Mysteries van de Oerknal: problemen en …Mysteries Oerknal 19-7-2019 3.6 graad Een (bijna) perfect...

1

Mysteries van de Oerknal:problemen en oplossingen, John Heise, 19 juli 2019

● Wat was er vóór de Oerknal? vroeger verboden vraag)

● waarom overal hetzelfde ? homogeen en isotroop

● waarom begint Oerknal overal tegelijk? (horizon-probleem)

Mysteries Oerknal 19-7-2019

● waarom is het heelal ruimtelijk vlak? (bij willekeurig begin, kans daarop miniem)

antwoord: Eeuwige inflatie!

Mysteries van de Oerknal:problemen en oplossingen

● Wat was er vóór de Oerknal? vroeger verboden vraag)

● waarom overal hetzelfde ? homogeen en isotroop

● waarom begint Oerknal overal tegelijk? (horizon-probleem)

● waarom is het heelal ruimtelijk vlak? (bij willekeurig begin, kans daarop miniem)

John Heise, SRON, Utrecht

HOVO-19 Juli 2019

onze Oerknal is één van deze bellen

antwoord: Eeuwige inflatie!

De hete oerknal

● het heelal dijt uit en koelt daarbij af

● vroeger was het dus heet bij grote materiedichtheid

● de gloed van de oerknal zien we nog steeds

● niet roodgloeiend (3000 graden)

● en vormt het beste bewijs voor ●de oerknal-theorie (ontstaan van structuur)●en het ontstaan van de oerknal (Inflatie-theorie)

● niet blauwgloeiend (10000 graden; hete sterren)

● niet ultravioletgloeiend (100000 graden)

● niet witgloeiend (6000 graden; zon) witgloeiend

● niet röntgengloeiend (10 miljoen graden)● maar gammastraling-gloeiend (vele miljarden graden)


de Gloed van de Oerknalde kosmische achtergrondstraling


De meeste fotonen uit het heelal komen niet van sterren,maar zijn afkomstig van de Kosmische achtergrondstraling

(microgolfstraling: golflengte 1mm tot 1 cm, magnetron)

Eerst even leren kaartlezen:kaart van een bol met handige projectie

hemelkaart van de temperaturen in kleur3.6 graadMysteries Oerknal 19-7-2019

Een (bijna) perfect heelal

Overal dezelfde temperatuurvan 2.731 K

overal dezelfde temperatuur 2.728 graden!

het heelal begon in alle richtingen hetzelfde(isotroop)


● geen drukverschillen? dan GEEN GELUID("Oerknal" niet letterlijk nemen)

2

Één van de pijlers in het bewijsvoor de Inflatie+oerknal-theorie

Overal dezelfde temperatuurvan 2.731 K

een explosie wordt gekenmerkt door drukverschillen en temperatuursverschillen

die zijn er niet!Oerknal geen explosie IN de ruimte,

maar uitdijing van de ruimte!


symmetrische gaaf heelal!toch structuur ontstaan?

door kleine afwijking van de symmetrieen een zwaartekracht-instabiliteit

● iets hogere dichtheid ("zaailing")

dan iets sterkere zwaartekracht

trekt meer materie naar die locatie

vergroting materiedichtheid ●

dus op zoek naar kleine afwijkingen van volmaakte symmetrie!


afwijkingen van de kleurtemperatuurt.o.v. gemiddelde (nu 1 op 100 000)

(temperatuursverschillen van 1/100000ste graad)

COBECosmic Background Explorer

COBE satelliet, Cosmic Background Explorer


afwijkingen van de kleurtemperatuurt.o.v. gemiddelde (nu 1 op 100 000)

COBECosmic Background Explorer

WMAP satelliet, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe


afwijkingen van de kleurtemperatuurt.o.v. gemiddelde

Planck satelliet, metingen 2009-2012


Achtergrondstraling te zien

na verwijderen van de voorgrond

(European Planck Satellite)

3

Hoofdproblemen met de Oerknal1. Fine-tuning: begin-voorwaarden speciaal

● extreem kleine afwijking van kritische dichtheidin het begin, levert een heel ander heelal op


● antwoord blijkt te zijn: inflatie!

Inflatie theorie

● Inflatie-theorie lost veel problemen van deOerknal-theorie op

● en verklaart hoe het hele universum uit bijna nietszou kunnen ontstaan


● Inflatie-theorie: vlak voor de Oerknalonderging het heelal een extreem korteperiode van extreme expansie

Wat was er vóór de Oerknal?

Inflatie-modelS

chaa

lfact

orhe

elal

Tijd sinds de Oerknal (in s)

Hui

dige

leef

tijd

Oneindige dichtheid

Oerknal

stralingstijdperk

materie-tijdperk

ontkoppeling


Wat was er vóór de Oerknal?

Inflatie-periode

Inflatie-modelSch

aalfa

ctor

heel

al

Tijd sinds de Oerknal (in s)

Hui

dige

leef

tijd

Kosmische inflatie

Oerknal


leeg heelal

Inflatie, de oorzaak van de Big Bang

eerst inflatie: exponentiële uitdijing (de Sitter heelal)daarna de “gewone” uitdijing

tijd


vlakheidsprobleem opgelost door inflatie


4

Hoofdproblemen met de Oerknal2. Horizon-probleem

● Hoe kan het heelal in alle richtingen waarvoorgeen onderlinge communicatie mogelijk is,toch tegelijk ontstaan zijn en er hetzelfde uitzien?


● antwoord: een gemeenschappelijke oorsprong!

● namelijk de pre-inflatie periode!

tijdruimte bij horizonprobleem(probleem steeds groter op vroege tijden)

tijd

ruimte

lichtsnelheid

A

horizon A

B

horizon B


Voorbeeld horizon-probleem

Hoe kan dat?Dat kan alleen als iedereen oorspronkelijk bij elkaarzat. Dat model heet INFLATIE-MODEL

● Zet iedereen in deze zaal plotseling op 1000 lichtjaar afstandin allemaal verschillende richtingen

● onderlinge communicatie is dan traag

1000 lichtjaar

● een latere onderzoeker ontdekt datiedereen volgens dezelfde mode van 2019gekleed is, zonder onderlinge communicatie


Hoofdproblemen met de Oerknal3. de afwijking van volmaakte isotropie


● kwantum-fluctuaties in de "Oersoep"

Oorzaak van de (kleine) anisotropie(korreligheid)

Afwijkingen van gelijkmatige verdelingmoet afkomstig zijn uit de periodevoor de inflatie (tot de eerste 10-32 s)

kwantumfluktuaties opgeblazen, vergoot en versterkt door de inflatie


De verdeling van de "zaailingen"van de eerste verstoringen in de dichtheidkomen uit de "oerwereld" vlak vóór inflatie

Cobe

199

2Co

be 1

992

Cobe

199

2W

MAP

2003

ze zijn "schaal-invariant": alle onderlingeafstanden (golflengtes) komen gelijk voor

Inflatie heeft een kenmerkende eigenschap:onderdrukt de grotere afstanden: "bijna schaal-invariant"

Planck-resultaat: deze inflatie-eigenschap (de "zaailingen') is nu definitief aangetoondMysteries Oerknal 19-7-2019

5

Baryon Acoustische Oscillaties (BAO's)de drukgolf (geluidsgolf ) komt tot stilstanden dijt uit door de expansie van het heelal Co

be 1

992

Cobe

199

2Co

be 1

992

WM

AP

20033.8 miljard jaar geleden

5.5 miljard jaar geleden13.8 miljard jaar geleden

Vergrootte kans op vorming sterrenstelsels


gelijkmatig met kleine fluctuaties

fluctuatie-versterker

(Graphics from Gary Hinshaw/WMAP team)

Korte geschiedenis van het heelal

fractie vaneen seconde

kosmische achtergrond straling

eerstesterren

380000 jaar

200 miljoen jaar

13.7 miljard jaar

NU



Inflatie, de oorzaak van de oerknal

Oplossing van oerknal-problemen:Er was eerst een nog grotere klap,de inflatie

Tekening:Roeland van Oss

Kosmologie

Het allerkleinstdenkbare


Planck-lengte

Planck-massa

Het inflatie-universum


Het inflatie-universum

100 verdubbelingen

bij niet-homogeen begin


6

toch homogeen binnen de horizon


Problemen van de Oerknal

opgelost door inflatie:● de singulariteit (oneindige dichtheid) is opgeheven:

nu eindig begin

● waarom homogeen en isotroop?(oorspronkelijke samenstelling is onbelangrijk geworden)

● geen fossielen uit het allerheetste oersoep-periode? (extreem verdund!)

● horizonprobleem van de oerknal opgelost(alles heeft een gemeenschappelijke oorzaak)

● vlakheidsprobleem opgelost (grote bol lijkt vlak op klein stukje horizon)

Wat maakt dat het heelal zich opblaast

in de inflatieperiode?

Onbekend!

vele sugegsties:-Higgs-veld-vals vacuum (bubble collision)-chaotic inflation-slow role inflation-meer dan 1 inflatieveld

dus:een nieuwe kracht(zgn. scalair veld)in de Einstein-veldvergelijking(energie-inhoudbepaalt de expansie)


ì.h.a. vereist: Scalaire Velden

● geen ingebouwde richting zoalseen vector-veld als Elektriciteit

● in ieder punt van de ruimte één waarde

● het heelal is doordrongen van een Higgs-veld

● zo ook van een inflatie-veld(mogelijk: inflatie-veld = Higgs-veld)


● enige voorbeeld: een Higgs-veld

Logica van Inflatie

hoge potentiaal Φ van inflatie-veldeen inflatieveld met in het begin hoge potentiaal Φ(hoge energiedichtheid), (bv door kwantum-fluktuatie)

Hubble-parameter H hoogHubble-parameter H is evenredig met Φ, H dus hoog


extreme expansie ~ (de Sitter heelal)door "Hubble-wrijving" blijft H hoog langdurige expansie

daardoor kunnen meer dan 100 verdubbelingen in de expansie optreden

Tenslotte continueert de expansie als Big Bang(veel kleinere H)

bv willekeurig inflatieveld, nu in een minimum

●

Oersoep = tijdruimte-schuim , hoge Φ

geeft "eeuwige inflatie"● grote fluctuatie: inflatie-periode

● kleine fluctuatie: zaailingen struktuur(nu te zien)

● "mislukte universa"

Φ in ieder punt van de ruimte,

neemt af tot nul nu


7

Multiversum?

● als we weten hoe alles begonnen is:geen gekke gedachte dat dat proces eldersnog eens plaatsgevonden heeft


Het Multiversum

● De gedachte dat de wereld bestaat uit heel verschillende delen met volkomen verschillende eigenschappen

● dus ons universum is er één uit vele

● populair geworden door het succes van inflatie-theorie als oorzaak van de Oerknal


multiversum

eiland-universa:

● struktuur (sterren, wij) ontstaat uit kwantum-fluctuaties, opgeblazen door extreme uitdijing, waarna de zwaartekracht samenbalt

synopsis:

● zeer grote fluctuaties (zeldzaam)leiden tot lokaal versterkte expansie, "mislukte oerknallen"

● extreem grote fluctuaties (extreem zeldzaam )leiden tot een oerknal zoals de onze

Kunnen we een interactie zien(botsing van twee universa) ?


Botsingkoers met ander universum


te zien in Kosmische Achtergrondstraling


8

Hoe zie je een bubbelbotsing in dekosmische achtergrondstraling

Als een plek met een struktuur groter dan de 'korrels'(groter dan ong 1 graad) in deze simulatie

zoals linksboven, rechtsboven samen met de echte achtergrondstraling

linksonder, rechtsonder zijn analyse-technieken om ze op te sporen


Anomalieën/onbegrepen zakenin de Kosmische Achtergrond Straling

Er zijn dingen die niet kloppen. Verhit debat.drie groepen:

2. beter kijkenmogelijk "voorgrond probleem" zelfde als in WMAP,er zit iets dat we niet zien

3. slapeloze nachtenFundamenteel onbegrip: aanwijzing nieuwe fysika?

1. schouders ophalen, zo is het nu eenmaal, we zien het heelal maar vanuit één kant (Kosmische Variantie) 10 miljard lichtjaar verderop is t anders


Anomalieën 1. geen isotropie

Noordelijk en zuidelijk halfrond (t.o.v. ecliptica) zijn niet hetzelfde met een statische afwijking van 1 op 100 ; Kosmische variantie?


Anomalieën 1. de asymmetrie

overdreven weergave van het probleem:

koudste plek

ecliptica

extra koud

extra warm


Anomalieën 3. extreem grote koude plek

Van 10 volle manen manen (ong. 1o) in sterrenbeeld Eridanus.

NB alles wat buiten 2 volle manen (ong. 1o) ligt, kan niet één geheel vormen (ligt buiten horizon van het heelal op de leeftijd van

380000 jaar)

Misschien een "supervoid" (superholte) op afstand 6 miljard lichtjaar, z = 1?Zou dan de grootste structuur in het heelal zijn, groter dan kan bestaan

de koudste plek som van 50 voids

4o


Anomalieën extreem grote koude plek in de achtergrond

NB alles wat buiten 2 volle manen (ong. 1o) ligt, kan niet één geheel vormen (ligt buiten horizon van het heelal op de leeftijd van

380000 jaar)

Misschien een "supervoid" (superholte) op afstand 6 miljard lichtjaar, z = 1?Zou dan de grootste structuur in het heelal zijn, groter dan kan bestaan

de koudste plek

Van 10 volle manen manen (ong. 5o) in sterrenbeeld Eridanus.

som van 50 voids

4o

misschien een botsend universum?Mysteries Oerknal 19-7-2019

de koudste plek in het heelal

9

relatie mens-kosmos

(fine tuning, Goudlokje-positie)volgende reacties mogelijk:● niet toevallig, maar zo is het nu eenmaal

want als het anders was, waren we er niet geweest(afhankelijke waarschijnlijkheden)

● welwillende goddelijke voorzienigheid

zo is het ontworpen (evolutie met een bedoeling,bijv. de mens of minder antropocentrisch: complexe vormen))

● Martin Rees en anderen:

wij zitten in een speciaal universum,onderdeel van een Multiversum


het Multiversum-idee

Eefde 17-11-2016

Iedere wereld heeft zijn eigen natuurconstanten

de meesten leven kort en laten geen complexe biologie toe

wij hebben daardoor automatisch de Goldilockpositie

EindeToch aardig als u de volgende keer naarde sterrenhemel kijkt:

die leegheid en weidsheid,die sterrendie sterrenstelsels,

het bestaat allemaal omdat u bestaat

omdat een multiversum alle mogelijkheden toelaat

Mysteries van de Oerknal: problemen en …Mysteries Oerknal 19-7-2019 3.6 graad Een (bijna) perfect...

Documents

Transcript of Mysteries van de Oerknal: problemen en …Mysteries Oerknal 19-7-2019 3.6 graad Een (bijna) perfect...