8. Standardmodell. Restprobleme. Vorlesung ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE an der TUCh im WS 2006/07. Strahlungskosmos und Ruhmassekosmos

Transkript

1 8. Standardmodell Strahlungskosmos und Ruhmassekosmos Teilchengeschichte Restprobleme

2 8.3 Restprobleme

3 Problem des ebenen Raumes (flatness problem) Nach dem Standardmodell der Kosmologie (Λ = 0) ergeben sich grundsätzlich verschiedene Entwicklungen des Skalenparameters R(t) aus extrem kleine Dichteunterschieden in der Frühphase. Gezeigt ist der Fall eines kritischen Universums, aus dem ein offenes oder ein geschlossenes entsteht, wenn bei t = 10 9 s ein relatives Dichtedefizit bzw. ein relativer Dichteüberschuß von nur vorliegt. Ein geeigneter Stabilisierungsmechanismus erscheint unrealistisch. nach E. L. Wright 1996

4 Horizontproblem Zeit t o t em Raum Die Skizze reduziert auf die Kernaussage: Ein Beobachter (B t o ) empfängt isotrope kosmische Hintergrundstrahlung von Regionen, die zur Emissionszeit (t em J) noch keinen Lichtkontakt hatten.

5 Horizontproblem Die Standardtheorie (Λ = 0) des kritischen Ruhmasseuniversums (k = 0) liefert für den Skalenparameter, R(t), und den Horizontabstand, D H (t) (proper distance), zur beliebigen Zeit t R(t) = R o t to 2 3, D H (t) = 3ct. Regionen auf der Emissionsfläche, die bis t em Lichtkontakt hatten, haben heute einen um den Expansionsfaktor R o /R(t em ) vergrößerten Abstand und erscheinen so unter Sehwinkeln Θ 3ct em (t o /t em ) 2/3 3ct o 180 o π 2 o. Die Hintergrundstrahlung sollte daher nicht isotrop sein. Das ist das Horizontproblem. Anmerkung: Zur Vereinfachung wurde für den ganzen Zeitraum 0 < t < tem das Expansionsregime des Ruhmassekosmos verwendet. Zeit t em t o Raum Die Skizze reduziert auf die Kernaussage: Ein Beobachter (B t o ) empfängt isotrope kosmische Hintergrundstrahlung von Regionen, die zur Emissionszeit (t em J) noch keinen Lichtkontakt hatten.

6 9. Inflation Kosmische Inflation Dunkle Energie

7 9.1 Kosmische Inflation

8 Skalierung des Raumes löst Probleme der Standardtheorie Unsere Rolle im Universum ist die eines Beobachters auf der Oberfläche einer Kugel vom Radius R, der nur eine endliche Umgebung sieht. Bei genügend großem Radius R kommt er zu dem Ergebnis, daß er in einer flachen Welt lebt (Umgebung Tangentialebene). Umgebung B R Emission der 3-K-Strahlung, die wir heute isotrop empfangen, auf der Fläche der letzten Streuung (LSS) etwa J nach BB. rechts: Die Emissionspunkte 1 und 2 müssen miteinander im thermischen Gleichgewicht gewesen sein. Die Teilchenhorizonte HOR 1, HOR 2 müssen daher mindestens überlappen. links: Nach der Standardtheorie tun sie das nicht. Eine Raumskalierung vor der Emission der 3-K-Strahlung ist nötig.

9 Entwickler eines führenden Konzepts: Kosmische Inflation

10 Kosmische Inflation: Harmonischer Oszillator (A. D. Linde) übernommen aus Vortrag A. D. Linde, Beijing

11 Kosmische Inflation Rahmen: Standardmodell (Λ = 0) Der Teilchenhorizont als Zeitfunktion definiert die Größe der kausal mit uns verbundenen Umgebung - unser Universum. Die Materie im heutigen Universum (t o ) befand sich früher entsprechend dem Zeitablauf des Skalenparameters R(t) stets in einer Kugel, deren Radius größer war als der Teilchenhorizont. Thermisches Gleichgewicht konnte nicht entstehen. proper distances / m INFLATION.... t 1 2 2ct t eq t rek ց. 3ct t 2 3. Inflationskonzept (Guth, Linde 1981): Nahe dem GUT-Phasenübergang ein exponentielles Wachstum mit konstanter Hubble-Zahl durch mehr als 50 Hubble- Zeiten. So wird das heutige Universum aus einer winzigen Zelle innerhalb des Teilchenhorizonts vor der Inflation erzeugt t log(t/s) teq s trennt Strahlungskosmos und 1 Ruhmassekosmos mit Skalenparametern R(t) t2 bsw. t2 3. Die Rekombinationszeit ist t rek s. t o

12 Potentiale des Skalarfeldes φ Für die Dynamik des Skalarfeldes φ im GUT- Phasenübergang gibt es seitens der Teilchenphysik noch keine gesicherten Vorgaben. V (φ) φ So werden aus Sicht der Kosmologie unterschiedliche Ansätze erprobt, um Beobachtungsergebnissen zu entsprechen. oben: φ 2 -φ 4 -Potentiale, Anfangszustand zu stabil, abschließende Aufheizung zu kurz für Erzeugung von Teilchen sym asym unten: Korrektur der Schwächen

13 Multiversum

14 Nach der Inflation: Multiversum Die Inflation könnte eine Vielzahl von Blasen geschaffen haben. Jede Blase - ein Universum mit individuellen Eigenschaften. Unser Horizont liegt weit im Inneren einer Blase - der Außenraum bleibt uns daher veschlossen. Solche Extrapolationen sind dennoch sinnvoll. Sie helfen bei der Entwicklung kosmologischer Konzepte für unsere Blase.

15 9.2 Dunkle Energie

16 Casimir-Effekt In Zwischenräumen (z.b. Kugel/Platte) ist die Energiedichte gegenüber dem Außenraum reduziert, da zweiseitige Randbedingungen nur ausgewählte Moden virtueller Photonen zulassen. Der Druck ist proportional zur Energiedichte, und so besteht ein Drucküberschuß im Außenraum, der das Schwingungsverhalten des Cantilevers eines Kraftmikroskops verändert. vorausgesagt: Casimir, 1948 nachgewiesen: Mohideen & Roy, Phys. Rev. Lett. 81, 4549 (1998) Quelle: PhysicsWeb

17 Dunkle Energie: Λ-Vakuum oder Quintessenz? Druck P = w η Energiedichte η R 3(1+w) Skalenfunktion R(t) Ruhmassematerie w = 0 Strahlung w = 1/3 Λ-Vakuumenergie w = 1 Quintessenz 1 < w < 0 SDSS - Sloan Digital Sky Survey WMAP - Wilkinson Microwave Anisotropy Probe SN Ia - ferne Supernovae