La determinazione della scala delle distanze. La nucleosintesi cosmologica. I primi

Introduzione alla Cosmologia Fisica

Lezione 16

Giorgio G.C. Palumbo

Università degli Studi di Bologna Dipartimento di Astronomia

La determinazione della scala delle distanze. La nucleosintesi cosmologica. I primi

tre minuti.

La Galassia

Sistema Solare Centro della Galassia

Terra = 100 nm = virus Sole = 10 μm = cellula Orbita Terra = ¼ cm = spillo Sistema solare = 20 cm = piattino Stella più vicina = 250 m = giardino

Stelle visibili a occhio nudo

Eagle Nebula

Jewel Box Cluster

Nebula Crab

L’Universo Visibile

HDF

SDSS &

2dFGRS

Galassie

“Vicine”

13.7 Gly 0

Via Lattea = 20 m = aula Gruppo Locale = 600 m = stadio Virgo cluster = 15 km

Coma cluster = 100 km

La “nostra” Galassia Keck/VLT

+ Cluster Lens

10 ^-4 10 ^-2 1 10 ² 10 ⁴ Dimensione (metri)

10 ^-6 10 ^-4

1

10 ^-2 10 ² 10 ⁴ 10 ⁶

M as sa (k g)

cm km

mm

1 gm

1 mg 1 ton 1 kton

100 km

Montagna

Orizzonte sequoia

Balena

Ins grano di etti

sabbia Stella di neutroni

Stanza piena d’aria Stanza piena di rocce

Stanza piena d’acqua

Grano di polvere

bianca Nana

Mezzo interstellare auto

Per sone Grano di riso

Dens ità del

l’ac qua

Mondo Umano

10 ^-20 10 ^-10 1 10 ¹⁰ 10 ²⁰ 10 ³⁰ Dimensione (metri)

10 ^-30 10 ^-20 10 ^-10

1 10 ¹⁰ 10 ²⁰ 10 ³⁰ 10 ⁴⁰ 10 ⁵⁰ 10 ⁶⁰

M as sa (k g)

Mattoni Naturali

10 ²⁰ 10 ³⁰

10 ¹⁰ 1

M _☺

Stelle &

Pianeti

Atomi

Galassie

pc Mpc

AU μm

nm

Nuclei

Universo visibile

Il nostro

Mondo

10 ^-20 10 ^-10 1 10 ¹⁰ 10 ²⁰ 10 ³⁰ Dimensione (metri)

10 ^-30 10 ^-20 10 ^-10

1 10 ¹⁰ 10 ²⁰ 10 ³⁰ 10 ⁴⁰ 10 ⁵⁰ 10 ⁶⁰

M as sa (k g)

Materia nell’Universo

10 ²⁰ 10 ³⁰

10 ¹⁰ 1

M _☺

La M assa deform a lo spaziot empo

•

Nubi ISM Galassie

Ammassi

pc Mpc

AU μm

nm

••

H nuc U nuc

D en sità

N ucl eare Dens

ità A tomic a

Universo

Dens ità di

chius ura

(5 H atomi m ^-3 )

Buchi Neri

S.S. •

Earth

• • Jup.

montagna Sun •

umani

•

•

••

cellula

U atomo H atomo

H.W.

Vuoti

N.S. • • ^W.D.

SMBH •

B.H.

10 ^-20 10 ^-10 1 10 ¹⁰ 10 ²⁰ 10 ³⁰ Dimensioni (metri)

10 ^-30 10 ^-20 10 ^-10

1 10 ¹⁰ 10 ²⁰ 10 ³⁰ 10 ⁴⁰ 10 ⁵⁰ 10 ⁶⁰

M as sa (k g)

Mattoni fondamentali dell’Universo

10 ²⁰ 10 ³⁰

10 ¹⁰ 1

M _☺

☼

Resti

mass a de form a lo spaziot empo

Stelle

D ens ità di Chi usura Pianeti

Atomi

Galassie Ammassi

pc Mpc

AU μm

nm

Nuclei

Densi

tà N ucle are

Densità

Atomica

Universo

Molecole

Buchi neri

collasso

H.W

10 ⁴⁰

10 ²⁰

10 ^-20 1

10 ²⁰ 10 ¹⁰

1 10 ^-10

10 ^-20

d y min ns

fs Gy A

eV GeV

Tempo (secondi) En erg ia (J ou les)

evoluzione ms

10 km •

Impatto di asteroide

supernova •

MT 1 t TNT tettonica

10 ⁶⁰

γ X UV

V is IR

nuclei

atomi

molecole fotoni

cellule Mondo umano

ky

H ••

A Bomba •

MW 1W att

μW

• •

Auto scontro lunch

“hello” • • Orologio da polso

Energia e Tempi nell’ Universo

• ^Temporale

QSOs ammassi

stelle M •

100 10 1 0.1 10

L

L

10

L

•

KE della

Terra rallentamento •

•

lampo

10 ^-30 10 ^-20 10 ^-10 1 10 ¹⁰ 10 ²⁰ 10 ²

10 ⁴ 10 ⁶ 10 ⁸ 10 ¹⁰

1

Densità (kg m ^-3 )

Tempera tu ra (K)

Chiusura 1 H cm

Acqua Nuclei

biosfera

100 0

°C

ionizzzato Molecole semplici molecle complesse

reazioni nucleari nuclei distrutti

HHe HeCNO

1keV 1MeV

1eV

polvere

st elle

cores

superficie

W.D. N.S.

ICM

IGM

ISM

DMCs

10

H cm

CMB

1

5

~80%

~20%

< 0.01%

< 10 ^-20 %

B.H.

So le

1 at

m 10

10

10

yr

10M yr

Posizione & stato della materia barionica

pianeti

Atomi.

• WMAP + SDSS + 2dF + HST Key Project + DASI + ACBAR + CBI + t ₀ + SNe …

• Piccole sbare di errore, consistenza

– σ(n): 0.1 - 0.02; σ(Ω ₀ ): 0.03 - 0.01; σ(w): 0.2 - 0.1

• La costante di Hubble è costante da 5 anni ! H ₀ = 72 ± 7 km/s/Mpc

(CDM + Energia oscura + Inflazione)

Cosmologia di Precisione più difficile del Cosmologia di Precisione più difficile del

previsto previsto

• l = 2 – 5. Profondità ottica: τ = 0.17 to 0.09

Seri test dell’ Inflazione 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

– Ω ₀ = 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 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 )

• σ ₈ : inconsistenza

• Variazione cosmica di α

• Eccesso di potenza a l ~ 2000

• “LSND 4 ^th neutrino”

• DAMA, eccesso di e ⁺ , …

Gran parte di ciò che conosciamo Gran parte di ciò che conosciamo

dell’accelerazione cosmica si basa su dell’accelerazione cosmica si basa su

assunzioni dei modelli (

assunzioni dei modelli ( Λ Λ CDM, wCDM) CDM, 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?)

Le 6 Componenti Principali meglio determinate

D ece le ra zion e

Redshift

Conclusioni “solide”

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 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)

ΛCDM

I 2 Modelli Meglio Determinati

Senza le equazioni di Friedmann si perde la Senza le equazioni di Friedmann si perde la

migliore evidenza per la piattezza migliore evidenza per la piattezza

(i.e., Anisotropia CMB) (i.e., Anisotropia CMB)

• Si potrebbe determinare la curvatura spaziale in modo indipendente:

dV = r ² drdΩ / [1 - kr ² ] ^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 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

• H ₀ Costante di Hubble: espansione v=H ₀ r

• Ω _b Contenuto Barionico

• Ω _DM Contenuto di materia scura

• Ω _Λ o Ω _DE Contenuto di energia scura

• w(z) Prortietà dell’energia scura

Parametri derivati:

• Ω _m = Ω _b + Ω _DM Contenuto totale di materia

• Ω _K =1- Ω _m - Ω _Λ Curvatura dell’Universo

Modello convenzionale

70% Energia scura

25% Materia scura fredda

5% Materia

Barionica

Dinamica dell’Universo

• Materia domina (w=0): a / t ^2/3

– Decelera

• Radiazione domina (w=1/3): a / t ^1/2

– Decelera

• Costante Cosmologica (w=-1): a / e ^{λ t} (speciale)

– Accelera

Dove avviene la transizione?

– w>-1/3 decelera – w<-1/3 accelera

a / t ^2/(3(w+1))

ma p .gsfc.nasa .gov / m _un i/ 101 b b2_ 1.h tm l

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 10 ¹¹⁰

– Coincidenza di Ω _m ~ Ω _Λ – 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

P er lmu tte r et a l.

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/a ² (å ² + k) = 8 π G ρ (t)

– 1/a ² (2a ä + å ² + k) = -8 π G p(t)

• Considera un osservatore sul bordo di una sfera di raggio X isotropa in espansione

mx’’ = GMm/a ² M= ρ 4/3 π x ³

m x’’ = 4 π G ρ x /3

X = ar, X = distanza, r = comovente

ä = 4 π G ρ / (3 a ² )

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