Je kosmologie mytologií? aneb teorie a hypotézy o vzniku vesmíru z pohledu experimentálního fyzika

1. “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 Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: WAGNER@UJF.CAS.CZ, WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/ 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 Je kosmologie mytologií?anebteorie a hypotézy o vzniku vesmíru z pohledu experimentálního fyzika

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

3. 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 Dráhy všech současný meziplanetárních sond se počítají pomocí Newtonovy teorie gravitace Obecnější teorie gravitace – Einsteinova obecná teorie relativity – je nutná až v „extrémnějších“ podmínkách Sonda Gravity probe B., testujici obecnou teorii relativity

4. 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 Rozdíly i jednota v popisu mikro, makro i mega světa

5. 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 Megasvět

6. 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 Pozorování v kosmologii

7. Studium reliktního záření- stále přesnější znalost fluktuací jeho teploty, polarizace …  v současnosti neperspektivnější zdroj informací o počátcích vesmíru Mapa teploty reliktního záření ze sondy Wilkinson MAP 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 Hledání hypotetické Higgsovi částice

8. 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 Standardní model

9. 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) vyrovnání intenzity interakcí při vysokých energiích 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 Proč jít dále? - experimentální a teoretické důvody

10. Velké sjednocení: 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 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 p = uud  e+ + ... Příklad rozpadu protonu Rozpad protonu hledal i detektor Kamiokande !!!!Varování!!!vše o struktuře hmoty dále zatím jen hypotézy!!! Od velkého sjednocení k supersymetrii

11. Hledání symetrií, které umožňují transformaci bosonů na fermiony  supersymetrie Důsledky a předpovědi: Hlavním je existence supersymetrických partnerů známých částic: Boson má partnera fermion, fermion pak boson fotonfotinokvarks - kvark gluon gluinolepton s - lepton Z Zino gravitongravitino Hledání supersymetrických částic- jeden z hlavních programů největších existujících i plánovaných urychlovačů 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 Supersymetrické částice budou hledat i experimenty na budovaném urychlovači LHC v CERNu Supersymetrie

12. Strunová teorie - částice nejsou bodové, ale tvoří je struny o rozměru 10-35 m Jednotlivé částice jsou různé módy kmitů struny čím vyšší kmitočet  tím vyšší hmotnost 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 Otevřená struna Uzavřená struna Do dalších rozměrů by pronikala pouze gravitace Další rozměry jsou svinuté Povolené kmitočty dány délkou struny Strunový Feynmanův diagram Strunové teorie

13. 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 Brian Green Momentální závěr hledání vhodné varianty strunové teorie: Všech šest známých superstrunových teorií jsou limitními případy jedné mateřské teorie M-teorie Obrovským problémem je příslušný matematický aparát a kvantitativní testovatelné předpovědi Struny -2

14. 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) Určování průběhu rozpínání vesmíru

15. 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) 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. Spektrum reliktního záření získané pomocí sondy COBE. Převzato ze zdrojů NASA. Odpovídá Planckově vyzařovacímu zákonu černého tělesa s teplotou T. Reliktní mikrovlnné záření

16. 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 kosmologickékonstanty Určování kosmologických parametrů z fluktuací reliktního záření

17. Závislost velikosti fluktuace na úhlové vzdálenosti – čím větší úhel, tím dříve přestala být ovlivňována velikost fluktuací 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

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

19. Pozorování vzdálených - mladých částí vesmíru: Vzdalování → putování v čase První tvorba hvězd - reionizace - ~ 200 milionů let 1) pouze vodík a primordiální helium 2) více hmotnějších a zářivějších hvězd Mladé oblasti: 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 Evoluce galaxií

20. Velký třesk – standardní model Čas: Teplota:Událost: _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 10-5s 2·1012KVznik elementárních částic z kvarků - hadronizace ~ 1 s1010KOddělení reliktních neutrin 200 s 109KVznik prvotních jader H, He a některých dalších lehkých prvků 400 000 let 4000 KVznik 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)

21. 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 pohybůhvězd  haló v galaxiích galaxií  haló v galaktických kupách kup galaxií  velkorozměrová hustota hmoty 2)Rentgenovské záření horkého plynuv 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 Temná hmota

22. 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 Proč inflační model?

23. 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. Vlastnosti inflačního modelu

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

25. 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. Neinflační možnosti

26. 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

27. 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 Únik gravitační energie Účinky gravitace velmi hmotných objektů ze sousedních bran Experimenty na zachycení gravitačních vln LIGO a VIRGO

28. 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 Závěr

29. 3) Vlastnosti vesmíru určené z pozorování reliktního záření: 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 …)

30. 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

31. 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