Introduzione alla Cosmologia Fisica Lezione 16

Introduzione alla Cosmologia
Fisica
Lezione 16
La determinazione della scala delle distanze. La nucleosintesi cosmologica. I primi
tre minuti.
Giorgio G.C. Palumbo
Università degli Studi di Bologna
Dipartimento di Astronomia
La Galassia
Terra
Sole
Orbita Terra
Sistema solare
Stella più vicina
=
=
=
=
=
100 nm
10 μm
¼ cm
20 cm
250 m
= virus
= cellula
= spillo
= piattino
= giardino
Jewel Box
Cluster
Stelle visibili
a occhio nudo
Eagle
Nebula
Centro della Galassia
Crab
Nebula
Sistema Solare
13.7 Gly
L’Universo Visibile
Via Lattea
Gruppo Locale
Virgo cluster
Coma cluster
Keck/VLT
+ Cluster Lens
=
=
=
=
0
20 m = aula
600 m = stadio
15 km
100 km
SDSS &
2dFGRS
Galassie
“Vicine”
HDF
La “nostra” Galassia
mm
ll’a
cq
ua
auto
De
nsi
tà
de
2
sequoia
Balena
Montagna
Stanza piena d’aria
Orizzonte
1 kton
1 ton
Grano di riso
Grano di
polvere
grano di
sabbia
tti
10-4
1 gm
Ins
e
10-2
100 km
son
e
Nana
bianca
1
km
Per
104
Massa (kg)
Mondo Umano
Stanza piena di rocce
Stanza piena d’acqua
Stella di
neutroni
106
10
cm
Mezzo
interstellare
10-6
10-4
10-2
1
102
Dimensione (metri)
104
1 mg
nm
Mattoni Naturali
μm
AU
pc
1030
1060
Universo
visibile
1050
Stelle &
Pianeti
Massa (kg)
1040
10
Mpc
30
1020
1010
Galassie
1
M☺
1020
1010
Il nostro
Mondo
1
10-10
10-20
Nuclei Atomi
10-30
10-20
10-10
1
1010
Dimensione (metri)
1020
1030
nm
Materia nell’Universo
μm
AU
1060
Buchi Neri
1030
SMBH
•
W.D.
B.H.
Sun S.S.
• • • •
N.S.
•
Jup.
po
m
e
t
• Earth
azio
p
s
a lo
m
r
fo
• montagna
1030
1020
L
d
a
s
s
a
aM
De
ns
ità
Nu
De
cle
ns
ar
ità
e
At
om
ica
e
1010
Vuoti
Ammassi
Galassie
Nubi ISM
• umani
• cellula
10-30
U nuc
H nuc ••
10-20
(5
De
10-20
•• UH atomo
atomo
10-10
1
1010
1020
Dimensione (metri)
1010
M☺
H.W.
10-10
1020
1
ns
ità
d
H
ato i ch
iu
mi
m -3 sura
)
1040
Massa (kg)
Mpc
Universo
1050
1
pc
1030
Mattoni fondamentali dell’Universo
nm
μm
AU
1060
Buchi neri
po
otem
Nuclei
10-30
10-20
Stelle
hi u
su
ra
sit
à
Molecole
Atomi
10-10
1
1010
Dimensioni (metri)
1010
M☺
De
n
H.W
1020
1
di
C
om
i
At
De
ns
ità
10-10
Galassie
Pianeti
ca
re
lea
àN
uc
ns
it
1
10-20
☼
zi
pa
s
o
al
m
r
o
def
a
s
s
ma
De
Massa (kg)
Resti
30
1010
1030
Ammassi
collasso
1040
1020
Mpc
Universo
1050
10
pc
1020
1030
fs
1060
ms
ns
Energia e Tempi
nell’ Universo
min
supernova
•
Energia (Joules)
1040
d
ky
Gy AU
ammassi
QSOs
12 L ☺
10
6 L☺
10
L☺
KE della
Terra
•
100 10
1 0.1
•
stelle M
☺
rallentamento
•
10 km
Impatto di •
tettonica
asteroide
H • Bomba •
A•
Temporale
•
lampo
•• • lunch
Auto scontro
Mondo
umano • Orologio da polso
“hello”•
MW
1020
1
γ
10-20
y
att
1W
μW
nuclei
X
foto
UV
ni
10-20
Vis
atomi
IR
cellule
molecole
10-10
1
Tempo (secondi)
MT
1 t TNT
GeV
eV
evoluzione
1010
1020
Posizione & stato della materia barionica
IGM
4
ISM 10
yr
superficie
104
DMCs
CMB
< 0.01%
Atomi.
< 10-20 %
ionizzzato
Molecole
semplici
molecle
complesse
polvere
1
10-30
B.H.
biosfera
1
102
HeCNO
HHe
pianeti
yr
0M
100
0
N.S.
lle
~20%
6
1eV
W.D.
ste
Temperatura (K)
5
reazioni
nucleari
10
°C
10
m
nuclei
distrutti
cores
ICM
1keV
1
10
~80%
Nuclei
m
1 atm
1MeV
108
Acqua
1010 H cm-3
Sol
e
1010
Chiusura 1 H cm-3
10-20
10-10
1
Densità (kg m-3)
1010
1020
(CDM + Energia oscura + Inflazione)
•
WMAP + SDSS + 2dF + HST Key Project +
DASI + ACBAR + CBI + t0 + SNe …
•
Piccole sbare di errore, consistenza
– σ(n): 0.1 - 0.02; σ(Ω0): 0.03 - 0.01; σ(w): 0.2 - 0.1
•
La costante di Hubble è costante da 5 anni !
H0 = 72 ± 7 km/s/Mpc
Cosmologia di Precisione più difficile del
previsto
•
l = 2 – 5. Profondità ottica: τ = 0.17 to 0.09
Seri test dell’ Inflazione
Predizioni essenziali
1. Universo piatto
2. Quasi invariante in scala, Perturbazioni Gaussiane:
|(n-1)| ~ 0.1 e |dn/dlnk| ~ 0.001
4. Onde Gravitazionali: spettro, ma nessuna predizione
Resultati essenziali
–
Ω0 = 1.0 ± 0.01
–
(n-1) = 0.96 ± 0.017*; dn/dlnk = -0.1 ± 0.05; nessuna
evidenza di andamenti non Gaussiani
r < 0.55 (95% cl)*
–
*Depends significantly upon the priors assumed
Accelerazione Cosmica: l’Energia Oscura
•
•
•
Evidenze per l’accelerazione cosmica (HST,
CFHTLS, Quintessenza, WMAP,
XMM/Chandra…)
Non ancora interpretata – “teorici continuano
ad esplorare lo spazio delle fasi”
Nessuna evidenza che l’energia oscura non
sia l’energia del vuoto quantico
– w = -1 ± 0.1 (da ± 0.2); nessuna evidenza di
variazioni temporali
•
In arrivo nuove sonde spaziali:
– JDEM, LSST, …
Altre evidenze sparse
•
•
•
•
•
•
•
Test di Precisione (pochi %) usando la densità barionica:
BBN (D/H) vs. CMB (dispari/pari) non verificata
Consistenza tra predizioni degli elementi nella BBN (He – D –
Li )
σ8: inconsistenza
Variazione cosmica di α
Eccesso di potenza a l ~ 2000
“LSND 4th neutrino”
DAMA, eccesso di e+, …
Gran parte di ciò che conosciamo
dell’accelerazione cosmica si basa su
assunzioni dei modelli (ΛCDM, wCDM)
• ΛCDM, wCDM i fit sono migliori dei modelli
w/o “energia oscura” (CDM o OCDM)
• … ma, la storia dell’accelerazione è fissata:
accelerazione recente, decelerazione nel
passato
• Inoltre, si assume che l’equazione di
Friedmann sia corretta (e se la teoria della
gravità fosse parte della soluzione?)
Decelerazione
Le 6 Componenti Principali meglio determinate
Redshift
Conclusioni “solide”
• L’ Universo oggi potrebbe non accelerare:
Modelli con decelerazione da z = 0.3 sono
accettabili al 10% cl
• Convincente evidenza che l’Universo un tempo
accelerava (5σ)
• Forte evidenza che q(z) era maggiore nel
passato
• Debole evidenza che l’Universo era decelerato
nel passato
Assunzioni & Inputs
• Teoria metrica della gravità con metrica di
Robertson-Walker
• Analisi senza “Friedmann”
• “Gold Set” di Supernovae
• Universo piatto (potrebbe essere rilassato)
• Verso una storia di costante accelerazione
• Analisi delle componenti principali di q(z)
I 2 Modelli Meglio Determinati
ΛCDM
Senza le equazioni di Friedmann si perde la
migliore evidenza per la piattezza
(i.e., Anisotropia CMB)
• Si potrebbe determinare la curvatura spaziale in
modo indipendente:
dV = r2drdΩ / [1 - kr2]1/2
r(z) = distanza direzionale dell’oggetto di redshift z
|k|-1/2 = raggio di curvatura
• Determinati r e dr (e.g., SNe) e dV (e.g. conteggi),
si ricava k
Lista di punti scottanti
1. Accelerazione Cosmica/Energia Oscura:
“Profondo Mistero della Scienza attuale”
2. Materia scura: 3 approcci – misure dallo
spazio, acceleratori, esperimenti sotterranei –
risposte all’orizzonte!
3. Testare le predizioni dell’inflazione –
inflazione sta per diventare parte integrante
della “ cosmologia standard”
4. Usando l’ accordo e le verifiche dei dati della
cosmologia di precisione (BBN, SDSS/2dF,
WMAP, SNe…) testare la Relatività Generale
in nuovi regimi.
Parameteri Cosmologici Globali
• H0
Costante di Hubble: espansione v=H0 r
• Ωb Contenuto Barionico
• ΩDM Contenuto di materia scura
• ΩΛo ΩDE Contenuto di energia scura
• w(z) Prortietà dell’energia scura
Parametri derivati:
• Ωm=Ωb+ΩDM Contenuto totale di materia
• ΩK=1-Ωm-ΩΛ Curvatura dell’Universo
Modello convenzionale
70% Energia scura
5% Materia
Barionica
25% Materia scur
fredda
Dinamica dell’Universo
a / t2/(3(w+1))
• Materia domina (w=0): a / t2/3
– Decelera
• Radiazione domina (w=1/3): a / t1/2
– Decelera
• Costante Cosmologica (w=-1): a / eλ t (speciale)
– Accelera
Dove avviene la transizione?
– w>-1/3 decelera
– w<-1/3 accelera
map.gsfc.nasa.gov/ m_uni/101bb2_1.html
Energia Scura (DE)
• Proprietà
• Costante Cosmologica o quintessenza?
• Parametrizzazione della quintessenza
– Incorporare la quintessenza nelle predizioni
– Parametrizzare w(z)
• Misure recenti
• Uso delle supernovae
DE: proprietà
• È la maggiore componente dell’Universo
• Causa l’espansione accelerata
• Modifica il tasso di crescita delle fluttuazioni
Costante Cosmologica o
Quintessenza?
• Costante Cosmologica:
– Punto-zero delle fluttuazioni quantistiche?
– Fattore 10110
– Coincidenza di Ωm ~ ΩΛ
– perchè accelera adesso?
• Quintessenza
–
–
–
–
Dipende dal tempo
Spazialmente inomogeneo
eg. Campo scalare che si srotola lungo un potenziale
Pressione negativa – w = pressione/densità
Supernovae Ia
• Misurano il tasso di espansione in
funzione di z
• Effetti Sistematici? eg.
– Evoluzione
– Polvere grigia
• Tests eg. Z =1.7 supernova
Perlmutter et al.
Densità della DE
Densità della DM
Assumendo un Universo piatto:
Derivazione Newtoniana
• Per una comprensione fisica
• Per la sola materia (ie. p=0), Universo piatto
– 3/a2 (å2 + k) = 8 π G ρ(t)
– 1/a2 (2a ä + å2 + k) = -8 π G p(t)
• Considera un osservatore sul bordo di una sfera
di raggio X isotropa in espansione
mx’’ = GMm/a2
x’’ = 4 π Gρ x /3
m
X = ar, X = distanza, r = comovente
M=ρ 4/3 π x3
ä = 4 π Gρ / (3 a2)
Come dalle equazioni diFreidman
Storica evoluzione della DM
• Velocità in COMA 1937
• Velocità nel Gruppo Locale 1959
• Curve di rotazione delle galassie 1970s
• Limiti superiori dalla CMB 1980s
DM Barionica
• Idrogeno freddo
• MACHOs (Massive Compact Halo Objects)
– Buchi Neri
– Stelle dense, eg. WD, NS
– Grossi pianeti
• Limiti da microlensing
– <20% dell’alone della nostra galassia è
composto da MACHOS