La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

Il tempo cosmologico Sabino Matarrese Dipartimento di Fisica e Astronomia G. Galilei Università degli Studi di Padova Sabino.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "Il tempo cosmologico Sabino Matarrese Dipartimento di Fisica e Astronomia G. Galilei Università degli Studi di Padova Sabino."— Transcript della presentazione:

1 Il tempo cosmologico Sabino Matarrese Dipartimento di Fisica e Astronomia G. Galilei Università degli Studi di Padova Sabino Matarrese Dipartimento di Fisica e Astronomia G. Galilei Università degli Studi di Padova II Scuola Estiva in Storia e Filosofia delle Scienze - Feltre Nomi del tempo 19 luglio 2012

2

3 (Il problema de) lorigine dellUniverso

4 Il Principio Cosmologico ( Principio Copernicano) Noi non occupiamo una posizione privilegiata nellUniverso. Tutti gli osservatori co-moventi – alla stessa epoca cosmica - troveranno la stessa legge di Hubble. Mediando sulla scala tipica delle piu estese disomogeneita cosmiche, lUniverso e omogeneo ed isotropo. LUniverso e ben descritto dalla geometria di Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker.

5 Noi possiamo vedere solo la superficie della nube dove la luce ha subito lultimo scattering. PRESENTE 13.7 miliardi di anni dopo il Big Bang La superficie di ultimo scattering della radiazione cosmica di fondo alle microonde e analoga alla luce che arriva ai nostri occhi, passando attraverso le nubi in una giornata nuvolosa.

6 La crisi del modello del Big Bang (circa 1980) Problema dellorizzonte: il nostro universo appartiene ad un insieme di misura zero? Problema della piattezza: dobbiamo assumere un fine-tuning delle condizioni iniziali del nostro universo? Problema delle fluttuazioni cosmiche: come sono state generate le irregolarita nella distribuzione della materia nel cosmo?

7 Problema dellorizzonte Kinney 2003 La scala comovente di correlazione causale cresce con il tempo

8 Soluzione: Inflazione nellUniverso primordiale! (circa 1981) Un periodo di espansione accelerata nellUniverso primordiale Da tale periodo hanno tratto origine tutte le proprieta cosmiche osservate. Materia e radiazione sono nate alla fine del periodo di inflazione, dal decadimento dellenergia del vuoto che guidava lespansione accelerata. Tutte le strutture cosmiche (ovvero tutta la complessita del nostro universo) hanno avuto origine durante la fase inflazionaria da fluttuazioni quantistiche del vuoto (su scala microscopica), successivamente amplificate e dilatate su scale macroscopiche (classiche)

9 Soluzione inflazionaria del problema dellorizzonte Un periodo sufficientemente lungo di espansione accelerata nellUniverso primordiale permette di risolvere il problema dellorizzonte. Kinney 2003

10 Il ruolo dellenergia del vuoto Lespansione accelerata dellUniverso, soluzione inflazionaria dei problemi del (vecchio) modello standard, richiede lazione di una forza cosmica repulsiva nelle equazioni di Einstein. Poiche la forza gravitazionale Newtoniana causata dalla massa-energia del fluido cosmico puo solo essere attrattiva, e necessario sfruttare una proprieta dei fluidi relativistici: laccelerazione/decelerazione e causata non solo dalla massa-energia, ma anche dalla pressione del fluido. Se la pressione e sufficientemente grande e negativa, si hanno le condizioni per laccelerazione (violazione della condizione di energia forte non inevitabilita della singolarita iniziale del Big Bang. Per realizzare un sistema fisico con pressione isotropa e negativa (tensione) e necessario fare riferimento alle proprieta del vuoto quantistico. Un esempio di queste proprieta e leffetto Casimir in elettrodinamica quantistica. In ambito cosmologico si fa uso dellenergia del vuoto di un opportuno campo scalare detto inflatone.

11 Teorema cosmico di assenza di capelli (no-hair) La presenza nelle equazioni di Einstein di una sorgente capace di generare espansione accelerata (come lenergia del vuoto) concude alla cancellazione asintotica di qualsiasi dettaglio (hair). Linflazione tende a cancellare ogni memoria delle condizioni iniziali. Tutto cio che osserviamo oggi deve essere stato (ri- )generato alla fine dellepoca inflazionaria.

12 Universo inflazionario auto-riproducentesi Andrei Linde ~ 1989 Inflationary theory describes the very early stages of the evolution of the Universe, and its structure at extremely large distances from us. For many years, cosmologists believed that the Universe from the very beginning looked like an expanding ball of fire. This explosive beginning of the Universe was called the big bang. In the end of the 70's a different scenario of the evolution of the Universe was proposed. According to this scenario, the early universe came through the stage of inflation, exponentially rapid expansion in a kind of unstable vacuum-like state (a state with large energy density, but without elementary particles).... The stage of inflation can be very short, but the universe within this time becomes exponentially large.

13 Initially, inflation was considered as an intermediate stage of the evolution of the universe, which was necessary to solve many cosmological problems. At the end of inflation the scalar field decayed, the universe became hot, and its subsequent evolution could be described by the standard big bang theory. Thus, inflation was a part of the big bang theory. Gradually, however, the big bang theory became a part of inflationary cosmology. Recent versions of inflationary theory assert that instead of being a single, expanding ball of fire described by the big bang theory, the universe looks like a huge growing fractal. It consists of many inflating balls that produce new balls, which in turn produce more new balls, ad infinitum. Therefore the evolution of the universe has no end and may have no beginning. After inflation the universe becomes divided into different exponentially large domains inside which properties of elementary particles and even dimension of space-time may be different. Thus, the new cosmological theory leads to a considerable modification of the standard point of view on the structure and evolution of the universe and on our own place in the world. Universo inflazionario auto-riproducentesi

14 … for the practical purposes of describing the observable part of our Universe one can still speak about the big bang, just as one can still use Newtonian gravity theory to describe the Solar system with very high precision. Andrei Linde 1995

15 Il punto di vista attuale sullUniverso Universo osservabile Inflazione Disomogeneo su piccola scala Quasi omogeneo ed isotropo sulla scala dellorizzonte attuale Fortemente disomogeneo su scale molto maggiori dellorizzonte

16 Falsificabilita dellinflazione?

17 Rivelare il fondo stocastico delle onde gravitazionali prodotte durante linflazione: Bpol,... Rivelare segnali specifici del modello (e.g. coerenza di fase – non-Gaussianita primordiali – nelle perturbazioni): Planck, Euclid, LSST,...

18 Sono esistiti altri episodi di inflazione nella storia dellUniverso? La risposta delle osservazioni e che … proprio oggi lUniverso sta sperimentando una di espansione accelerata, ovvero una seconda inflazione Tale espansione accelerata viene attribuita allazione di una componente oggi dominante, detta energia oscura.

19 Storia termica dellUniverso INFLATION

20 Evoluzione (il budget energetico del Cosmo)

21 Cosmologia di Precisione: dal che cosa al perche Now that key cosmological parameters have been determined to within a few percent, we anticipate a generation of experiments that move beyond adding precision to measurements of what the universe is made of, but instead help us learn why the universe has the form we observe. […] observational cosmology will probe the detailed dynamics of the universe in the earliest instants after the Big Bang, and start to yield clues about the physical laws that governed that epoch. Future experiments will plausibly reveal the dynamics responsible both for the large-scale homogeneity and atness of the universe, and for the primordial seeds of small-scale inhomogeneities, including our own galaxy. (Baumann et al. 2008, CMBpol mission concept study)

22

23

24 Labbondanza e la distribuzione della luce nel cielo non rappresentano in modo fedele labbondanza e la distribuzione dellenergia nel cosmo !!

25 Spiral galaxy

26

27 Evidenza di materia oscura dalle curve di rotazione di galassie a spirale Lo studio delle galassie a spirale mostra che la curva della velocita di rotazione rimane costante, o piatta, allaumentare della distanza dal centro galattico. Sulla base della teoria Newtoniana la velocita di rotazione dovrebbe diminuire per le componenti piu lontane dal centro galattico. La curva di rotazione piatta suggerisce che le galassie sono circondate da una significativa quantita di materia oscura, ldistribuita in massicci aloni oscuri di forma approssimativamente sferica. Nelle parti piu esterne delle galassie la luminosita e trascurabile; nubi di gas che orbitano in tali regioni permettono di measurare lcome varia la velocita di rotazione con la distanza dal centro galattico, portando alla conclusione che essa tende a rimanere costante. La masss deve continuare a crescere poiche la velocita di rotazione deve soddisfa alla legge (di Keplero): v 2 =GM/r dove M e la massa entro il raggio r; quindi M r. Il rapporto massa/luminosita della galassia e molto lmaggiore di quello stimato dalla regione luminosa interna.

28 La geometria dello spazio (e del tempo) non e` un dato fisso, come per Newton, ma dipende dalla materia in esso contenuta Le traiettorie dei corpi celesti seguono le linee piu` brevi (geodetiche). Vicino a una massa lo spazio è curvo e la linea più breve non è la linea retta!

29 Il Lensing Gravitazionale Abell 2218: A Galaxy Cluster Lens, Andrew Fruchter et al. (HST)

30 La distribuzione della Materia Oscura La materia oscura forma la struttura dellUniverso su grande scala, mentre la materia ordinaria, luminosa, viene gravitazionalmente attratta da questa. N-body Simulation by the Virgo Consortium

31 Sloan Digital Sky Survey (~ 1 milione di galassie) The 2.5-meter telescope at Apache Point Observatory, named the Sloan Foundation Telescope in recognition of the pivotal and generous support of the Alfred P. Sloan Foundation through all phases of the SDSS. All SDSS imaging and spectroscopy were carried out with the Sloan Telescope, equipped with a large format digital camera and fiber-fed spectrographs that measured spectra of 640 objects at a time.

32 Il cielo a microonde (nei dati del satellite WMAP) David Wilkinson

33 CMB: la posizione dei picchi acustici nelle anisotropie in temperatura implica che luniverso e spazialmente piatto necessita di un ingrediente additivo: materia ordinaria, oscura + ??? Hinshaw et al. 2006

34 Il satellite Planck lanciato nel 2009 dallESA misura le anisotropie nella temperatura (e polarizzazione) del CMB con un livello di risoluzione angolare senza precedenti. Data release nel 2013 Il futuro prossimo: Planck

35

36 Evidenza di accelerazione cosmica dalle Supernovae piu distanti

37 Lespansione dellUniverso accelera Lespansione accelerata sembra richiedere lesistenza di un fluido cosmico con pressione negativa: Energia Oscura

38 Il budget cosmico Circa il 4% del budget cosmico e sotto forma di materia ordinaria (barioni), della quale solo una piccola frazione brilla nelle galassie (molto probabilmente la maggior parte della materia ordinaria e localizzata in filamenti di gas ad alta temperatura nel mezzo intergalattico). Circa il 23% del budget cosmico e fatto di Materia Oscura, una componente della quale percepiamo la presenza solo gravitazionalmente. Circa il 73% del contenuto energetico del nostro Universo e sotto forma di una componente esotica, chiamata Energia Oscura, o Quintessenza (quando e causata dallenergia di un opportuno campo scalare), che causa una forma di repulsione cosmica su grande scala tra gli oggetti celesti, mimando una sorta di effetto di anti-gravita.

39 Di cose` fatta lenergia oscura ?

40 Energia oscura ed energia del vuoto Laccelerazione cosmica sembra richiedere lesistenza di un fluido capace di sviluppare una forza repulsiva, una sorta di antigravita. (alternative??) Tale forza repulsiva e generata se luniverso e permeato da un fluido con pressione isotropa negativa, detto Energia Oscura. Per ottenere un sistema con pressione negativa appare naturale ricorrere alle proprieta dellenergia del vuoto nella Teoria Quantistica dei Campi (esempio: leffetto Casimir in elettrodinamica quantistica).

41 Effetto Casimir Nel 1948 il fisico olandese Hendrick Casimir propose un test sullesistenza dellenergia del vuoto, che, nella teoria quantistica dei campi, prende la forma di particelle (dette virtuali) che costantemente si formano e scompaiono su scala microscopica. Normalmente, il vuoto e riempito di tali particelle su tutte le lunghezzze donda. Egli argui che, se due sottili piastre metalliche scariche e parallele vengono piazzate a piccola distanza reciproca le lunghezze donda piu grandi vengono escluse tra le piastre. Le particelle al di fuori delle piastre con le lunghezze donda escluse allinterno tendono a spingere le piastre luna contro laltra: tanto piu vicine sono le piastre, tanto piu forte e lattrazione. Lamoureuex (1996) misuro leffetto Casimir trovando buon accordo con la teoria. La prima misura con piastre parallela e stata effettuata da Bressi et al. (2002). Forza di Casimir F ~ A / d 4 (A = area delle piastre, d = distanza reciproca)

42 La Costante Cosmologica G + g = 8 G T geometria Quanto grande e materia Albert Einstein

43 Problemi con la Costante Cosmologica 0 e in accordo coi dati osservativi pone due problemi: fine-tuning (sintonizzazione fine): perche e cosi piccola? coincidenza cosmica: perche differenti forme di energia (DE, DM, barioni) hanno oggi abbondanza confrontabile?

44 Costante Cosmologica Quintessenza Modifiche della legge di Gravitazione Backreaction delle disomogeneita locali Modelli per lEnergia Oscura:

45 Modello Standard: il destino dellUniverso

46 Il destino (probabile dellUniverso In tutta generalita la presenza dellEnergia Oscura porta a ritenere piu probabile un futuro dellUniverso di mera espansione accelerata (cosmic no-hair theorem) con una graduale scomparsa di tutte le strutture cosmiche: una sorta di lentissimo (infinito) congelamento e svuotamento dellUniverso.

47 Falsificabilita dellenergia oscura?

48 ?

49 Prospettive ossevative Misurare le proprieta attuali dellEnergia oscura Studiarne levoluzione cosmica Dedurne la natura microscopica

50 Conclusioni A partire dalla meta degli anni 80 e gradualmente emersa una lettura della cosmologia secondo la quale luniverso su scale di distanza molto maggiori di quelle accessibili (in linea di principio) alle osservazioni e verosimilmente dotato di proprieta affatto diverse da quelle a noi familiari. La regione del cosmo da noi abitata e lepoca cosmica in cui viviamo appaiono avere caratteristiche peculiari che possono venir considerate come una sorta di criterio di selezione nella costruzione delle leggi fisiche che regolano il nostro essere nel cosmo ed analizzarne le proprieta. In questo quadro appare del tutto ragionevole pensare che lUniverso nel suo insieme non abbia mai avuto inizio e non avra mai fine. A partire dalla meta degli anni 80 e gradualmente emersa una lettura della cosmologia secondo la quale luniverso su scale di distanza molto maggiori di quelle accessibili (in linea di principio) alle osservazioni e verosimilmente dotato di proprieta affatto diverse da quelle a noi familiari. La regione del cosmo da noi abitata e lepoca cosmica in cui viviamo appaiono avere caratteristiche peculiari che possono venir considerate come una sorta di criterio di selezione nella costruzione delle leggi fisiche che regolano il nostro essere nel cosmo ed analizzarne le proprieta. In questo quadro appare del tutto ragionevole pensare che lUniverso nel suo insieme non abbia mai avuto inizio e non avra mai fine.

51 Leternita e lunghissima, specialmente verso la fine Woody Allen

52 letture consigliate George F.R. Ellis Issues in the Philosophy of Cosmology, arXiv:astro-ph/ v2 (2008) Martin Rees Il nostro ambiente cosmico, Adelphi Edizioni, Milano (2004) George F.R. Ellis On the flow of time, Essay for the Fqxi essay contest on The Nature of Time (2009) Alex Vilenkin Un solo mondo o infiniti? Alla ricerca di altri universi, Raffaello Cortina Editore, Milano (2007)


Scaricare ppt "Il tempo cosmologico Sabino Matarrese Dipartimento di Fisica e Astronomia G. Galilei Università degli Studi di Padova Sabino."

Presentazioni simili


Annunci Google