Inflaatio ja ei-gaussiset perturbaatiot



Samankaltaiset tiedostot
Valtteri Lindholm (Helsingin Yliopisto) Horisonttiongelma / 9

Kosmologinen inflaatio

Maailmankaikkeuden syntynäkemys (nykykäsitys 2016)

PIMEÄ ENERGIA mysteeri vai kangastus? Kari Enqvist Helsingin yliopisto ja Fysiikan tutkimuslaitos

Galaksit ja kosmologia 53926, 5 op, syksy 2015 D114 Physicum

Kosmologian yleiskatsaus. Syksy Räsänen Helsingin yliopisto, fysiikan laitos ja Fysiikan tutkimuslaitos

Numeeriset menetelmät

Planck ja kosminen mikroaaltotausta

Maailmankaikkeuden kriittinen tiheys

Analyyttinen mekaniikka I periodi 2012

Friedmannin yhtälöt. Einsteinin yhtälöt isotrooppisessa, homogeenisessa FRW-universumissa 8 G 3. yleisin mahdollinen metriikka. Friedmannin yhtälö

Kosmologia. Kosmologia on yleisen suhteellisuusteorian sovellus suurimpaan mahdolliseen systeemiin: tutkitaan koko avaruuden aikakehitystä.

KEMA KEMIALLINEN TASAPAINO ATKINS LUKU 7

Moderni fysiikka kevät 2011

Kosmologia. Kosmologia tutkii maailmankaikkeutta kokonaisuutena:

Aine ja maailmankaikkeus. Kari Enqvist Helsingin yliopisto ja Fysiikan tutkimuslaitos

Fysiikkaa runoilijoille Osa 6: kosmologia

Teoreettinen hiukkasfysiikka ja kosmologia Oulun yliopistossa. Kari Rummukainen

Mustan kappaleen säteily

MAA10 HARJOITUSTEHTÄVIÄ

Kosmologia on yleisen suhteellisuusteorian sovellus suurimpaan mahdolliseen systeemiin: tutkitaan koko avaruuden aikakehitystä.

Lisää segmenttipuusta

Pimeän energian metsästys satelliittihavainnoin

Inflaatio ja rakenteiden synty

Pro gradu -tutkielma Teoreettinen fysiikka. Tommi Tenkanen Ohjaaja: Prof. Kari Enqvist Tarkastajat: Prof. Kari Enqvist, FT Sami Nurmi

Dynaamisen järjestelmän siirtofunktio

MS-A Matriisilaskenta Laskuharjoitus 3

FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Johdanto

Epäyhtälön molemmille puolille voidaan lisätä sama luku: kaikilla reaaliluvuilla a, b ja c on voimassa a < b a + c < b + c ja a b a + c b + c.

14. Pyörteettömät ja lähteettömät vektorikentät; potentiaali

Maailmankaikkeuden rakenteen synty

Hiukkasfysiikkaa teoreetikon näkökulmasta

Laakerin kestoikälaskenta ISO-281, ISO-281Add1 ja ISO16281 mukaan

Oletetaan, että funktio f on määritelty jollakin välillä ]x 0 δ, x 0 + δ[. Sen derivaatta pisteessä x 0 on

KVANTTIKOSMOLOGIAA VIRKAANASTUJAISESITELMÄ, PROFESSORI KIMMO KAINULAINEN. Arvoisa Dekaani, hyvä yleisö,

Esimerkki 8. Ratkaise lineaarinen yhtälöryhmä. 3x + 5y = 22 3x + 4y = 4 4x 8y = r 1 + r r 3 4r 1. LM1, Kesä /68

Instrumenttikohina taustasäteilyanalyysissä

Fysiikan perusteet. Työ, energia ja energian säilyminen. Antti Haarto

Vuorovaikutuksien mittamallit

Planck satelliitti. Mika Juvela, Helsingin yliopiston Observatorio

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2012 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Sisällysluettelo. Alkusanat 11. A lbert E insteinin kirjoituksia

TILASTOLLINEN LAADUNVALVONTA

Lyhyt katsaus gravitaatioaaltoihin

ARVIOINTIPERIAATTEET

Nimi: Ratkaise tehtävät sivun alalaitaan. (paperi nro 1) 1. Valitse oikea toisen asteen yhtälön ratkaisukaava: (a) b ± b 4ac 2a. (b) b ± b 2 4ac 2a

Tampere Higgsin bosoni. Hiukkasen kiinnostavaa? Kimmo Tuominen! Helsingin Yliopisto

Teoreettisen fysiikan tulevaisuuden näkymiä

KELAN INDUKTANSSI VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Miika Manninen, n85754 Tero Känsäkangas, m84051

( ) ( ) ( ) ( ( ) Pyramidi 4 Analyyttinen geometria tehtävien ratkaisut sivu 271 Päivitetty a) = keskipistemuoto.

Sähköstaattisen potentiaalin laskeminen

Lukion. Calculus. Polynomifunktiot. Paavo Jäppinen Alpo Kupiainen Matti Räsänen Otava PIKATESTIN JA KERTAUSKOKEIDEN TEHTÄVÄT RATKAISUINEEN

Derivaatta. Joukko A C on avoin, jos jokaista z 0 A kohti on olemassa ǫ > 0: jos z z 0 < ǫ, niin z A. f : A C on yksiarvoinen.

Numeeriset menetelmät

Planck-satelliitti ja kaiken alku

PARADIGMOJEN VERTAILUPERUSTEET. Avril Styrman Luonnonfilosofian seura

(x 0 ) = lim. Derivoimissääntöjä. Oletetaan, että funktiot f ja g ovat derivoituvia ja c R on vakio. 1. Dc = 0 (vakiofunktion derivaatta) 2.

4 Kertausosa. Kertausosa. 1. a) (1, 2) ja ( 3, 7) 41 6, ,4. b) ( 5, 8) ja ( 1, 10) 10 ( 8) 1 ( 5) , ,4

Paavo Kyyrönen & Janne Raassina

Stanislav Rusak CASIMIRIN ILMIÖ

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I

Radioastronomian käsitteitä

Pimeä energia. Hannu Kurki- Suonio Kosmologian kesäkoulu 2015 Solvalla

Taloustieteen perusteet 31A Mallivastaukset 3, viikko 4

Koronan massapurkauksen synnyttämät aallot

Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa teoreetikon näkökulmasta

FYSA2031 Potentiaalikuoppa

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Ratkaisuehdotukset Kesäyliopisto Kuvassa on esitetty erään ravintolan lounasbuffetin kysyntäfunktio.

Lataa Päättymättömät päivät kuolleena - Marcus Chown. Lataa

Luotettavuuden mittaamisesta. Ilkka Norros ja Urho Pulkkinen

SAIPPUALIUOKSEN SÄHKÖKEMIA JOHDANTO

2.2 Täydellinen yhtälö. Ratkaisukaava

Matematiikan tukikurssi

SMG-4200 Sähkömagneettisten järjestelmien lämmönsiirto Ehdotukset harjoituksen 4 ratkaisuiksi

Sään ennustamisesta ja ennusteiden epävarmuuksista. Ennuste kesälle Anssi Vähämäki Ryhmäpäällikkö Sääpalvelut Ilmatieteen laitos

Kosmologia: Miten maailmankaikkeudesta tuli tällainen? Tapio Hansson

Hierarkkiset koeasetelmat. Heliövaara 1

TÄHTITIETEEN PERUSTEET (8OP)

14.1. Lämpötilan mittaaminen

Huomaa, että 0 kitkakerroin 1. Aika harvoin kitka on tasan 0. Koska kitkakerroin 1, niin

VUOSI-ILMOITUS OSUUSKUNNAN YLIJÄÄMISTÄ ERITTELYTIEDOT (VSOKERIE)

Fysiikan maailmankuva 2015

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I

SUPER- SYMMETRIA. Robert Wilsonin Broken Symmetry (rikkoutunut symmetria) Fermilabissa USA:ssa

Fysiikan Nobel 2008: Uusia tosiasioita aineen perimmäisistä rakenneosasista

2.7 Neliöjuuriyhtälö ja -epäyhtälö

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Ilkka Mellin Aikasarja-analyysi ARMA-mallit

Teoreetikon kuva. maailmankaikkeudesta

Sovellutuksia Pinta-alan ja tilavuuden laskeminen Keskiö ja hitausmomentti

Analysoidaan lämpöjännitysten, jännityskeskittymien, plastisten muodonmuutosten ja jäännösjännityksien vaikutus

Hypoteesin testaus Alkeet

Optimointi. Etsitään parasta mahdollista ratkaisua annetuissa olosuhteissa. Ongelman mallintaminen. Mallin ratkaiseminen. Ratkaisun analysointi

STOKASTISET PROSESSIT

Yleinen malliprediktiivinen säädin. Funktiolohko Siemens PLC. SoftControl Oy

Suhteellisuusteorian perusteet, harjoitus 6

2 Yhtälöitä ja epäyhtälöitä

Sähköisen asioinnin valtakirjan luominen päämiehen ulkomaiselle edustajalle

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

Transkriptio:

Inflaatio ja ei-gaussiset perturbaatiot Elina Riskilä Teoreettisen fysiikan laudatur-seminaari 2.12.2008 1 / 20

1 2 3 4 2 / 20

Inflaatio Ajanjakso hyvin varhaisessa maailmankaikkeudessa, jolloin maailmankaikkeuden laajeneminen oli kiihtyvää: ä > 0 Kiihtyvä laajeneminen on mahdollista, kun maailmankaikkeuden energiatiheyttä dominoi tyhjiöenergia. Tällöin paine on negatiivinen! (p < ρ) Kehitettiin alunperin ratkaisemaan Big Bang- teorian ongelmia Inflaatio selittää pienet tiheysvaihtelut jotka ovat lähteenä suurten skaalojen rakenteille, sekä CMB:n lämpötilavaihtelut! 3 / 20

Skalaarikentät inflaatiossa Tarvitaan siis maailmankaikkeuden energiatiheyttä dominoivaan aine, jolla on negatiivinen paine Tällainen on skalaarikenttä (kuvaa spin-0-hiukkasia) Mallista riippuen kenttiä voi olla yksi tai useita, inflaation aiheuttavaa kenttää φ kutsutaan inflatoniksi Kenttä potentiaalissa V, kentän dynamiikka Lagrangen formalismilla: aktiosta S = d 4 x gl saadaan variaatioperiaatteella FRW-universumissa skalaarikentälle liikeyhtälö φ + 3H φ 1 a 2 2 φ + V (φ) = 0 (1) 4 / 20

Skalaarikentät inflaatiossa Inflaatio saadaan, kun potentiaali dominoi kentän kineettistä energiaa: V (φ) >> φ 2 (Slow roll-approksimaatio) Voidaan kuvata Slow roll- parametreilla ɛ = 1 ( ) V 2 M P 2 2 V (2) ( ) 2 V η = M P V (3) ɛ, η << 1 inflaatio Reheating: inflatoni hajoaa, normaali Big Bang alkaa Inflaatiomalliin tarvitaan sopiva potentiaali ja keino inflaation päättymiseen! 5 / 20

Skalaarikentän perturbaatiot Kvanttimekaniikka: vakuumissa fluktuaatioita Inflaation aikana pienet kvanttihäiriöt venyvät maailmankaikkeuden valtavan laajenemisen mukana kosmologisiin mittoihin Fluktuaatio ylittää horisontin klassinen perturbaatio ( vakio) Häiriöt metriikkaan Einsteinin yhtälön kautta Inflaation jälkeen aine alkaa gravitaation vahvistamana kehittyä häiriöiden mukaan suurten skaalojen rakenteet 6 / 20

Kosmologian perturbaatioteoria Tavoitteena johtaa yhtälöt häiriöille, jotta saadaan laskettua niiden kehitys ja ennuste kosmiseen mikroaaltotaustaan Kosmologiassa oletetaan homogeeninen tausta, jossa pieniä häiriöitä: Yksinkertaisin oletus: häiriöt gaussisia Eri tyyppiset häiriöt: skalaari, vektori, tensori Yleensä tutkitaan vain skalaariperturbaatioita! φ = φ 0 + δφ (4) 7 / 20

Motivointia Inflaatio ei varsinainen teoria vaan suuri joukko erilaisia malleja yksi tai useampi kenttä potentiaalin muoto Kytkentä hiukkasfysiikkaan puuttuu: potentiaalin muoto ja reheating WMAP: Havainnot kosmisen mikroaaltotaustan tehospektristä vastaa gaussisia perturbaatioita Tutkittu vain 2-pistekorrelaattoreita ja tehospektriä, korkeamman asteen korrelaattoreista lisää tietoa? 8 / 20

Ei-gaussisuus CMB:n data yhtäpitävää gaussisten perturbaatioiden kanssa ei vielä tarkoita etteikö poikkeavuutta gaussisuudesta voisi löytyä! Eri inflaatiomallit tuottavat eri määrän (ja erilaista) ei-gaussisuutta Esimerkiksi skalaarikentän vuorovaikutus voi aiheuttaa epälineaarisia häiriöitä uutta tietoa inflaatiosta rajauksia inflaatiomalleihin! Tarvitaan siis korkeamman asteen häiriöteoriaa sekä uutta havaintodataa! 9 / 20

2. kertaluvun häiriöt Taas yksinkertaisin malli: Skalaarikentällä 2. kertaluvun häiriö: jaetaan kenttä homogeeniseem ja perturbaatioon kehitetään häiriö 2. kertalukuun asti: φ = φ 0 + δφ (5) φ = φ 0 + δ (1) φ + 1 2 δ(2) φ (6) Nyt halutaan tutkia 2. kertaluvun häiriöiden kehitystä, eli tarvitaan yhtälö 2. kl metriikan häiriölle Useamman skalaarikentän tapauksessa menee todella monimutkaiseksi... 10 / 20

Esimerkki: arvio ei-gaussisuuden määrälle 1-kenttäinflaatiossa Yhden kentän tapauksessa tiheysperturbaatiot johtuvat inflatonikentästä itsestään 2. kertaluvun häiriöitä saadaan, kun kenttä vuorovaikuttaa itsensä kanssa, taustan metriikassa 2. kertaluvun häiriöitä 2. kertaluvun kaarevuusperturbaatio R (2) H δ (2) φ/ φ 0 2. kertaluvun perturboitu Klein-Gordonin yhtälö δ (2) φ + 3H δ (2) φ + 2 V φ φ(2) φ 0 φ (2) 3 φ 0 ψ (2) 8 φ 0 ψ (1) 8 φ (1) ψ (1) δ (1) φ 2 a 2 ψ(1) i i δ (1) = 4 2 V φ 2 ψ(1) δ (1) 2 V φ 2 ψ(2) 3 V φ 3 (δ(1) φ) 2 11 / 20

Esimerkki: arvio ei-gaussisuuden määrälle 1-kenttäinflaatiossa Yksinkertaistetaan Klein-Gordonia ja käytetään Slow roll-approksimaatiota, jolloin saadaan arvio δ (2) φ:lle, kaarevuusperturbaatiosta tulee nyt R (2) 2 V ψ (1) H δ (1) φ φ 2 H ηɛ(r H φ (1) ) 2 (7) 0 missä on käytetty ehtoa ψ (1) = ɛr (1). Saadaan lopulta arvio kaarevuusperturbaation 2. kertaluvun häiriölle: R (2) O(ɛ, η)r (1) (8) 1-kenttäinflaatiossa syntyvä ei-gaussisuus on siis pientä (O(ɛ, η)) 12 / 20

Kosmologian perturbaatiokenttien statistiikkaa Statistiikka saadaan n-pistekorrelaattoreista: < δ k1...δ kn >= (2π) 3 δ (3) (k 1 +... + k N )P N (k 1...k N ) (9) missä P N on N 1 -spektri. Yksinkertaisin: N = 2 eli tehospektri ja 2-pistekorrelaattori ja vastaava tehospektri P(k) < δ k1 δ k2 >= (2π) 3 δ (3) (k 1 + k 2 )P(k 1 k 2 ) (10) Gaussisen kentän kaikki statistiikka saadaan 2-pistekorrelaattorista ja tehospektristä! 13 / 20

Ei-gaussiselle kentälle tarvitaan korkeamman asteen korrelaattoreita Ei-gaussisilla perturbaatioilla ääretön määrä vapausasteita Taas otetaan yksinkertaisimmat vaihtoehdot: N = 3: bispectrum ja 3-pistekorrelaattori N = 4: trispectrum ja 4-pistekorrelaattori 3-pistekorrelaattori < δ k1 δ k2 δ k3 >= (2π) 3 δ (3) (k 1 + k 2 + k 3 )B N (k 1, k 2, k 3 ) (11) ja sitä vastaava spektri B on yksinkertaisin statistiikka, joka kuvaa ei-gaussisuutta 14 / 20

Epälineaarisuusparametri f NL kuvaa ei-gaussisuuden määrää määritellään Φ = Φ L + f NL (Φ L ) 2 (12) missä Φ on Bardeenin potentiaali, jonka yhteys CMB:n tiheysperturbaatioihin on 1 3 Φ = T T teoria: jos malli ennustaa f NL >> 1 voimakasta ei-gaussisuutta f NL 1 f NL << 1 ei-gaussisuutta ei havaittavissa Näin voidaan rajata eri inflaatiomalleja! (13) 15 / 20

Epälineaarisuusparametri f NL Alunperin täysin fenomenologinen kuvaus ei-gaussisuuden määrästä Uudemmissa teoreettisissa tarkasteluissa kuitenkin löytynyt ei-triviaalia skaalariippuvuutta Suurin osa havaintodatasta kuitenkin vakiolle f NL Havainnoista saatuja rajoja f NL :n arvolle: COBE: f NL < 1500 WMAP: 58 < f NL < 134 rajat eivät vielä kovinkaan tarkkoja! Planck: erotuskyvyn pitäisi riittää f NL = 3 5 16 / 20

CMB ja bispectrum Kosmisen mikroaaltotaustan lämpötilafluktuaatiokenttä a lm = d 2 n δt T Y lm (14) CMB angular bispectrum B m 1m 2 m 3 l 1 l 2 l 3 < a l1 m 1 a l2 m 2 a l3 m 3 > (15) Voidaan kirjoittaa muotoon B m 1m 2 m 3 l 1 l 2 l 3 = G m 1m 2 m 3 l 1 l 2 l 3 b l1 l 2 l 3, missä on Gauntin integraali G m 1m 2 m 3 l 1 l 2 l 3 b prim l 1 l 2 l 3 voidaan määrittää f NL :n avulla! 17 / 20

Inflaatio selittää alkuperäiset pienet tiheysvaihtelut, jotka ovat lähteenä suurten skaalojen rakenteille Tiheysvaihtelut syntyvät skalaarikentän (tai -kenttien) kvanttifluktuaatiosta Perturbaatiota käsitellään yleensä gaussisina, mutta eroavuudet gaussisuudesta voisivat auttaa rajaamaan inflaatiomallia Ei-gaussisten perturbaatioiden käsittelyyn tarvitaan korkeamman asteen korrelaattoreita, lisäksi epälineaarinen häiriöteoria on monimutkaista Ei-gaussisuuden määrää kuvaa epälineaarisuusparametri f NL, jonka arvoa voidaan rajata observaatioista 18 / 20

Ei-gaussisuuden tutkimus on siis uusi haaste sekä teoreettiselle että kokeelliselle kosmologialle Teoria: tarvitaan tarkempia malleja ja ennusteita epälineaarisuuden määrälle sekä simulaatioita ei-gaussisuudesta mikroaaltotaivaalla CMB: tarkemmat analyysit WMAPin datasta, Planck! 19 / 20

Lähteet Bartolo, Komatsu, Matarrese, Riotto: Non-Gaussianity from inflation: Theory and observations. [astro-ph/0406398] 20 / 20