Mørkt stof og mørk energi

Mørkt stof og mørk energi UNF AALBORG UNI VERSITET

OUTLINE Introduktion til kosmologi Den kosmiske baggrund En universel historietime Mørke emner Struktur af kosmos 2

KOSMOLOGI Kosmos: Det ordnede hele Logi: Læren om Kosmo+logi: Læren om universet som helhed Beskæftiger sig med det meget store og/eller det meget gamle (Big Bang) 3

UNIVERSET GENNEM ET TELESKOP 4

UNIVERSET GENNEM ET TELESKOP Hvor langt tilbage kan vi egentlig se? Kan vi se Big Bang? Hvor stort er det observable univers? Er der mere i universet end det vi kan observere? 13

HVOR LANGT TILBAGE KAN VI SE? 13 mia. gammelt lys 13.2 mia. gammelt lys 14

HVOR LANGT TILBAGE KAN VI SE? 15

HVOR LANGT TILBAGE KAN VI SE? I alle retninger ser vi det samme! Mikrobølgebaggrund Mikrobølger. Ikke grønt lys! 17

MIKROBØLGEBAGGRUNDEN 18

ER DER MERE I UNIVERSET END HVAD VI SER? Universet er ca. 13.8 mia. år gammelt Svarer ca. til en størrelse på 93 mia. lysår (mystisk!) Der er, på mange måder, mere i universet end hvad vi kan se (universet er for alle praktiske formål uendeligt) 21

UNIVERSET GENNEM ET TELESKOP Hvor langt tilbage kan vi egentlig se? Kan vi se Big Bang? Hvor stort er det observable univers? Er der mere i universet end det vi kan observere? 22

VIGTIGE OPDAGELSER I KOSMOLOGIEN Rummets ekspansion Mikrobølgebaggrunden Ekspansionsraten accelererer 23

VIGTIGE OPDAGELSER I KOSMOLOGIEN Rummets ekspansion 24

RUMMETS EKSPANSION 25

RUMMETS EKSPANSION Afstandene i universet vokser! 26

RUMMETS EKSPANSION Ekspansion i den forstand at afstande vokser Udvider sig ikke ud i noget Ligesom at leve på en ballon der bliver pustet op: Alle steder udvider sig lige meget, intet centrum 27

VIGTIGE OPDAGELSER I KOSMOLOGIEN Mikrobølgebaggrunden 28

ET VINDUE TIL BIG BANG 33

REKOMBINATION 34

REKOMBINATION 35

ET VINDUE TIL BIG BANG 36

VIGTIGE OPDAGELSER I KOSMOLOGIEN Ekspansionsraten accelererer 37

STANDARD LYSKILDER 38

STANDARD LYSKILDER 39

EKSPANSIONEN ACCELERERER Hastighed væk fra os er lineær (Hubble s lov) for nære galakser Passer ikke med fjerne galakser: De lyser svagere end forventet Nobelpris 2011 40

MØRK ENERGI Normalt stof bremser accelerationen Vi skal bruge noget der skubber på universet: Negativt tryk (udad) Vi kalder det for mørk energi 41

MØRK ENERGI Mørk energi er ikke årsagen til udvidelsen Mørk energi er årsagen til accelerationen af udvidelsen 42

UNIVERSETS SKÆBNE Acceleration Vi er her Big Bang 43

FORTOLKNINGER Ekspansion: Universet er en dynamisk størrelse Mikrobølgebaggrund: Universet havde en varm fødsel Big Bang Acceleration: Universet indeholder andet end det vi kender mørk energi 44

DET KOSMISKE PRINCIP Kosmologi er baseret på det kosmiske princip: Der er ikke i gennemsnit på stor skala noget specielt sted i universet. Universet er statistisk isotropt og homogent på store skalaer Det kosmiske princip + den Generelle Relativitetsteori = Kosmologi 45

DET KOSMISKE PRINCIP Ens 46

DEN KOSMISKE STANDARDMODEL Universets ekspansion Mikrobølgebaggr unden Den kosmiske standardmodel Ekspansionens acceleration Det kosmiske princip 47

EN KOSMOLOGISK HISTORIETIME 48

MIKROBØLGER IGEN IGEN Fluktuationerne i CMB en skyldes kvantefluktuationer i det meget tidlige univers Det er efterladenskaber fra universets allertidligste periode Formen af pletterne giver os universets geometri Studiet af CMB giver os indblik i det tidlige univers (inflationsfasen) 49

UNIVERSETS GEOMETRI Geometri: Studiet af trekanter Vinkelsummen i en trekant afhænger af krumningen Universets geometri er afgørende for hvordan vi oversætter observerede vinkler til fysisk størrelse 50

UNIVERSETS GEOMETRI Kugle: Σ > 180 Saddelflade: Σ < 180 Plan: Σ =180 Einstein har lært os at rummets geometri afhænger af universets indhold! 51

UNIVERSETS GEOMETRI Universets geometri Universets tæthed 52

UNIVERSETS GEOMETRI Vi finder den totale tæthed af universet! 54

UNIVERSETS INDHOLD Vi tæller antal galakser per Mly 3 Finder at det kun er ca.0.5 % af massen! Tager intergalaktisk gas med: ca. 3.5 % af massen! Resten af universet er mørkt! Universet er meget mørkt! 55

EFTER PAUSEN: DEN MØRKE HALVDEL UNF AALBORG UNI VERSITET

FØR PAUSEN: Vi har set: Det tidligste glimt af Big Bang vi kan direkte observere er CMB en Universet må udvide sig Udvidelsen af universet er for nylig begyndt at accelerere mørk energi 57

TAKE HOME MESSAGE I: 58

KAN VI SE MØRK ENERGI? Mørk energi? Nej, molekylesky i mælkevejen! 59

KAN VI SE MØRK ENERGI? Vi kan kun indirekte observere mørk energi deraf navnet Er mørk energi så bare en systematisk målefejl? Måske vi ikke har gode nok modeller for supernovaer? 60

EVIDENS FOR MØRK ENERGI Supernovaer Universet er fladt (fra CMB). Hvis vi tæller det vi kan se, er det ikke nok. CMB en er på sin rejse til os blevet forstyrret (Integrerede Sachs-Wolfe effekt) Mørk energi er ikke en målefejl! 61

MULIGE FORTOLKNINGER AF MØRK ENERGI Ingen ved hvad mørk energi er! Konstant vakuum energi: Kosmologisk konstant? Korrektioner til Einsteins Generelle Relativitetsteori? Eksotiske partikler? Mange ting synes at hinte mod en konstant vakuum energi, men ikke sikkert 62

KOSMOLOGISK KONSTANT Vi ved at der faktisk er energi i vakuum Elektron ind Elektron ud Ingenting kan være eksakt nul kun i gennemsnit over tid D.v.s. der er små fluktuationer omkring nul: Dannelse af virtuelle partikler Tid 63

VAKUUM ENERGI 64

VAKUUM ENERGI Vakuum energi er målt Det findes! Overfører man eksperimenter til universet passer det helt vildt dårligt (faktor 10 120 dårligt). Dårligste forudsigelse i fysikken! 65

KOSMOLOGISK KONSTANT = VAKUUM ENERGI? 66

DET UNIVERSELLE ENERGIREGNSKAB 67

DET UNIVERSELLE ENERGIREGNSKAB KOSMOLOGISK KONSTANT Samme tæthed på trods af Universets udvidelse NORMALT STOF Mindre tæthed pga. udvidelsen 68

DET UNIVERSELLE ENERGIREGNSKAB Vigtigt at forstå 69

HVORFOR TROR VI AT DER ER MØRKT STOF? Strukturdannelse Hastigheder i hobe Rotationskurver i galakser +1000 andre grunde. 70

HVORFOR TROR VI AT DER ER MØRKT STOF? Mange urelaterede problemer kan løses, hvis vi accepterer, at der findes stof, vi ikke kan se! 71

STRUKTURDANNELSE Kender størrelsen af fluktuationer ved rekombination Ved hvornår de første stjerner/galakser dannes Mørkt stof skal virke som frø for strukturdannelsen! 72

HASTIGHEDER I HOBE Zwicky, 1934 Coma hoben 73

ROTATION I EN GALAKSE 74

MØRKT STOF VS. MØRK ENERGI Mørkt stof Mørk energi Klumper Trækker stof indad Vigtig i det unge univers Relevant i dag Klumper ikke Skubber stof væk Vigtig i det gamle univers Meget relevant i dag Indirekte observationer Indirekte observationer 75

HVAD ER MØRKT STOF? 76

HVOR FINDER VI MØRKT STOF? 77

HVOR FINDER VI MØRKT STOF? Mørkt stof findes alle steder vi også finder almindeligt stof Også i solsystemet! Også i din baghave! 81

STRUKTURER I UNIVERSET 82

EN TYPISK GALAKSE: MÆLKEVEJEN 83

GALAKSEHOBE 84

STORSKALASTRUKTUR Mørkt stof altafgørende 85

STRUKTURER I UNIVERSET Jo større skala jo mere betyder mørkt stof Stjerner Galakser Galaksehobe? Er alting grupperet i voksende skalaer? Det kosmiske princip siger nej! 86

DEN STØRSTE SKALA Superhobe klumper sammen i hvad man kalder filamenter Filamenterne kan være op mod 300 mio. lysår store. På større skalaer er universet homogent og isotropt Der findes ikke super-duper hobe. Endnu 87

DEN STØRSTE SKALA 88

DET KOSMISKE PRINCIP Kugler af denne størrelse er ens i gennemsnit 89

UNIVERSET SET UDEFRA: MILLENIUM SIMULERINGEN 90

MILLENIUM SIMULERINGEN 91

STRUKTURDANNELSE 94

TAKE HOME MESSAGE II: Universet udvider sig Universet startede i en varm, tæt fase og afkølede gradvist. Mikrobølgebaggrunden er en glød fra universets fødsel For at forstå observationer introducerer vi mørk energi og mørkt stof 95

TAKE HOME MESSAGE II: Mørk energis tæthed er (sandsynligvis) konstant i tid og rum: Vakuum energi Mørkt stof er sandsynligvis ny elementarpartikel (WIMPs) De største strukturer i universet (filamenterne) er ca. 300 mio. lysår store 96

TAK FOR NU UNF AALBORG Eventuelle spørgsmål: cs06@phys.au.dk UNI VERSITET