Космология: вчера, сегодня, завтра
-
Upload
guinevere-murphy -
Category
Documents
-
view
55 -
download
0
description
Transcript of Космология: вчера, сегодня, завтра
![Page 1: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/1.jpg)
Космология: вчера, Космология: вчера, сегодня, завтрасегодня, завтра
![Page 2: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/2.jpg)
ВчераВчера
• 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.
![Page 3: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/3.jpg)
Курс современой Курс современой космологии за 15 минуткосмологии за 15 минут
1922 А. Фридман: теоретическое предсказание расширения Вселенной
1929 Э. Хаббл: экспериментальное подтверждение
1948 Г. Гамов: теоретическое предсказание горячей Вселенной
1965 А. Пензиас, Р. Вилсон: экспериментальное подтверждение
![Page 4: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/4.jpg)
Курс современой Курс современой космологии за 15 минуткосмологии 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»).
![Page 5: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/5.jpg)
• 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.
В 1965 г. Пензиас и Вилсон открыли реликтовое излучение и тем самым сделали космологию «современной».
Курс современой Курс современой космологии за 15 минуткосмологии за 15 минут
![Page 6: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/6.jpg)
![Page 7: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/7.jpg)
Что каждый культурный человек Что каждый культурный человек должен знать о должен знать о
космологии ранней Вселеннойкосмологии ранней Вселенной
• Все началось с инфляции, и это было хорошо (а не то мы остались бы просто слабыми возмущениями волновой функции).
![Page 8: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/8.jpg)
Что каждый культурный человек Что каждый культурный человек должен знать о должен знать о
космологии ранней Вселеннойкосмологии ранней Вселенной
• Когда было горячо, кругом было полно всяких разных элементарных частиц. Многие их них распались, но некоторые выжили и до сих пор.
![Page 9: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/9.jpg)
Что каждый культурный человек Что каждый культурный человек должен знать о должен знать о
космологии ранней Вселеннойкосмологии ранней Вселенной
• Рекомбинация - это момент, когда материя и излучение перестали взаимодействовать – всего то 480,000 лет после конца инфляции.
![Page 10: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/10.jpg)
Что каждый культурный человек Что каждый культурный человек должен знать о должен знать о
космологии ранней Вселеннойкосмологии ранней Вселенной
• После рекомбинации начинается эпоха поздней Вселенной, излучение и материя друг с другом не взаимодействуют (почти).
![Page 11: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/11.jpg)
Реликтовое излучениеРеликтовое 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...
![Page 12: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/12.jpg)
COBECOBE
• COsmic Background Explorer. Запущен в 1989. Работал 4 года. Несколько научных
целей, главная – обнаружить флуктуации реликта.
И, главное, получилось же!!!
![Page 13: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/13.jpg)
Что Что COBE COBE измерилизмерил
![Page 14: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/14.jpg)
Что Что COBE COBE измерилизмерил
![Page 15: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/15.jpg)
Что Что COBE COBE измерилизмерил
![Page 16: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/16.jpg)
Что Что COBE COBE измерилизмерил
минус однородный фон (0.2%)
минус эффект Доплера (10-5)
минус Млечный Путь (10-5)
![Page 17: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/17.jpg)
Что Что COBE COBE измерилизмерил
• 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.
![Page 18: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/18.jpg)
WMAPWMAP
• Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Запущен в июне 2001. Работал 9 лет
(продливался дважды). Единственная научная
задача – более точное измерение флуктуаций реликта.
![Page 19: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/19.jpg)
PlanckPlanck
• Назван в честь Макса Планка. Запущен в мае 2009 г. Работал 20 месяцев. Единственная научная
задача – более точное измерение флуктуаций реликта (по европейской версии).
![Page 20: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/20.jpg)
Реликт и 3 спутникаРеликт и 3 спутника
![Page 21: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/21.jpg)
Атакама и АнтарктикаАтакама и Антарктика
SPTSPT
ACTACT
Более двух десятков экспериментов на земле. Острее зрение, только кусочек неба.
![Page 22: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/22.jpg)
Зачем это все надоЗачем 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).
![Page 23: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/23.jpg)
Как расшифровать Как расшифровать реликтреликт
• 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.
![Page 24: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/24.jpg)
Спектр флуктуацийСпектр флуктуаций• Распределение флуктуаций на разных
угловых масштабах называется спектром.
![Page 25: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/25.jpg)
Спектр флуктуацийСпектр флуктуаций
• Чтобы получить правильный спектр, надо жить в правильной Вселенной...
![Page 26: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/26.jpg)
Космология – наука Космология – наука точнаяточная
• If that
![Page 27: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/27.jpg)
А в это время где-то в А в это время где-то в Астрономии...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...
![Page 28: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/28.jpg)
У нас она тоже есть!У нас она тоже есть!
• Скорость вращения Млечного Пути.
![Page 29: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/29.jpg)
Неожиданность #2Неожиданность #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 что-то...
![Page 30: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/30.jpg)
Темная энергияТемная 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...
![Page 31: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/31.jpg)
Внимание, занавес!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.
![Page 32: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/32.jpg)
Темная материяТемная материя• Доля всей материи во Вселенной:
– Астрономия:– WMAP:– Plank:
• Доля барионов (обычной, светлой материи):– Астрономия:– WMAP:– Plank:
![Page 33: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/33.jpg)
Хотите веХотите веррььтте, хотите... е, хотите... все равно придетсявсе равно придется
• До сих пор мы открыли только 5% содержимого нашей Вселенной.
![Page 34: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/34.jpg)
ЗавтраЗавтра
• Задача #1: обнаружить темную материю (в лаборатории, по аннигиляционному излучению, ...)
• Задача #2: измерить свойства темной энергии по ее эффекту на расширение Вселенной.
Незнание законов Вселенной не освобождает от ответственности их
открывать.
![Page 35: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/35.jpg)
Темная материяТемная 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 – слабо-взаимодействующие массивные частицы (WIMP).
• Существуют и другие кандидаты: аксионы, стерильные нейтрино, и т.д.
![Page 36: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/36.jpg)
Ищем черную кошку в Ищем черную кошку в темной комнате... 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.
![Page 37: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/37.jpg)
Ищем черную кошку в Ищем черную кошку в темной комнате... темной комнате...
• Все «открытия» сходятся на массе частицы в 10 раз больше массы протона.
• Гонка за Нобелем выходит на последний круг...
![Page 38: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/38.jpg)
Темная энергияТемная 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 (-).
![Page 39: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/39.jpg)
Темная энергияТемная 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 (-).
![Page 40: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/40.jpg)
Заряжаем черную батарейку в Заряжаем черную батарейку в
темной комнате...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.
![Page 41: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/41.jpg)
Заряжаем черную батарейку в Заряжаем черную батарейку в
темной комнате...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.
![Page 42: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/42.jpg)
Заряжаем черную батарейку в Заряжаем черную батарейку в
темной комнате...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).
![Page 43: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/43.jpg)
Индустриальная Индустриальная АстрономияАстрономия
Кустарная Индустриальная
![Page 44: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/44.jpg)
Индустриальная Индустриальная АстрономияАстрономия
![Page 45: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/45.jpg)
Индустриальная Индустриальная АстрономияАстрономия
• «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.
![Page 46: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/46.jpg)
Вместо заключенияВместо 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.
![Page 47: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/47.jpg)
![Page 48: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/48.jpg)
![Page 49: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/49.jpg)
![Page 50: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/50.jpg)
![Page 51: Космология: вчера, сегодня, завтра](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012906/568134e0550346895d9c150e/html5/thumbnails/51.jpg)