Космология: вчера, Космология: вчера, сегодня, завтрасегодня, завтра

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.

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

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»).

• 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

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).

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.

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.

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).

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...

COBECOBE

• COsmic Background Explorer. Запущен в 1989. Работал 4 года. Несколько научных

целей, главная – обнаружить флуктуации реликта.

И, главное, получилось же!!!

Что Что COBE COBE измерилизмерил

Что Что COBE COBE измерилизмерил

Что Что COBE COBE измерилизмерил

Что Что COBE COBE измерилизмерил

минус однородный фон (0.2%)

минус эффект Доплера (10-5)

минус Млечный Путь (10-5)

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.

WMAPWMAP

• Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Запущен в июне 2001. Работал 9 лет

(продливался дважды). Единственная научная

задача – более точное измерение флуктуаций реликта.

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).

Реликт и 3 спутникаРеликт и 3 спутника

Атакама и АнтарктикаАтакама и Антарктика

SPTSPT

ACTACT

Более двух десятков экспериментов на земле. Острее зрение, только кусочек неба.

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).

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.

Спектр флуктуацийСпектр флуктуаций• Распределение флуктуаций на разных

угловых масштабах называется спектром.

Спектр флуктуацийСпектр флуктуаций

• Чтобы получить правильный спектр, надо жить в правильной Вселенной...

Космология – наука Космология – наука точнаяточная

• If that

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...

У нас она тоже есть!У нас она тоже есть!

• Скорость вращения Млечного Пути.

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...

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...

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.

Темная материяТемная материя• Доля всей материи во Вселенной:

– Астрономия:– WMAP:– Plank:

• Доля барионов (обычной, светлой материи):– Астрономия:– WMAP:– Plank:

Хотите веХотите веррььтте, хотите... е, хотите... все равно придетсявсе равно придется

• До сих пор мы открыли только 5% содержимого нашей Вселенной.

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.

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.

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.

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...

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 (-).

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 (-).

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.

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.

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).

Индустриальная Индустриальная АстрономияАстрономия

Кустарная Индустриальная

Индустриальная Индустриальная АстрономияАстрономия

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.

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.