Planck ja kosminen mikroaaltotausta

Transkriptio

1 Planck ja kosminen mikroaaltotausta Elina Keihänen Helsingin yliopisto Fysikaalisten tieteiden laitos Fysiikan täydennyskoulutuskurssi Kiitokset materiaalista Hannu Kurki Suoniolle

2 Planck satelliitti Euroopan Avaruusjärjestö ESA Laukaisu vuonna 2008

3 Mikä on maailmankaikkeuden ikä? Laajeneeko maailmankaikkeus ikuisesti? Mikä on maailmankaikkeuden materiakoostumus? Mitä on ns. pimeä energia?

4 Planck satelliitti hakee vastausta näihin kysymyksiin kartoittamalla kosmisen mikroaaltotaustan epäisotropiaa

5 1. Kosminen mikroaaltotausta Sähkömagneettista säteilyä Aallonpituus 1 mm 1 cm (mikroaallot) Isotrooppista tulee tasaisesti joka suunnasta Se tulee hyvin kaukaa Vastaa K lämpötilassa olevan mustan kappaleen säteilyä 400 fotonia / cm^3

6 2.7 K lämpösäteilyä Olet tässä

7 Robert Wilson ja Arno Penzias. Taustalla Bell Telephone laboratorion antenni, jolla he löysivät kosmisen taustasäteilyn vuonna Tästä löydöstä heille myönnettiin Nobelin palkinto vuonna 1978.

8 Kosmisen taustasäteilyn löytyminen

9 The possible explanation

10 Merkitys kosmologialle Alkuräjähdyksen jäännössäteilyä Johti steady state teorian hylkäämiseen

11

12 Mitä spektri kertoo? Lämpötasapaino Lähteenä kuuma ja tiheä plasma Säteily ei voi asettua lämpötasapainoon lähes tyhjässä avaruudessa Varhainen maailmankaikkeus oli kuuma ja tiheä

13 Mitä isotropia kertoo Varhainen maailmankaikkeus oli homogeeninen Epäisotropia ~10 K

14 2. Taustasäteilyn synty Varhainen maailmankaikkeus: Homogeenista plasmaa Protoneja, ytimiä (He,2 H), elektroneja, fotoneja Fotonin vapaa matka lyhyt > terminen tasapaino

15 Säteilyn irtikytkeytyminen T=3000 K, t= a Fotonin vapaa matka kasvaa laajenemisen myötä Maailmankaikkeus muuttuu läpinäkyväksi Neutraalit atomit muodostuvat Viimeinen sironta

16 Irtikytkeytymisen jälkeen fotonit ovat kulkeneet vapaasti Nämä fotonit havaitaan nyt kosmisena taustasäteilynä Syntyhetkellä T=3000 K (infrapuna) Fotonit ovat punasiirtyneet laajenemisen vaikutuksesta 3000 K > 3 K Terminen spektri säilyy Myös neutriinotausta!

17 Kosmologinen punasiirtymä Aallon häntä jää etupäästä jälkeen maailmankaikkeuden laajetessa > aallonpituus pitenee

18 Kosmologinen aikadilataatio Kaukaiset tapahtumat nähdään hidastuneina Sama ilmiö kuin kosmologisessa punasiirtymässä Myöhemmin liikkeelle lähtenyt valo jää jälkeen Ilmiö havaittu supernovissa kirkkaus lähellä oleva supernova kaukainen supernova aika

19 Taustasäteilyn punasiirtymä 2 Avaruuden täyttää fotonikaasu Kaasu jäähtyy adiabaattisesti laajetessaan 3000 K > 3 K Terminen spektri säilyy

20 3. Taustasäteilyn epäisotropia

21 Taustasäteily on isotrooppista!

22 COBE 1 year map with dipole 3 mk

23 Dipole removed

24 Galaxy removed 10 K

25 Cosmic Background Explorer (COBE), 1989

26 Cosmic Background Explorer COBE NASA 1989 Kolme mittalaitetta: DMR (Differential Microwave Radiometer) FIRAS (Far Infrared Absolute Spectrophotometer) DIRBE (Diffuse Infrared Background Experiment)

27 COBEn merkitys kosmologialle Osoitti taustasäteilyn noudattavan mustan kappaleen spektriä, T=2.725±0.002K Vahvisti alkuräjähdysteorian Löysi taustasäteilyn epäisotropian

28 Fysiikan Nobel 2006 John C. Mather George F. Smoot

29

30 Rakenteen muodostuminen Nykyisen rakenteen (galaksit, tähdet...) siemenien on täytynyt olla olemassa jo alkuplasmassa jolloin niiden pitää näkyä taustasäteilyssä. Nykyinen rakenne on kehittynyt gravitaation vaikutuksesta alkuperäisistä tiheysvaihteluista.

31 Alkuperäiset tiheysvaihtelut Todennäköinen selitys: inflaatiovaiheen aikaiset kvanttifluktuaatiot Inflaatio selittää myös maailmankaikkeuden suuren mittakaavan homogeenisuuden

32 Mitä näemme taustasäteilyssä? Valon nopeus on äärellinen Kun katsomme kauas, katsomme samalla ajassa taaksepäin Kaukaisimmat galaksit: miljardeja vuosia Kaukaisin kohde: alkuplasma säteilyn irtikytkeytyminen aikaan = kosminen taustasäteily!

33 taustasäteily Olet tässä vanhoja galakseja nuoria galakseja

34 Valokuva varhaisesta maailmankaikkeudesta

35 3. Taustasätelyn tutkimus COBEn jälkeen Ymmärrettiin että taustasätelyn pienen skaalan rakenne sisältäisi suuren määrän tietoa maailmankaikkeuden varhaisvaiheista Ilmapallokokeita Uusia satelliitteja: WMAP, Planck

36 Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) 2001 NASA/WMAP Science Team

37

38 Kulmatehospektri l = 180 /

39 Oskillaatiot Tihentymät alkuplasmassa pyrkivät voimistumaan gravitaation vaikutuksesta Säteilypaine > oskillaatioita Adiabaattisia kompressioaaltoja = ääniaaltoja!

40 WMAP 3 year angular power spectrum + smaller scale suborbital experiments θ l l = 180 /

41 Kosmologiset parametrit Kulmatehospektrin täsmällinen muoto riippuu monista parametreistä: H_0 = Hubblen parametri _m = materiatiheys _b = baryonisen aineen tiheys _L = pimeä energia jne.

42 Planck satelliitti Euroopan Avaruusjärjestö ESA Laukaisu vuonna 2008

43 Planck (ESA) Laukaisu 2008 (Kourou, Ranskan Guyana) yhdessä Herschelin kanssa Sijoitetaan L2 pisteeseen Maapallon taakse WMAP satelliittia herkempi resoluutio 5 kaariminuuttia (WMAP 14') taustasäteilyn polarisaatio 8 taajuuskanavaa: foregroundin erotus

44 rakennettu Suomessa (VTT,Millilab) Low Frequency Instrument (LFI): 30, 44, 70 GHz High Frequency Instrument (HFI): 100, 143, 217, 353, 545, 857 GHz LFI HFI HFI Suomalaiset Planckissa: Tähtitiede: Tuorla, Metsähovi, Helsingin Yliopisto Kosmologia: Helsingin Yliopisto

45 All main Planck subsystems have been delivered to ESA Planck telescope (mirror) assembly Planck satellite being tested in Liege, Oct 2006 HFI delivered to ESA Aug 2006 LFI delivered to ESA Nov 13th, 2006

46

47 Planckin aikataulu (arvio) Elokuu 2008: Laukaisu Tammikuu 2009 Maaliskuu 2010: Datan keräys Maaliskuu 2010 Maaliskuu 2012: Datan analysointi Maaliskuu 2012: Planckin data julkaistaan

48 Odotettavissa... Kosmologisten parametrien arvot suurella tarkkuudella Rakenteen muodostumisen historia Pimeä energia, mitä se on? Elämme jännittäviä aikoja!

49 THE END

50