Transcript kos6

6. De Kosmologische Constante
•
•
•
•
•
Waarnemingen
Interpretatie
Inflatie
“Oplossing” van drie grote problemen
Topologische weeffouten:
magnetische monopolen en
kosmische veren
Waarnemingen
“Waargenomen”:
   1   M  

c
2
3H
2
1

c
k c
H R
k c

H R
c 
2
  0c 
2
2

Vacuumenergie:
2
2
2
3H
1
3
c 
2
R
R
2

8 G 
3

2U
8 G
2
mR x
2

 0c

8 G
2
G eV /m
2
2

2
2
0, 7 2  c 0 c  5

2
1  c 
1 
GMm
2
U  
 mr  m r 
2 3 
2
r
 2
  0  0, 72
kc
R
2
2
 0  10
 0c
52
m
2
2
 3 .1 0
36
s
2
3
 T  1 0 ja a r!? ?
11
3
De kosmologische constante,
onopgeloste vragen:
• Wat stelt zij fysisch voor?
• Waarom heeft zij deze waarde?
• Waarom is zij eerst nu merkbaar?
Inflatie
Thans vier fundamentele krachten:
1. zwaartekracht
2. elektrische/magnetische kracht
3. zwakke kernkracht
4. sterke kernkracht
Unificatie van krachten:
• electrozwakke unificatie (2 en 3) bij kT 300 G eV
13
• `grand unification’ (2/3 en 4) bij
kT 10 G eV ??
t ew (T  3  1 0 K )  10
-1 1
t G U T (T  1 0 K )
-3 4
15
27
 10
s
s
Zodra het heelal is afgekoeld tot een `unificatiepunt’
treedt een onderscheid op tussen de betreffende krachten
(verschillende koppelingsconstanten, evt. rustmassa’s van de
verschillende krachtoverbrengende deeltjes of `bosonen’).
Dit proces is dus een verbreking van symmetrie.
Het is te vergelijken met een faseovergang:
bepaalde fysische grootheden (`velden’) nemen
waarden aan die gecorrelleerd zijn over een stukje
van de ruimte, vergelijkbaar met kristalvorming in
een onderkoelde vloeistof of spontane magnetisatie.
Bij deze faseovergang komt energie vrij.
In het heelal is dit de energie van het veld dat de
grondtoestand beschrijft, het `valse vacuüm’.
Analogie:
Magnetische domeinen in een ferrometaal
 va lsvac c  co nsta nt! : 1 0 J m
GUT
 eff
GUT

2
94
8  G  valsvac
c
2
 2  10
46
-3
m (  10
-2
Zodra ten gevolge van expansie:
 M   va lsva c
GUT
bepaalt het valse vacuüm de expansie:
102
 0 !)
 2

1
c 
2
R
2

8 G

3
R
3
Voor voldoende 2grote R:
2
2U
2
mR x
2

kc
R
2

1
3
 valsvac c 
GUT
2
R
R
2
R(t)  e
GUT
c (  valsvac / 3 )
exponentiële uitdijing of “inflatie”
Dit gebeurt bij
T
10
27
K en t : 10
-34
s.
Voor een inflatieperiode van 10-32 s expandeert
het heelal met een factor:
100
43
e
3  10
1/2
t
Oplossing van het
horizon- of causaliteitsprobleem
Waarom is de toestand van B praktisch
dezelfde als van C? Zij zijn immers causaal
niet met elkaar verbonden.
Zichtbare heelal voor A:
dH ~ ct0 ~ 1026 m
en op tf~10-32 s
df~dH(tf/t0)1/2<100
Een causaal verbonden gebied ten tijde van
t~10-34 s heeft afmeting ri~ ct ~ 3.10-22 m maar
na inflatie: rf ~ e100 ri ~ 9.1017 m, d.w.z. >> df.
Oplossing van het
vlakheidsprobleem
Na de periode van inflatie is R toegenomen met een
factor > 1043, en reduceert de Friedmannvergelijking

c
2
3H
2
1

c

k c
2
2
H R
2
met grote nauwkeurigheid tot:
   1  0
Er ontstaat dus een kritisch heelal!!
Bij de faseovergang aan het einde van het
inflatietijdperk komt een “warmte” vrij
ter grootte van de energie van het valse vacuüm
in de vorm van een relativistisch gas
van elementaire deeltjes (quarks, fotonen etc.)
met een temperatuur ~ 1013 GeV.
Hieruit ontwikkelt zich het heelal zoals wij dat kennen.
Oplossing van het
Gladheidsprobleem
T =  0,00001 K
In inflationair heelal is met grote nauwkeurigheid
 1
en kunnen sterrenstelsels zich juist op tijd vormen
door gravitationele samentrekking
uit de fluctuaties op z=1000.
:
Topologische
weeffouten
V ( ) 
Na de inflatie
Valse vacuüm
Echte vacuüm
1D
2D
Muren
“Veren”
Cosmic
Weefsels
Textures
Monopool
Veer
Muur
Reconnectie van strings/veren
en vorming van lussen.
Reconnectie
van strings
in vloeibare
kristallen
Een kosmologische string heeft binnenin
op zijn as een stukje vacuümenergie dat niet kan
vervallen omdat het topologisch is ingevroren.
De energiedichtheid die hierbij hoort is enorm:
36
-1
10
Jm
Door hun zwaartekrachtswerking kunnen ze
fungeren als kiemdraden voor de vorming van
sterrenstelsels.
Hun aanwezigheid kan zich verraden in
gravitatielenzen.
Extra dimensies?
10 of 11
dimensies?