Pimeän energian metsästys satelliittihavainnoin

Transkriptio

1 Pimeän energian metsästys satelliittihavainnoin Avaruusrekka, Kumpulan pysäkki Peter Johansson Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta / Peter Johansson/ Avaruusrekka /08/14 1

2 1. Maailmankaikkeuden laajeneminen Onko maailmankaikkeus ikuinen ja muuttumaton? Näin luultiin yleisesti vielä 1900-luvun alussa. Edwin Hubble mittasi 1920-luvulla galaksien etäisyyksiä ja niiden säteisnopeuksia. Hubble huomasi, että galaksit tyypillisesti etääntyvät meistä ja tämä nopeus on suoraan verrannollinen galaksin etäisyyteen. v = H 0 d Edwin Hubble ( ) 13/08/14 2

3 Maailmankaikkeuden koostumus Kun mennään ajassa taaksepäin, galaksit lähenevät toisiaan ja jossain vaiheessa kaikki maailmankaikkeuden aine on yhdessä pisteessä. Alkuräjähdyksen ajanhetki riippuu maailmankaikkeuden laajenemishistoriasta. Laajenemisnopeus riippuu maailmankaikkeuden koostumuksesta. Tavallinen aine ja pimeä aine jarruttavat laajenemista, kun taas pimeä energia kiihdyttää siitä. Tällä hetkellä maailmankaikkeus laajenee kiihtyvästi! 13/08/14 3

4 Maailmankaikkeuden ikä Nykyisen standardimallin mukaan maailmankaikkeus syntyi noin 13.7 miljardia vuotta sitten suuressa alkuräjähdyksessä. Tämä ikä on myös sopusoinnussa vanhimpien tähtien ikien kanssa. Aikaisemmassa mallissa tähdet olivat vanhempia kuin maailmankaikkeus! Uusi malli Vanha malli 13/08/14 4

5 Fysiikan Nobel-palkinto 2011 Palkinto myönnettiin Perlmutterille, Schmidtille ja Riessille jotka olivat havainneet tyypin Ia Supernovia (standardikynttilöitä) ja huomanneet, että ne ovat heikkovaloisempia kuin oletettiin ja täten kauempana. Johtopäätös oli, että maailmankaikkeuden laajeneminen on kiihtynyt ja se on suurempi kuin mitä aikaisempi malli antoi ymmärtää. 13/08/14 5

6 Maailmankaikkeuden tulevaisuus Laajeneminen jatkuu kiihtyvällä nopeudella. Vaikka matkustaisimme valon nopeudella, emme voi saavuttaa galakseja, joiden punasiirtymä on nyt yli z = 1,7 (nyt yli 15 miljardin valovuoden päässä). Emme voi koskaan nähdä kovin paljon suurempaa osaa maailmankaikkeudesta. Lopulta lähes kaikki galaksit häipyvät näkyvistä, omaa galaksijoukkoamme lukuun ottamatta. 13/08/14 6

7 Edellä sanottu perustuu oletukseen, että kyseessä on todella kosmologinen vakio tai tyhjiöenergia Teoreettisesti epätyydyttävä: Havaittu arvo on ilman selitystä ja outo Kvanttikenttäteoria: tyhjiö (kenttien alin energiatila) ei ole tyhjä vaan sisältää nollapiste-energiaa Sen energiatiheyttä ei osata laskea Luonnollinen suuruusluokka: kertaa havaittu ρ tyhjiö Teoreettisen fysiikan surkein ennuste. Teorian symmetriat voivat pienentää arviota supersymmetria à Pimeän energian mysteeri Ehkä oikeasti ρ tyhjiö = 0 ja negatiivisesta paineesta onkin vastuussa tuntematon kenttä pimeä energia. 13/08/14 7

8 2. Euclid: pimeää energiaa tutkiva satelliitti Avaruuskaukoputki Laukaisu avaruuteen m peili, jossa laaja näkökenttä (0.5 neliöastetta) Kaksi instrumenttia: Kamera, joka ottaa kuvia näkyvän valon alueella Spektrometri galaksien punasiirtymän mittaamiseen Suunniteltu toiminta-aika 6 vuotta Valokuvaa puolet koko taivaasta (> 30 galaksin tasosta) 13/08/14 8

9 Euclid-projektin jäsenet HY:ssä Hannu Kurki-Suonio, Suomen Euclid-vastaava Elina Keihänen, datankäsittely Seppo Korpela, laitteisto-osallistuminen Peter Johansson, kosmologiset simulaatiot Kari Enqvist, teoria Syksy Räsänen, teoria Lisäksi 10 muuta jäsentä Turussa ja Jyväskylässä. 13/08/14 9

10 Euclid pyrkii vastaamaan kysymyksiin 1. Mikä on pimeän energian luonne onko sen energiatiheys vakio (ns. Tyhjiöenergia), vai onko kyseessä dynaaminen kenttä joka muuttuu avaruuden laajetessa? 2. Vai onko laajenemisen kiihtyminen osoitus siitä että yleinen suhteellisuusteoria ei päde suurimmilla etäisyyksillä? -> Muutoksia painovoimateoriaan. 3. Mitä pimeä aine on? Mitkä ominaisuudet pimeällä aineella ovat? 4. Minkälaisia olivat aineen tiheysvaihtelut varhaisessa maailmankaikkeudessa, josta havaittavat galaksit kehittyivät? 13/08/14 10

11 Euclid:in kartoittama alue Euclid kartoittaa 1,5 miljardia galaksia punasiirtymäväliltä z = 0 2: Täältä puoleen väliin horisonttia. Viimeiset 10 miljardia vuotta = ¾ maailmankaikkeuden historiasta.

12 Galaksijakauma (BAO=Baryon Acoustic Oscillations) Spektrometri ->70 miljoonan galaksin punasiirtymä Tiheysvaihteluiden aaltoilu varhaisessa maailmankaikkeudessa voimisti tiettyjä etäisyysskaaloja. Tämä etäisyysskaala näkyy selvästi kosmisessa taustasäteilyssä ja se voidaan havaita myös galaksien jakaumassa-> Standardimittatikku! Euclid havaitsee missä kulmassa tämä skaala näkyy milläkin punasiirtymällä (z = 2 asti) (kulma riippuu etäisyydestä) Tästä voidaan ratkaista etäisyyden ja punasiirtymän välinen relaatio. ja tästä maailmankaikkeuden laajenemishistoria a(t) => pimeän energian tiheys ajan funktiona 13/08/14 12

13 Gravitaatiolinssi-ilmiö kartoittaa pimeän aineen

14 Rakenteen kasvu maailmankaikkeudessa k +2H k 4 G m k =0 Riippuu sekä laajenemishistoriasta a(t) (Hubblen vakiosta), että painovoimateoriasta. Jos oletamme yleisen suhteellisuusteorian, antaa rakenteen kasvu riippumattoman mittauksen pimeän energian ominaisuuksista Mikäli ristiriidassa BAO-tulosten kanssa, mittaa poikkeamaa yleisestä suhteellisuusteoriasta.

15 Yhteenveto Maailmankaikkeus syntyi 13.7 miljardia vuotta sitten suuressa alkuräjähdyksessä ja tällä hetkellä se laajenee kiihtyvästi. Emme ymmärrä miksi maailmankaikkeuden laajeneminen on kiihtyvää. Tämänhetkiset havainnot ovat sopusoinnussa mallin kanssa, jonka mukaan maailmankaikkeuden täyttää tasainen pimeän energian kenttä, joka aiheuttaa kiihtyvyyden. ESA:n Euclid satelliitti laukaistaan vuonna 2019 ja se tulee kuvaamaan puolet koko taivaasta ennätystarkasti. Havaitsemalla BAO:ta, gravitaatiolinssejä ja galaksien jakaumaa taivaalla voimme oppia uutta pimeän energian ja pimeän aineen luonteesta. 13/08/14 15