6. De Kosmologische Constante Waarnemingen Interpretatie Inflatie “Oplossing” van drie grote problemen Topologische weeffouten: magnetische monopolen en kosmische veren

Waarnemingen

“Waargenomen”: Vacuumenergie:

De kosmologische constante, onopgeloste vragen: Wat stelt zij fysisch voor? Waarom heeft zij deze waarde? Waarom is zij eerst nu merkbaar?

Inflatie Thans vier fundamentele krachten: 1. zwaartekracht 2. elektrische/magnetische kracht 3. zwakke kernkracht 4. sterke kernkracht Unificatie van krachten: electrozwakke unificatie (2 en 3) bij `grand unification’ (2/3 en 4) bij

Dit proces is dus een verbreking van symmetrie. Zodra het heelal is afgekoeld tot een `unificatiepunt’ treedt een onderscheid op tussen de betreffende krachten (verschillende koppelingsconstanten, evt. rustmassa’s van de verschillende krachtoverbrengende deeltjes of `bosonen’). Dit proces is dus een verbreking van symmetrie. Het is te vergelijken met een faseovergang: bepaalde fysische grootheden (`velden’) nemen waarden aan die gecorrelleerd zijn over een stukje van de ruimte, vergelijkbaar met kristalvorming in een onderkoelde vloeistof of spontane magnetisatie. Bij deze faseovergang komt energie vrij. In het heelal is dit de energie van het veld dat de grondtoestand beschrijft, het `valse vacuüm’.

Analogie: Magnetische domeinen in een ferrometaal

Zodra ten gevolge van expansie: bepaalt het valse vacuüm de expansie:

Voor voldoende grote R: exponentiële uitdijing of “inflatie” Dit gebeurt bij Voor een inflatieperiode van 10-32 s expandeert het heelal met een factor:

horizon- of causaliteitsprobleem Oplossing van het horizon- of causaliteitsprobleem Waarom is de toestand van B praktisch dezelfde als van C? Zij zijn immers causaal niet met elkaar verbonden. Zichtbare heelal voor A: dH ~ ct0 ~ 1026 m en op tf~10-32 s df~dH(tf/t0)1/2<100 m. Een causaal verbonden gebied ten tijde van t~10-34 s heeft afmeting ri~ ct ~ 3.10-22 m maar na inflatie: rf ~ e100 ri ~ 9.1017 m, d.w.z. >> df.

Oplossing van het vlakheidsprobleem Na de periode van inflatie is R toegenomen met een factor > 1043, en reduceert de Friedmannvergelijking met grote nauwkeurigheid tot: Er ontstaat dus een kritisch heelal!!

Bij de faseovergang aan het einde van het inflatietijdperk komt een “warmte” vrij ter grootte van de energie van het valse vacuüm in de vorm van een relativistisch gas van elementaire deeltjes (quarks, fotonen etc.) met een temperatuur ~ 1013 GeV. Hieruit ontwikkelt zich het heelal zoals wij dat kennen.

Oplossing van het Gladheidsprobleem T =  0,00001 K In inflationair heelal is met grote nauwkeurigheid en kunnen sterrenstelsels zich juist op tijd vormen door gravitationele samentrekking uit de fluctuaties op z=1000. :

Topologische weeffouten Na de inflatie

Valse vacuüm Echte vacuüm 1D 2D

Muren

“Veren” Cosmic

Weefsels Textures

Monopool Veer Muur

Reconnectie van strings/veren en vorming van lussen.

Reconnectie van strings in vloeibare kristallen

Een kosmologische string heeft binnenin op zijn as een stukje vacuümenergie dat niet kan vervallen omdat het topologisch is ingevroren. De energiedichtheid die hierbij hoort is enorm: Door hun zwaartekrachtswerking kunnen ze fungeren als kiemdraden voor de vorming van sterrenstelsels. Hun aanwezigheid kan zich verraden in gravitatielenzen.

Extra dimensies?

10 of 11 dimensies?