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 SolareCentro della Galassia

Terra = 100 nm = virusSole = 10 μm = cellulaOrbita Terra = ¼ cm = spilloSistema solare = 20 cm = piattinoStella più vicina = 250 m = giardino

Stelle visibili a occhio nudo

EagleNebula

Jewel BoxCluster

CrabNebula

L’Universo Visibile

HDF

SDSS &2dFGRS

Galassie“Vicine”

13.7 Gly 0

Via Lattea = 20 m = aulaGruppo Locale = 600 m = stadioVirgo cluster = 15 km Coma cluster = 100 km

La “nostra” Galassia

Keck/VLT+ Cluster Lens

10-4 10-2 1 102 104

Dimensione (metri)

10-6

10-4

1

10-2

102

104

106

Mas

sa (

kg)

cm kmmm

1 gm

1 mg

1 ton

1 kton

100 km

Montagna

Orizzonte

sequoia Balena

Inse

tti grano disabbia

Stella dineutroni

Stanza piena d’aria

Stanza piena di rocceStanza piena d’acqua

Grano di polvere

Nanabianca

Mezzointerstellare

auto

Pers

one

Grano di riso

Dens

ità d

ell’a

cqua

Mondo Umano

10-20 10-10 1 1010 1020 1030

Dimensione (metri)

10-30

10-20

10-10

1

1010

1020

1030

1040

1050

1060

Mas

sa (

kg)

Mattoni Naturali

1020

1030

1010

1

M

Stelle &Pianeti

Atomi

Galassie

pc MpcAUμmnm

Nuclei

Universovisibile

Il nostroMondo

10-20 10-10 1 1010 1020 1030

Dimensione (metri)

10-30

10-20

10-10

1

1010

1020

1030

1040

1050

1060

Mas

sa (

kg)

Materia nell’Universo

1020

1030

1010

1

M

La Massa deforma lo spaziotempo

•

Nubi ISM

GalassieAmmassi

pc MpcAUμmnm

••H nucU nuc

Densit

à Nuc

leare

Densit

à Atom

ica

Universo

Densit

à di c

hiusu

ra

(5 H

atom

i m-3 )

Buchi Neri

•S.S.

Earth• •Jup.

montagna

Sun•

umani•

•

••

cellula

U atomoH atomo

H.W.

Vuoti

N.S.• •W.D. •SMBH

B.H.

10-20 10-10 1 1010 1020 1030

Dimensioni (metri)

10-30

10-20

10-10

1

1010

1020

1030

1040

1050

1060

Mas

sa (

kg)

Mattoni fondamentali dell’Universo

1020

1030

1010

1

M

Resti

massa deforma lo spaziotempo Stelle

Densit

à di C

hiusu

ra

Pianeti

Atomi

GalassieAmmassi

pc MpcAUμmnm

Nuclei

Densit

à Nuc

leare

Densit

à Atom

ica

Universo

Molecole

Buchi nericollasso

H.W

1040

1020

10-20

1

10201010110-1010-20

ydminnsfs Gy AU

eV

GeV

Tempo (secondi)

Ener

gia

(Jo u

l es)

evoluzione

ms

•10 km Impatto diasteroide

•supernova

MT1 t TNT

tettonica

1060

γ X UV Vis IR

nuclei

atomimolecole

fotoni

cellule

Mondo umano

ky

••HA

Bomba •

MW

1Watt

μW

• •Auto scontro lunch

“hello”• •Orologio da polso

Energia e Tempinell’ Universo

• Temporale

QSOsammassi

•stelle M

100 10 1 0.1106 L

L

1012 L

•KE della Terra •rallentamento

•lampo

10-30 10-20 10-10 1 1010 1020

102

104

106

108

1010

1

Densità (kg m-3)

Tem

pera

tura

(K)

Chiusura Acqua Nuclei1 H cm-3

biosfera0100°C

ionizzzatoMolecolesemplici

moleclecomplesse

reazioninucleari

nucleidistrutti

HHe

HeCNO

1keV

1MeV

1eV

polvere

stelle

cores

superficie

W.D. N.S.

ICM

IGMISM

DMCs

1010 H cm-3

CMB

1m

5m~80%

~20%

< 0.01%

< 10-20 %

B.H.

Sole

1 atm 10 10

104 yr

10Myr

Posizione & stato della materia barionica

pianeti

Atomi.

• WMAP + SDSS + 2dF + HST Key Project + DASI + ACBAR + CBI + t0 + SNe …

• Piccole sbare di errore, consistenza– σ(n): 0.1 - 0.02; σ(Ω0): 0.03 - 0.01; σ(w): 0.2 - 0.1

• La costante di Hubble è costante da 5 anni ! H0 = 72 ± 7 km/s/Mpc

(CDM + Energia oscura + Inflazione)

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

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

Seri test dell’ Inflazione Seri test dell’ Inflazione Predizioni essenziali

1. Universo piatto2. Quasi invariante in scala, Perturbazioni Gaussiane: |(n-1)| ~ 0.1 e |dn/dlnk| ~ 0.0014. Onde Gravitazionali: spettro, ma nessuna predizione

Resultati essenziali– Ω0 = 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 OscuraAccelerazione 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 )• σ8: inconsistenza• Variazione cosmica di α• Eccesso di potenza a l ~ 2000• “LSND 4th 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 (ΛΛCDM, 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

Dec

eler

azio

ne

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 & InputsAssunzioni & 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 = r2drdΩ / [1 - kr2]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 scottantiLista 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• H0 Costante di Hubble: espansione v=H0 r

• Ωb Contenuto Barionico

• ΩDM Contenuto di materia scura

• ΩΛo ΩDE

Contenuto di energia scura

• w(z) Prortietà dell’energia scura

Parametri derivati:• Ωm=Ωb+ΩDM Contenuto totale di materia

• ΩK=1-Ωm-ΩΛ Curvatura dell’Universo

Modello convenzionale

70% Energia scura

25% Materia scura fredda

5% Materia Barionica

Dinamica dell’Universo

• Materia domina (w=0): a / t2/3

– Decelera• Radiazione domina (w=1/3): a / t1/2

– Decelera• Costante Cosmologica (w=-1): a / eλ t (speciale)

– Accelera Dove avviene la transizione?

– w>-1/3 decelera– w<-1/3 accelera

a / t2/(3(w+1))

map

.gsf

c.na

sa.g

ov/ m

_uni

/101

bb2_

1.ht

ml

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 10110

– Coincidenza di Ωm ~ ΩΛ – 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

Perlm

utte

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/a2 (å2 + k) = 8 π G ρ(t)– 1/a2 (2a ä + å2 + k) = -8 π G p(t)

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

mx’’ = GMm/a2

M=ρ 4/3 π x3

mx’’ = 4 π Gρ x /3

X = ar, X = distanza, r = comovente

ä = 4 π Gρ / (3 a2)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