Overview of Observational Cosmology

1. Overview of Observational Cosmology 이수종 서울대학교 자연대학 물리학부

2. 표준우주모형 • 출발점: • 거대우주의 균질성,등방성 • 일반상대성이론, Mach Principle • 우주의 역사 • 우주는 고온, 고압 `빛’의 가스로 탄생 • 우주는 팽창하며 단열냉각 • 최초 3분간, 기본 원소 모두 생성 • 50만년 이후, 중성원자 만들어짐 • 1억년 이후, 항성 생성 • 10억년 이후, 은하와 퀘이져 생성

3. 우주론의 기본 형식

4. 우주 관측 물리량 • 허블 상수 H = (dR/dt)/R • 감속 상수 q = (d [1/H]/dt) + 1 • 우주 상수 • baryon/photon • light/mass ~ baryon/dark matter • mass inhomogeneity ~0.00001 *** (cosmological perturbation theory)

5. 우주론의 미해결 문제들 • `왜’ 우주는 거대하고 오래 살았는가? • `왜’ 우주는 평평한가? (flatness problem) • `왜’ 우주는 균일한가? (horizon problem) • `왜’ 우주의 전체에너지는 거의 0에 가까운가? (= 우주의 운명을 알 수 있는가?) • 은하형성을 야기시킨 물질요동의 기원은 `무엇’인가? • 우주를 구성하고 있는 주요 성분은 `무엇’인가?

6. 표준모형 (~1985) • 실험: * Primordial nucleosynthesis (% ~0.0001) * COBE (% ~ 0.00001) • 이론: • 일반상대론 (how precise & why working?) • 빛 vs. 암흑 성분 (who ordered `dark’ & Is God perturbation theorist?)

7. 인플레이션 우주모형 (Inflationary Cosmology) • 물리적 동기: 부자연 스러운 표준 우주모형의 `평평성 문제’ 와 `지평선 문제’ 해결  [dR/dt] >0 그리고 d[dR/dt]/dt >0 • 내용: 우주 진화 초기, 급격한 팽창(“inflation”) 기간이 진공에너지 (“vacuum energy”)에 의하여 발생됨 • 예측: • 우주는 평평하다 • 우주는 거대하다 • 물질요동은 모든 공간범위에서 일정 (scale invariant) • 물질요동의 통계 특성은 Gaussian 분포를 보임

8. 거대구조 형성이론 • 인플레이션 기간중 발생한 물질요동은 팽창하여 우주지평선 바깥에서, 진화 정지상태를 이룬다. • 인플레이션 이후, `빛에너지’ 기간중, 물질요동은 다시 우주지평선 안으로 진입한다. 그러나, 빛과 이론의 영향으로 요동크기는 증가하지 않는다. • `물질에너지’ 기간중, 물질요동은 중력의 작용에 따라 크기가 증가한다. 강한 중력의 영향으로 퀘이져, 은하, 은하단들이 차례로 형성되어간다.

9. 1990년대의 관측우주론 • 암흑물질(dark matter)의 밀도는 임계밀도의 ~30% 정도 • 은하단의 질량/광도 비율 • 은하단에서의 정상물질/암흑물질 비율 • 은하 속도분포 측정 • 거대구조 형성속도 • 중력 렌즈효과 • 정상물질의 밀도는 임계밀도의 5% 이내 • Question:나머지 ~65%는 어떤 구성성분?

10. 암흑물질 • Key Stepstones • 직접적인 검출: non-baryonic matter (획기적인 검출기의 개발 요망) • 입자물리학의 발전: WIMPs, SUSYs (핵융합 He, D 분율 정도의 정밀도 요망) • 거대구조 형성이론 발전: dominant mass (CDM 모형의 fine-level tuning)

11. 우주상수 (진공에너지)! • 진공은 에너지를 가질 수 있다 (양자요동효과). 이 경우, 일반상대성이론에 의하여, 시공간은 휘어진다. • 우주상수: • 아인쉬타인에 의하여, 우주론에 처음 제창되었음. • 소립자물리학의 중요한 미해결 문제중 하나: 우주상수 = 진공의 양자요동에 의한 에너지 우주상수가 부자연스럽게 작다 – 미시적 기원은 무엇인가? “우주상수문제” • 인플레이션 우주론의 문제점들을 해결 • 실험검증할 수 있는 정밀예측을 제공 • 우주의 나이 • 원거리 광원의 밝기 • 우주의 시공간 구조

12. 초신성(Supernovae): 우주구조 조사방법 제공 • 초신성 = 이상적인 표준광도계 • 밝다 • 균일하게 분포한다 • 보편적으로 나타난다 • 최근 대형정밀 카메라의 개발로 높은 `적색편이’ 영역의 우주구조에 대한 관측,실험 가능

13. 초기우주의 사진: 우주배경복사 • `빛에너지’ 기간: (50만년 까지) 이온, 전자가 고온의 빛과 강하게 결합. • 중성화 시기: (50만년경) 우주온도가 낮아짐, 이온,전자가 결합, 원자 형성. 빛은 분리되어, 자유롭게 돌아다니게 됨. The universe became transparent! • 물질의 분포요동이 우주배경복사의 분포요동으로 기록이 됨 요동평균거리 = 50만년 동안 빛의 진행거리 우주배경복사 요동관측 정밀실험으로 `인플레이션 우주론’의 정량 검증 가능

14. 물질요동분포의 통계 물질요동분포의 통계적 성질 • 요동의 종류 • 우주의 기하적 구조 • 정상물질/암흑물질 • 비율 • 정상물질/빛 비율 • 물질요동 스펙트럼 • 항성형성의 역사 • 중력파의 예측

15. Precision Cosmology • 우주배경복사 정밀실험: MAP + ballon exp.s • 관측결과 2002년 후반 시작

16. CMB 요동의 정밀 관측 가능 • 미세정밀측정 가능이유 • 고속스위칭에 의한 대칭 실험 가능 • Spin 가능 • Precession 가능 • 거의 모든 solid angle 관측 가능

17. 기대되는 실험 결과 • Data와 모형 정밀 비교 • parameter의 정밀관측: • Geometry (W) to 1% • Matter density (rm/rr) to 5% • Baryon density (rm/rg) to 5% • Power spectrum • Sloan 디지털 survey • Million galaxy survey • 보다 깊은 z의 Supernova 관측 가능

18. 예측과학으로서의 우주론 • 실험관측결과가 표준모형과 맞을 경우: • 암흑물질의 정체는 무엇인가? • 우주상수의 정체는 무엇인가? --- 초끈이론? • 입자물리학 혹은 초끈이론에서 `인플레이션 우주론’을 설명할 수 있는가? • 은하들은 어떻게 형성되었는가? • 맞지않을 경우: • 일반상대론의 불완전함을 의미 ---- 초끈이론, 양자중력, 양자우주론

19. 비 Gaussian 요동 • 동기: rich cluster의 강한 상관함수 • 모형: 초끈이론의 `타키온’+인플레이션 • 결과: non-Gaussian scale-invariant definitive wave-vector dependence (angle & magnitude)

20. Prospect Exciting Time for the Next Two Decades from the SKY!