Projekt Brána do vesmíru Hvězdárna Valašské Meziříčí, p. o. Krajská hvezdáreň v Žiline
Reliktní gravitační vlny? Petr Kulhánek České vysoké učení technické v Praze Hvězdárna a planetárium hl. m. Prahy Aldebaran Group for Astrophysics
[email protected] www.aldebaran.cz
‒ gravitační vlny ‒ inflační model ‒ reliktní záření ‒ polarizace
Pokřivený svět 1916: vznik OTR
•
zakřivení prostoru
•
zakřivení času
•
zakřivení časoprostoru
Gravitační vlny •
nenulový kvadrupólový moment
•
dva mody skloněné o 45°
•
vlní se sám prostoročas
g h 2 1 2 2 c t
h 0
Zdroje gravitačních vln •
podvojné zdroje (BH-BH; BH-NS, NS-NS), f ~ 1 kHz
•
zábleskové zdroje (gravitační kolaps, supernovy, ...)
•
seismické projevy hvězd (magnetary, NS)
•
periodické signály (rotace osově nesymetrických objektů - NS)
•
stochastické signály (z prvních okamžiků existence vesmíru)
•
reliktní gravitační vlny
Spojení dvou černých děr, numerická simulace
Detekce gravitačních vln 1916: Albert Einstein – předpověď vln 1966: Joseph Weber – první pokusy o detekci 1993: Russel Hulse a Joseph Taylor – PSR 1913+16 2002: LIGO 2025: LISA → NGO
Russel Hulse (1950)
Joseph Taylor (1941)
A. Einstein (1879–1955)
J. Weber (1919–2000)
1966 – Weberovy válce d = 66 cm l = 153 cm m = 1.4 tuny f = 1 660 Hz L = 1 000 km (Mariland – Aragon) hliník
PSR 1913+16 • stáčení periastra 4° za rok !!! • relativistický Dopplerův jev • červený gravitační posuv • dilatace času způsobená oběhem • stáčení světelných paprsků • zkracování periody (vyzařování gravitačních vln)
• 1974 Arecibo • 1993 R. Hulse, J. Taylor – Nobelova cena
Russel Hulse (1950) M1 = 1,44 MS M2 = 1,39 MS PR = 0,059 s PO = 7h 45 min d = 700 000 km
Joseph Taylor (1941)
Detektory Detektor
Umístění
MARK 2
Velikost
Provoz
USA (Pasadena)
40 m
1991
TAMA 300
Japonsko (Tokyo)
300 m
1999
GEO 600
Německo (Hannover)
600 m
2000
USA (Hanford, Livingstone)
4 km
2002–2010 2014 Advanced
Itálie (Pisa)
3 km
2007 2015 Advanced
LIGO
VIRGO LISA
oběžná dráha kolem Slunce
5 000 000 km
2015? nebude
NGO
oběžná dráha kolem Slunce
1 000 000 km
2025
LIGO – Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory
LIGO – Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory Handford (Washington, CALTECH), Livingston (Lousiana, MIT)
• l = 4 km • d = 120 cm • dl = 10–18 m • p = 1,3×10−6 Pa • h = 10–22 • f = 40 Hz – 2000 Hz • laser: Nd:Yag, 10 W • úplný provoz: 2002
LIGO – Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory
LIGO – Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory
VIRGO
Cascina, 10 km od městečka Pisa, Itálie, ramena 3 km
filtr
LISA
LISA – reakce interferometru na obě polarizace
LISA
NGO
‒ gravitační vlny ‒ inflační model ‒ reliktní záření ‒ polarizace
Problémy standardního modelu • • • • • • •
problém počáteční singularity problém Planckových škál problém plochosti Vesmíru problém horizontu problém baryonové asymetrie problém magnetických monopólů problém počátečních fluktuací nutných k tvorbě galaxií
dr/r ~10-59!!
lP = (hG/c3)1/2 ~ 10-35 m tP = (hG/c5)1/2 ~ 10-43 s mP = (hc/G)1/2 ~ 10-8 kg EP = (hc5/G)1/2 ~ 1019 GeV ~ 109 J
Historie inflačního modelu •
•
•
•
Alan Guth, 1979 první inflační scénář Andrej Linde, Paul Steinhardt a Andreas Albrecht, 1982 nový inflační scénář Andrej Linde, Vilenkin, 1983 chaotická inflace Andrej Linde, 1986 chaotická inflace s kvantovými fluktuacemi
První inflační scénář Alan Guth, 1979 R(t )
2
8 k v Gr 2 3 R R
t2/3 éra látky
t1 / 2 éra záření
2
t
Alan H. Guth MIT
8 dR dt Gr 0 3 R
r ~ 1/ R 3
R(t ) ~ t 2/3
hmota
r ~ 1/ R 4
R(t ) ~ t 1/2
záření
r ~ const
R(t ) ~ e t
vakuová hustota energie
První inflační scénář • konstantní hustota • exponenciální expanze • „záporný tlak“ • fázový přechod
• rozpad falešného vakua (skal. polí) • oscilace kolem minima energie • znovu ohřátí Vesmíru • vznik horké polévky elem. částic • standardní kosmologie začíná
První inflační scénář Zachování energie: energie vzniklých částic @ – gravitační energie Život na dluh: bude splacen až na konci Vesmíru
Tc 1027 K ? t 10–35 s ? E 1015 GeV ? narušení GUT ??
E @ (kTc)4 @10561060 GeV t @ 10–37 s S @ S0×1087 R @ R0 ×1029
Po inflaci: r/rc @ 1±10–58 Dnes: r/rc @ 1±10–6
• • • •
problém horizontu problém plochosti problém monopólů z čeho vznikly všechny částice (1090) ?
První inflační scénář – potíže • nutnost tunelování potenciálovou bariérou • pomalý vznik bublin, obtížné spojování • vzniká silně nehomogenní Vesmír
?? Jiný tvar potenciálu ??
Nový inflační scénář Andrej Linde, Paul Steinhardt a Andreas Albrecht, 1982 • Colemanův-Weinbergův potenciál pro Higgsovo pole • velmi plochá bariéra • vzniká málo bublin nebo jen jediná
Andrej Linde
Chaotická inflace • Chaotické počáteční podmínky • Nepotřebuje plató v potenciálu (netřeba falešné vakuum!) • Postačí parabolický potenciál V = ½ m 2 • Počáteční hodnota musí být dosti velká ( 0 > 3 mP) • Co způsobuje inflaci? Inflatonové pole ??
‒ gravitační vlny ‒ inflační model ‒ reliktní záření ‒ polarizace
Planck • zrcadlo: 1,9×1,5 m • hmotnost zrcadla 28 kg!!! • sonda: 4,2×4,2 m • hmotnost: 1800 kg • úhlové rozlišení: 5’ • obor: mikrovlny až submilimetry • tepelné rozlišení: 2 μK • životnost: 15 měsíců • teplota: –273,05 °C • cena: 700 milionů € • 1 pasivní chladič (vyzařováním) • 3 aktivní chladiče: 20 K Jet Propulsion Laboratory, USA 4 K Rutherford Appleton Laboratory, UK 0,1 K Institut Néel, Grenoble
LFI detektor
FEM (Front End Module) BEM (Back End Module) OMT (orthomode transducer)
Planck, po roce (červenec 2010)
Planck (2013)
SPT ACT
Parametr stáří vesmíru
Planck 13,8×109 let
trvání Velkého třesku
380 000 let
Hubblova konstanta
67 km s–1Mp–1
množství atomární látky
4,9 %
množství temné hmoty
26,8 %
množství temné energie
68,3 %
‒ gravitační vlny ‒ inflační model ‒ reliktní záření ‒ polarizace
gravitační vlny mohly unikat od prvopočátečního období
inflace (počátek plus 10–35 sekund)
reliktní záření
světlo
počátek plus 400 000 let gravitační vlny polarizují reliktní záření
počátek plus 14 miliard let
nyní
Polarizace fluktuací CMB
Polarizace fluktuací CMB Při měření polarizace je možné oddělit tzv. E mody způsobené fluktuacemi hustoty a B mody způsobené gravitačními vlnami!
skalární fluktuace (hustota): E mód vektorové fluktuace (struny, defekty): B mód tenzorové fluktuace (gr. vlny): E, B mód
vznik hvězd (reionizace) P symetrie CPT symetrie gravitační vlny
South Pole Telescope + BICEP2
BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization)
4K 512 TES senzorů 150 GHz apertura 26 cm stínění 8 m 4 GB dat za den
BICEP2
BICEP2 červená: –
R = T/S = 0,2 se σ = 3. Korelace 7,7 σ s IR mapou fluktuací z Herschel/Spire
modrá: +
Andrej Linde po objevu
Budoucnost: Planck
Budoucnost: ALMA
Budoucnost: Atacama Cosmology Telescope (2007) průměr 6 m (71 segmentů) sekundár 2 m (11 segmentů) skenování 5° (2° za sec) 145 GHz, 215 GHz, 280 GHZ 3 pole 1024 pixelů supravodivé detektory TES
Děkuji za pozornost
