den Brand Relativistische inflatie: 3 december 2012
FEW Cursus Gravitatie en kosmologie Jo van den Brand & Jeroen Meidam
Jo van den Brand & Jeroen Meidam ART: 5 november 2012
FEW Cursus Gravitatie en kosmologie
Einstein Telescope Het Einstein Observatorium (ET) is een zogenaamde derde-generatie-gravitatiegolf-detector, die honderd keer gevoeliger is dan de huidige.
Annihilatie van donkere materie in het zwaartekrachtsveld
Dark matter halo concentrations in the WMAP5 cosmology Ruben van Drongelen
2. De Drie-Kelvinstraling De inertie van de wetenschapDe inertie van de wetenschap WaarnemingenWaarnemingen Planckse straling in uitdijend heelalPlanckse.
6. De Kosmologische Constante
HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011
Les 7 dd. 4 December 2012 Rietveld-lyceum Doetinchem De OERKNAL / BIG BANG v.s.w. Corona Corona Borealis Zevenaar.
H 11: Growth of Structure in the Universe Dave de Jonge Rutger Thijssen juni 2005.
Creativiteit in de kosmos: onze ultieme schatkamer
Jo van den Brand & Mathieu Blom Les 1: 5 september 2011
Quantumzwaartekracht
Jo van den Brand HOVO: 27 november 2014
Jo van den Brand Relativistische kosmologie: 1 december 2014
Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek Alles en Niks VAN DE OERKNAL TOT HIGGS Niels Tuning Nieuwe Meer 26 okt 2014.
Het Quantum Universum (Samenvatting)
Jo van den Brand HOVO: 13 november 2014
Algemene relativiteitstheorie
Jo van den Brand HOVO: 4 december 2014
Samenvatting Conceptversie.
Jo van den Brand HOVO: 27 november 2014
Hoge Energie Fysica Introductie in de experimentele hoge energie fysica Stan Bentvelsen NIKHEF Kruislaan SJ Amsterdam Kamer H250 – tel
FEW Cursus Gravitatie en kosmologie
Jo van den Brand & Joris van Heijningen Speciale relativiteitstheorie: 6 oktober 2015 Gravitatie en kosmologie FEW Cursus Copyright (C) Vrije Universiteit.
Jo van den Brand & Joris van Heijningen ART: 27 oktober 2015
Jo van den Brand & Joris van Heijningen ART: 3 November 2015
Jo van den Brand Les 5: 3 december 2015
De grens van het waarneembare heelal Space Class Sonnenborgh 5 oct 2010 John Heise, Universiteit Utrecht SRON-Ruimteonderzoek Nederland.
Jo van den Brand & Joris van Heijningen Sferische oplossingen: 10 November 2015 Gravitatie en kosmologie FEW cursus Copyright (C) Vrije Universiteit 2009.
het Multiversum een heelal gevuld met andere werelden
PPT ASO 5 4 Ontstaan van het heelal p.57.
Kosmologie Het is maar hoe je het bekijkt... Marcel Haas, Winterkamp 2006.
Jo van den Brand Relativistische kosmologie: 24 november 2014
Vandaag les3 Vorige: inleiding – Big Bang Big bang Heelal als geheel
Relativiteitstheorie
FEW Cursus Gravitatie en kosmologie
Vorige keer: Hoe weten we dit allemaal? Wordt alles steeds complexer?
In het nieuws. In het nieuws Herhaling vorige les: Hubble kijkt mbv roodverschuiving buiten de Melkweg en ziet expanderend heelal met meerdere andere.
FEW Cursus Gravitatie en kosmologie
Prof.dr. A. Achterberg, IMAPP
Jo van den Brand HOVO: 6 november 2014
Newtoniaanse Kosmologie College 7: Inflatie
Newtoniaanse Kosmologie College 8: deeltjesfysica en het vroege heelal
Transcript van de presentatie:

Jo van den Brand Relativistische kosmologie: 26 november 2012 Gravitatie en kosmologie FEW cursus   Jo van den Brand Relativistische kosmologie: 26 november 2012

Inhoud Inleiding Klassieke mechanica Quantumfenomenen Wiskunde I Overzicht Klassieke mechanica Galileo, Newton Lagrange formalisme Quantumfenomenen Neutronensterren Wiskunde I Tensoren Speciale relativiteitstheorie Minkowski Ruimtetijd diagrammen Wiskunde II Algemene coordinaten Covariante afgeleide Algemene relativiteitstheorie Einsteinvergelijkingen Newton als limiet Sferische oplossingen Kosmologie Friedmann Inflatie Gravitatiestraling Theorie Experiment Najaar 2009 Jo van den Brand

Relativistische kosmologie Theorie van de oerknal: ontstaan van ruimtetijd, het heelal dijt uit Waarneembaar deel van het heelal valt binnen de lichtkegel van de waarnemer Er zijn grenzen aan het waarneembaar gebied: de deeltjeshorizon In de toekomst ziet hij meer van het heelal Twee stelsels in tegenovergestelde richting en op grote afstand van de waarnemer Stelsels hebben geen tijd gehad om te communiceren Dit is het Big Bang scenario zonder inflatie

Isotropie van heelal ART is voldoende voor beschrijving van Big Bang: sterke en zwakke WW enkel op femtometers sterrenstelsels en andere materie elektrisch neutraal Nachthemel ziet er in elke richting hetzelfde uit op een schaal groter dan 100 Mpc Kosmische microgolf achtergrondstraling (CMBR) T  2,725 K zwarte straler binnen 50 ppm isotroop binnen 10 ppm Voorspeld door Gamow Ontdekt door Penzias en Wilson (1965)

Isotropie van heelal: CMBR en WMAP Temperatuurverdeling in galactische coordinaten Straling van 380.000 jaar nBB daarvoor H-atoom instabiel T-variaties: Sachse-Wolf effect: gravitationele roodverschuiving Conclusies: WMAP leeftijd 13,72 ± 0.12 Gjaar diameter > 78 Gly gewone materie: 4.6 ± 0.1% donkere materie: 23,3 ± 1.3% donkere energie: 72.1 ± 1.5% consistent met inflatiemodel H = 70.1 ± 1.3 km/s/Mpc eeuwige expansie

Isotropie heelal: materieverdeling Galaxy Redshift Survey 245.591 objecten (sterrenstelsels) In binnengebied: gaten, knopen en draden Op grote schaal isotroop Aanname: aarde neemt geen speciale plaats in Heelal ziet er hetzelfde uit vanuit elke positie Homogeniteit Kosmologisch principe: combinatie van isotropie en homogeniteit Energie en materie gelijkmatig verdeeld op schaal groter dan 100 Mpc

Kosmologisch principe en metriek Metriek die consistent is met KP kent geen voorkeursrichting of voorkeurspositie (dan heeft de energieverdeling dat ook niet) Voorbeeld: Schwarzschildmetriek is isotroop, maar niet homogeen Voorbeeld: Minkowskimetriek is isotroop en homogeen echter oplossing van Einsteinvergelijkingen voor een leeg heelal Voeg tijdafhankelijkheid to aan Minkowskimetriek (dat is consistent met KP) Schaalfactor a(t) Vlakke Robertson – Walker metriek Voor het lijn-element geldt voor waarnemer die afstanden wil meten (dt = 0) Eindige afstand Coördinatenafstand Snelheid waarmee heelal uitdijt

Kosmologische roodverschuiving Lichtstraal volgt een lichtachtig pad (neem aan langs x-richting) Lichtstraal uitgezonden op te (emissie) en ontvangen op to Afgelegde coördinaatafstand R tussen emissie en ontvangst Beschouw zender op grote coördinaatafstand R van ontvanger Zender stuurt 2 pulsen met tijdverschil Ontvanger meet tijdverschil (groter want heelal dijt uit) Coördinaatafstand verandert niet (meebewegend stelsel – comoving frame) met Neem aan en zo klein dat constant Er geldt dus kosmologische roodverschuiving ( )

Wet van Hubble Roodverschuiving in specta Hubble’s orginal data Standaardkaarsen Cepheid variabelen Supernovae Ia Expansie van het heelal

Wet van Hubble Kosmologische roodverschuiving Voor sterren die niet te ver weg staan (a  constant) geldt (gebruik ) Hubble constante Kosmologische roodverschuiving: heden → z = 0 10 Gyr geleden → z = 1 z = 1 → heelal half zo groot Hubble constante is niet constant!

Friedmannvergelijkingen Wat is de exacte vorm van de functie voor de schaalfactor a(t)? Metriek volgt uit Einsteinvergelijkingen voor correcte energie-impulstensor T Complicatie: tijdafhankelijkheid metriek heeft invloed op T (e.g. ballonmodel en P) Kosmologisch principe: geen plaatsafhankelijkheid perfecte vloeistof Gebruik CMRF Bereken Riccitensor en Riemannscalar voor Robertson-Walker metriek Invullen van Rmn, R en Tmn in Einsteinvergelijkingen Relaties (twee) tussen schaalfactor, druk en energiedichtheid Voor

Oerknal en Friedmannvergelijkingen Dichtheid en druk zijn positieve grootheden (voor ons bekende materie en velden) Dan negatief volgens Uitdijingssnelheid neemt af in de tijd Volgens experiment, , dijt heelal nu uit Schaalfactor heeft ooit de waarde nul aangenomen Friedmannvergelijkingen voorspellen alle materie en energie ooit opgesloten in volume V = 0 ruimtetijd is begonnen als singulariteit met oneindige energiedichtheid generieke conclusie voor alle oplossingen van Friedmannvergelijkingen Leeftijd van het heelal helling Leeftijd van het heelal < 15 Gjaar

Energiedichtheid in heelal Heelal bestaat uit koude materie: atomen, molekulen, aarde, sterren, donkere materie, etc. straling: fotonen van sterren, fotonen van CMB, neutrino’s, etc. kosmologische constante: donkere energie, vacuum energie, quintessence veld, etc. Voor elk van deze soorten energie en materie geldt dat er een verband tussen energiedichtheid en druk bestaat Toestandsvergelijking volgt uit Friedmannvergelijkingen Energiedichtheid: energie gedeeld door fysisch volume Fysisch volume bepaald door Koude materie Hoeveelheid materie constant (= A) en wordt niet omgezet naar andere soorten energie Straling Extra afname t.g.v. kosmologische roodverschuiving evenredig met schaalfactor Kosmologische constante Neemt niet af tijdens uitdijen of krimpen van heelal

Heelal gedomineerd door koude materie Bepaal constante n differentieer 1e FV invullen in 2e FV n = 0, P = 0 Er geldt Hieruit volgt ook direct en

Heelal gedomineerd door straling n = 1/3 en dus Er geldt Hieruit volgt ook direct en Uitdijing van een stralingsgedomineerd heelal gaat sneller

Heelal gedomineerd door L Kosmologische constante Voor normale straling en materie neemt dichtheid af als energie over groter volume wordt uitgesmeerd Eigenschap van ruimtetijd zelf (driekwart van alle energie is van deze vorm!) Friedmannvergelijkingen leveren n = -1 Druk is negatief!!! Er geldt Uidijing is exponentieel en verloopt steeds sneller

Standaardmodel van de kosmologie Model van de geschiedenis van het heelal Interactie tussen deeltjes vindt plaats door uitzending van fotonen en gluonen, etc. → straling Energie per foton: energiedichtheid × volume Dominatie door straling of materie levert Experimenteel gegeven: op dit moment geldt Materie straling Toen bijdrage straling en materie even groot waren We vinden hiermee heelal 1000 keer kleiner Ook geldt Omslag van straling- naar materie dominantie vond plaats toen het heelal ongeveer 100.000 jaar oud was

Standaardmodel van de kosmologie Evolutie heelal voor vlakke FRW model. Aanname: energie gelijk verdeeld over straling, materie en vacuum Ia – supernovae en CMBR

Baryogenese Berekenen van Astraling en Amaterie Fotonen hebben nu een temperatuur van 2.7 K (dat is 10-23 Joule) Heelal is nu materie gedomineerd en 1010 jaar oud Ten tijde van het omslagpunt geldt Er geldt Baryogenese bij energie van ongeveer 1 GeV Heelal was toen stralingsgedomineerd Invullen van 1 GeV levert leeftijd van ongeveer 10-4 seconde Elektrozwakke unificatie bij ongeveer 1000 GeV en dus 10-10 seconde

Geschiedenis heelal

Primordiale nucleosynthese Drie minuten (E = 2.2 MeV) na oerknal was deuterium stabiel Neutron- en protonvangst levert 3H en 3He Vorming van 4He door n-vangst en reactie Botsingen van 3H, 3He en 4He levert 7Li en 7Be Hoeveelheden van 3H, 3He, 4He, 7Li en 7Be is gevoelig voor baryon dichtheid en snelheid van de expansie Expansiesnelheid neemt toe met aantal neutrinofamilies Verhouding baryonen tot fotonen ~ 3 × 10-10