Je kosmologie mytologií Je kosmologie mytologií? aneb teorie a hypotézy o vzniku vesmíru z pohledu experimentálního fyzika “Ne, otázkou není, zda jeden či druhý nápad nebo co je na daném nápadu přitažlivého. Otázkou je dostat co nejvíce různých nápadů a dovést je tam, kde rozhodne experiment.” R. Feynman 1. Úvod 2. Člověk poznává vesmír 2.1 Kosmologické hypotézy, modely a teorie 2.2 Rozdíl a jednota v popisu mikro, makro i mega světa 2.3 Pozorování v kosmologii 2.4 Teorie popisující hmotu 3. Velký třesk 3.1 Rozpínání vesmíru 3.2 Reliktní záření 3.3 Prvotní tvorba prvků 3.4 Evoluce galaxií 3.5 Průběh Velkého třesku 4. Inflační model 4.1 Proč inflační model 4.2 Vlastnosti inflačního modelu 4.3 Neinflační možnosti 4.4 Jaká experimentální data rozhodnou 5. Závěr – otevřený aneb co bylo před Velkým třeskem a jiné Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: WAGNER@UJF.CAS.CZ, WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/

Kosmologické hypotézy, modely a teorie Jednotlivé stupně lidského poznání: Hypotéza - návrh hlavních předpokladů popisu, zatím neověřeno experimentálně - příklad: Koperníkova hypotéza heliocentrické soustavy Model - soubor pravidel umožňujících zjednodušený popis - příklad: Keplerův model Sluneční soustavy vypracovaný na základě pozorování Tychona de Brahe. Ptolemaios a geocentrická hypotéza - heliocentrická hypotéza a Koperník Tycho de Brahe Johanes Kepler a Keplerův model Sluneční soustavy

Teorie - soubor pravidel, který umožňuje kvantitativně popsat přesně a komplexně experimentální data - příklad: Newtonův popis Sluneční soustavy na základě Newtonovy teorie gravitace Sir Isaac Newton Sonda Gravity probe B., testujici obecnou teorii relativity Dráhy všech současný meziplanetárních sond se počítají pomocí Newtonovy teorie gravitace Obecnější teorie gravitace – Einsteinova obecná teorie relativity – je nutná až v „extrémnějších“ podmínkách

Rozdíly i jednota v popisu mikro, makro i mega světa 17. století - Galileo, Newton - pohyb a vlastnosti nebeských těles popisují stejné zákonitosti jako těles pozemských  Jednota popisu makrosvěta i megasvěta → možnost extrapolace 19. a 20. století - nové nástroje pro popis (uplatňují se v oblasti extrémních hodnot fyzikálních veličin): Mikrosvěta - speciální teorie relativity - vysoké rychlosti, přenosy energii - kvantová fyzika - velmi malé hodnoty hmotností, vzdálenosti těles, přeneseného účinku Megasvěta - speciální teorie relativity - vysoké rychlosti, přenosy energii - obecná teorie relativity - velmi intenzivní gravitační pole

Megasvět Nutnost použít obecnou teorii relativity: Vlastnosti prostoročasu jsou dány rozložením hmoty a energie: 1) Každé těleso zakřivuje prostor a čas kolem sebe (prostor i čas!). 2) Tělesa se pohybují po geodetikách (nejrovnějších možných drahách) v zakřiveném časoprostoru Rozdíl mezi Newtonovou teorii gravitace a Einsteinovou obecnou teorií relativity  velmi intenzivní gravitační pole Vesmír - objekty s velmi vysokou hmotností, někdy i velmi kompaktní  velmi intenzivní gravitační pole  silné zakřivení prostoročasu Vysoké rychlosti, velké přeměny energie - nutnost použití speciální teorie relativity. Extrémní energie, extrémní hodnoty dalších fyzikálních veličin - nutnost použití kvantové fyziky. (Kvantová teorie gravitace dosud neexistuje) Propojení fyziky popisující mikrosvět a megasvěta

Pozorování v kosmologii Minulé století a začátek současného → obrovský přísun stále přesnějších dat → možnost ověřování kosmologických hypotéz: Studium složení a vlastností objektů v galaxiích - studium evoluce, složení a výskytu v současnosti i minulosti. Využití pro určení vzdáleností (cefeidy, supernovy). Mapování vesmíru - co nejpřesnější pozorování co největšího počtu galaxií - studium struktury, složení, rozpínání a evoluce vesmíru - např. projekt Sloan Digital Sky Survey Studium chemického složení vesmíru - prvky prvotní a vzniklé ve hvězdách - využití spektroskopie Pulsar v Krabí mlhovině, blízká galaxie NGC 6070 a nejvzdálenějších kvazarů z=5.0

 v současnosti neperspektivnější zdroj informací o počátcích vesmíru Studium reliktního záření - stále přesnější znalost fluktuací jeho teploty, polarizace …  v současnosti neperspektivnější zdroj informací o počátcích vesmíru Studium neutrin a gravitačních vln i reliktních? Jiné exotické částice? Spousta experimentálních dat z fyziky - jaderné, částicové, plazmy, pevné fáze …  cesta ke sjednocení interakcí a k popisu hmoty v extrémních podmínkách  popis ranných stavů vesmíru Mapa teploty reliktního záření ze sondy Wilkinson MAP Hledání hypotetické Higgsovi částice

Standardní model + antičástice Hmota je tvořena částicemi (fermiony s=1/2), mezi kterými působí interakce, které jsou zprostředkovány výměnou částic (bosony s=celé číslo) Tři druhy interakcí: 1) Silná - kvantová chromodynamika nejsilnější 2) Elektromagnetická - kvantová elektrodynamika slabší 3) Slabá - elektroslabá teorie ještě slabší + antičástice

Proč jít dále? - experimentální a teoretické důvody 1) Příliš mnoho volných parametrů ve standardním modelu 2) Nutnost zahrnout i gravitaci - kvantová teorie gravitace 3) Pozorované podobnosti, symetrie (např. mezi rodinami kvarků a leptonů) 4) Hierarchie hmotností u částic 5) Nutnost odstranění divergencí (nekonečných hodnot fyzikálních veličin) Experimentální důvody: 1) Pozorování asymetrie v existenci hmoty a antihmoty 2) Velmi přesná měření magnetického momentu mionu 3) Pozorování oscilací neutrin 4) Existence nebaryonové temné hmoty ve vesmíru 5) Sbližování síly různých interakcí s rostoucí energií 6) Náznaky rozdílů oproti Standardnímu modelu u některých vysokoenergetických experimentů ( nezachování CP invariance, produkce b částic …) Detektor Superkamiokande vyrovnání intenzity interakcí při vysokých energiích

Od velkého sjednocení k supersymetrii !!!! Varování !!! vše o struktuře hmoty dále zatím jen hypotézy !!! Od velkého sjednocení k supersymetrii 1) Symetrie mezi rodinami kvarků a leptonu  sjednocení kvarků a leptonů do jedné rodiny 2) Vyrovnání síly elektroslabé a a silné interakce při 1015 GeV  sjednocení těchto interakcí Velké sjednocení: Důsledky a předpovědi: 1) Existence „leptokvarků“ X a Y - přeměňují kvarky na leptony, MXY ~ 1015 GeV/c2, QX = -4/3e a QY = -1/3e 2) Rozpad protonu - experiment τp > 51032 let 3) Baryonová asymetrie vesmíru - převaha hmoty nad antihmotou Rozpad protonu hledal i detektor Kamiokande Příklad rozpadu protonu p = uud  e+ + ...

Supersymetrie Hledání supersymetrických částic - jeden z hlavních programů největších existujících i plánovaných urychlovačů Hledání symetrií, které umožňují transformaci bosonů na fermiony  supersymetrie Důsledky a předpovědi: Supersymetrické částice budou hledat i experimenty na budovaném urychlovači LHC v CERNu Hlavním je existence supersymetrických partnerů známých částic: Boson má partnera fermion, fermion pak boson foton  fotino kvark  s - kvark gluon  gluino lepton  s - lepton Z  Zino graviton  gravitino Supersymetrické částice jsou vhodnými kandidáty na vysvětlení temné hmoty ve vesmíru - neutralino (směs fotina, gluina, ..) - nejmenší hmotnost Jejich vlastnosti by umožnily vybrat správnou supersymetrickou teorii

Strunové teorie Strunová teorie - částice nejsou bodové, ale tvoří je struny o rozměru 10-35 m Nutnost zavedení šesti dalších rozměrů: 1) Další rozměry jsou velmi malé - svinuté 2) Některé možná velké až nekonečné   náš svět - čtyřrozměrná brána ve vícerozměrném prostoru Jednotlivé částice jsou různé módy kmitů struny čím vyšší kmitočet  tím vyšší hmotnost Otevřená struna Uzavřená struna Další rozměry jsou svinuté Strunový Feynmanův diagram Do dalších rozměrů by pronikala pouze gravitace Povolené kmitočty dány délkou struny

Struny -2 Strunová teorie musí: Všech šest známých superstrunových teorií jsou limitními případy jedné mateřské teorie M-teorie Brian Green Momentální závěr hledání vhodné varianty strunové teorie: Strunová teorie musí: 1) Jako limitní případ obsahovat standardní model a obecnou teorii relativity  stejně dobře popsat známá data 2) Musí vysvětlit pozorování, která předchozí teorie vysvětlit nedokáže 3) Předpovědět nové jevy a nabídnout je k experimentálnímu testování Obrovským problémem je příslušný matematický aparát a kvantitativní testovatelné předpovědi

Určování průběhu rozpínání vesmíru Určení rychlosti - měření změny vlnové délky vlivem Dopplerova jevu  rudý posuv Určování vzdálenosti: Měření paralaxy - triangulační metoda, modelově nezávislá družice Hiparchos (dosah 500 sv.l.) 2) Určování vzdálenosti pomocí cefeid (do vzdálenosti až 60 milionů sv. let) 3) Určování vzdálenosti pomocí supernov typu II - absolutní jasnosti se dost různí  dosah je třetina pozorovaného vesmíru 4) Určování vzdálenosti pomocí supernov typu Ia - stejná absolutní jasnost  vysoká přesnost, je jich méně, dosah celý pozorovaný vesmír 5) Určování vzdálenosti pomocí galaxií, gravitačních čoček … Pozorování vzdálených  mladých částí vesmíru – změny rozpínání v čase (pozorování supernov Ia → zrychlování rozpínání – temná energie vakua ) Závislost rychlosti vzdalování na vzdálenosti (Particle Data Booklet 2000)

Reliktní mikrovlnné záření mikrovlnné záření s teplotou 2,7 K izotropní – malé odchylky teploty odpovídají prvotním nehomogenitám Vznik při T  4000 K (0.3 eV – energie ionizace atomu H)  t ≈ 400 000 let. Pokles teploty T ~ R-1 (Energie fotonů klesá s rozpínáním hν ~ R-1) Spektrum reliktního záření získané pomocí sondy COBE. Převzato ze zdrojů NASA. Odpovídá Planckově vyzařovacímu zákonu černého tělesa s teplotou T. Podobným procesem vymrznutí prošly již dříve neutrina. Bylo to při teplotě okolo 1010 K (1 MeV), nyní by měly mít reliktní neutrina teplotu 1,95 K. Jak registrovat tato neutrina zatím nevíme. Ještě hůře půjdou měřit případné reliktní gravitony.

Určování kosmologických parametrů z fluktuací reliktního záření 1) Určení zakřivení vesmíru - poměr rozměru zvukového horizontu (známe z vlastností materiálů) a vzdálenosti , kterou mikrovlnné záření urazilo (dáno rozdílem jeho teplot v době vzniku a nyní) je ve vztahu k úhlovému rozměru zvukového horizontu (daný polohou maxima a minim prvního akustického píku) buď euklidovském nebo neeuklidovském. 2) Určení podílu baryonové hmoty - baryony mají velkou hmotnost  ovlivňují akustické vlny  poměr mezi maximy a minimy akustických vln určují poměr baryonů 3) Určení doby reionizace (světlem prvních hvězd) - světlo hvězd ionizovalo okolní plyn, vzniklé horké oblasti vyhlazovaly rozdíly v teplotě reliktního záření. Velikost úhlu, do kterého jsou akustické píky potlačeny určuje dobu, kdy začaly svítit hvězdy (galaxie, kvasary) 4) Určení podílu temné energie - plochost vesmíru z reliktního záření + zrychlování rozpí- nání z pozorování supernov  podíl temné energie - velikost kosmologické konstanty

Polarizace a závislost fluktuací na vlnové délce Polarizace reliktního záření: 1) Citlivá ke gravitačním vlnám (odlišení fluktuací da- ných gravitačním smršťováním a gravitačními vlnami) 2) Nezávislý údaj o reionizaci době vzniku prvních hvězd 3) Upřesnění dalších kosmologických parametrů. Závislost fluktuací reliktního záření na vlnové délce: Mohlo by rozlišit inflační a ekpyrotický vesmír Vysvětlení polarizace reliktního záření Polarizace a závislost fluktuací na vlnové délce Závislost velikosti fluktuace na úhlové vzdálenosti – čím větší úhel, tím dříve přestala být ovlivňována velikost fluktuací

Prvotní tvorba prvků Premordiální nukleosyntéza - vysvětlí pozorované množství hélia, deuteria a lithia – 23 % baryonové hmoty tvoří 4He – může vznikat v reakcích přes mezistupeň D, T a 3He: ! zastoupení 4He nelze nijak objasnit z nekosmologických zdrojů ! Je to informace s zatím nejzaššího období alespoň nepřímo dostupného Zastoupení lehkých prvků (převzato ze stránek NASA) Snímek ve směru středu Galaxie Většina nukleosyntézy T  109 K  t  200 s Zastoupení ještě těžších jader 6Li, 7Li, 9Be a 11B může být ovlivněno i průběhem hadrosyntézy Návrat sondy Genesis

Evoluce galaxií Pozorování vzdálených - mladých částí vesmíru: Vzdalování → putování v čase První tvorba hvězd - reionizace - ~ 200 milionů let Mladé oblasti: 1) pouze vodík a primordiální helium 2) více hmotnějších a zářivějších hvězd Galaxie ve vzdálených (mladých) oblastech jsou jiné než ty blízké 1) Zářivější, více aktivní, živější tvorba hvězd, více hmotnějších hvězd … 2) Liší se hustota kvasarů, aktivních jader galaxií Studium pomocí Hubblova teleskopu, v programu Sloan Digital Sky Survey a dalších přehlídek vzdálených galaxií galaxie NGC1087 Kvasar se z=6.4 galaxie UGC03214

Velký třesk – standardní model 10-5s 2·1012K Vznik elementárních částic z kvarků - hadronizace 200 s 109K Vznik prvotních jader H, He a některých dalších lehkých prvků ~ 1 s 1010K Oddělení reliktních neutrin Čas: Teplota: Událost: _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 400 000 let 4000 K Vznik atomů – oddělení reliktního záření 200 milionů let Vznik prvních galaxií a hvězd Průběh popisuje obecná teorie relativity a standardní model hmoty a interakcí Je dán počátečním složením a dalšími počátečními podmínkami Vzdálené galaxie fotografované pomocí Hubblova teleskopu (archív NASA)

Temná hmota Nesrovnalost mezi odhadem množství hmoty ve vesmíru na základě studia svítící hmoty a studia gravitačního vlivu hmoty (veškeré)  temná hmota – nevyzařuje ani neabsorbuje světlo, interaguje pouze gravitačně Možnost zkoumání: 1) Studium oběžných pohybů hvězd  haló v galaxiích galaxií  haló v galaktických kupách kup galaxií  velkorozměrová hustota hmoty 2) Rentgenovské záření horkého plynu v galaktickém halo – teplota dána rychlostí atomů – menší než úniková rychlost – rychlost je větší než by odpovídalo pozorované hmotě 3) Gravitační čočky – určení hmotnosti a jejího rozložení pro kupu tvořící gravitační čočku Čím větší škála – tím větší podíl temné (skryté) hmoty V kupách galaxií nejméně 90% skrytá hmota

Proč inflační model? Standardní model popisuje vesmír až od jistého okamžiku, nastavení jeho počátečních podmínek musí vysvětlit jiný model: 1) Vysokou stejnorodost a izotropnost vesmíru. Je třeba vysvětlit, proč jsou hustota látky ve vesmíru i teplota reliktního záření velmi stejnorodé na velké úhly a vzdálenosti. 2) Současně vznik jisté nehomogenity, které umožní formování velkoškálové struktury vesmíru, galaxií i hvězd. 4) Poměr mezi jednotlivými složkami hmoty. 5) Vznik přebytku hmoty nad antihmotou (baryonovou asymetrii). Zjistit, jak se vlastně stalo, že vůbec existujeme. 6) Absence pozorovatelných topologických singularit (např. magnetických monopólů). 7) Řešení problému počáteční singularity - zároveň vysvětlit jak došlo tomu horkém a hustému počátku

Vlastnosti inflačního modelu Hypotéza inflace: Čas 10-35s - existence fáze velmi rychlého rozpínání vesmíru Zvětšení objemu dnes viditelného vesmíru faktorem nejméně 1025 z 10-27m na 1 cm. Inflace (jedna nebo několik) skončila(y) v čase 10-32s Spojená s fázovými přechody při vydělování jednotlivých interakcí při ochlazování předpovídaného v popisu sjednocování interakcí (oddělení silné a elektroslabé interakce) Vysvětlí: A) Automaticky: 1) Homogenitu a izotropii 2) Plochost - ve spojení s antropickým principem 3) Neexistenci topologických defektů B) V závislosti na modelu a sjednocené teorii interakcí: 1) Charakter fluktuací a strukturu vesmíru 2) Poměr mezi různými formami hmoty 3) Počáteční singularitu 4) Poměr hmoty a antihmoty Detailní pozorování mikrovlnného pozadí  cesta od hypotézy inflace k inflačnímu modelu  výběr správného inflačního modelu Např: závislost fluktuací na vlnové délce záření, charakter polarizace.

Výsledná mapa reliktního záření po třech letech činnosti sondy WMAP Inflace První hvězdy Kvantová fluktuace Éra temna Zrychlování expanze vlivem temné energie Vznik galaxií, hvězd, planet ... Vznik reliktního záření WMAP 13,7 miliard let Následky čeho sonda WMAP prostřednictvím reliktního záření studuje

Neinflační možnosti Hypotéza ekpyrotického vesmíru: vychází ze strunové teorie: Srážka dvou třírozměrných bran (čtvrtý rozměr je čas) pohybujících se v pátém rozměru (ostatních šest rozměrů je svinuto) Brány musí být ploché homogenní a vzájemně paralelní Vlastnosti výhodné pro nahrazení hypotézy inflace: 1) Při srážce vzniká dostatečná teplota pro start Velkého třesku 2) Teplota je dostatečně nízká, aby nevznikaly topologické defekty 3) Nehomogenity dány kvantovými fluktuacemi 4) Neexistuje prvotní singularita (nekonečné hustoty a teploty) 5) Vysvětluje homogennost a isotropii vesmíru Představa vzájemné oscilace bran a periodické srážky: Náš vesmír je částí jedné z bran, vznikne ve srážce, postupně se nehomogenity vyhladí, energie vyrovná (na nulovou hodnotu), až do příští srážky.

Jaká experimentální data rozhodnou? Možnost odlišení hypotézy inflace a ekpyrotického vesmíru: Gravitační vlny: Ekpyrotický vesmír: amplituda klesá rychle s vlnovou délkou gravitačních vln ("fialový" posun) Inflace: amplituda mírně roste s vlnovou délkou gravitačních vln (mírný rudý posuv) Vliv gravitačních vln na reliktní mikrovlnné záření  pozorování fluktuací (otisk gravitačních vln závisí na frekvenci) a polarizace mikrovlnného záření Jaká experimentální data rozhodnou? K poznání může přispět řada experimentálních pozorování: Experimenty poznávající sjednocenou teorii interakcí 1) Pozorování supersymetrických partnerů standardních částic 2) Oscilace neutrin 3) Rozpad protonů, další rozpady nezachovávající baryonové nebo leptonové číslo 4) Vznik mikročerných děr 5) Gravitační experimenty na krátké vzdálenosti Poničený detektor Superkamiokande

B) Experimenty zkoumající záření z vesmíru I) Reliktní mikrovlnné záření: 1) Data o polarizaci 2) Data o frekvenční závislosti fluktuací II) Vývoj poměru jednotlivých složek hmoty v průběhu evoluce vesmíru III) Reliktní neutrina IV) Reliktní gravitační vlny: 1) Závislost jejich fluktuací na vlnové délce V) Pozorování částic temné hmoty VI) Silná gravitační pole na blízké vzdálenosti – vlastnosti černých děr VII) Vliv gravitace z jiných vesmírů (bran), únik gravitační energie Experimenty na zachycení gravitačních vln LIGO a VIRGO Účinky gravitace velmi hmotných objektů ze sousedních bran Únik gravitační energie

Závěr Standardní model Velkého třesku je velice dobře podložen experimentálními daty: rozpínání vesmíru, reliktní záření, primordiální nukleosyntéza, evoluce galaxií Inflační model indikován experimentálním faktem plochosti vesmíru. Mohl by vysvětlit řadu vlastností vesmíru daných jeho vývojem v nejrannějších fázích Nová sonda Planck připravovaná pro studium reliktního záření

Základní kosmologické parametry - WMAP 11. 2. 2003 3) Vlastnosti vesmíru určené z pozorování reliktního záření: Základní kosmologické parametry - WMAP 11. 2. 2003 Hubbleova konstanta (714) km s-1 Mpc-1 stáří vesmíru (13,70,2) miliard let doba oddělení reliktního záření od hmoty (379 0008 000) let vznik prvních hvězd 200 000 000 let křivost vesmíru plochý (1,020,02) kosmologická konstanta (0,730,04) Složení vesmíru - WMAP 11. 2. 2003 vakuová energie (skrytá, temná energie) (734)% skrytá hmota (nebaryonová, temná hmota) (232)% baryonová hmota (atomární, svítící hmota) (4,00,2)% Jsou ve velmi dobré shodě s dalšími pozorováními (věku hvězd, datování pomocí radioizotopů, studium světla prvotních hvězd, průběhu rozpínání, množství primordiálních prvků, poměr fotonů ku hmotě …)

4) Inflační model, ekpyrotický model … jsou zatím hypotézy I nejexotičtější kosmologické hypotézy nabízejí předpovědi k rozhodnutí pozorováním 6) Rozhodne: pozorování reliktního mikrovlného záření. V budoucnu snad reliktních neutrin, snad i gravitačních vln, částic temné hmoty, vliv jiných dimenzí či snad i jiných vesmírů? 7) Sepětí s fyzikou mikrosvěta a hledáním jednotné teorie částic a interakcí Studium velmi horkých a hustých stavů hmoty pomocí srážek jader urychlených na velmi vysoké energie

Zkoumání reliktního mikrovlného záření sondou WMAP Zdroje NASA (Upozornění: nespouští se, jestliže prohlížíme přes internetový prohlížeč, pouze přímo v PowerPointu) 1) Vzhled sondy 2) Ještě jeden průlet 3) Průlety kolem Země a 4) Využití Měsíce pro dopravu do libračního bodu 5) Umístění v libračním bodě 6) Očištění od záření diskrétních zdrojů a naší Galaxie 7) Kam až WMAP dohlédne? 8) Až k prvotním fluktuacím hustoty – podstatě vzniku galaxií , hvězd! 9) Výsledek pozorování – mapa reliktního záření 10) a studium fluktuací