현대우주론
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현대우주론 : 암흑 에너지 PowerPoint PPT Presentation


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현대우주론 : 암흑 에너지. 김 정 욱. 고 등 과 학 원. ( K orea I nstitute for A dvanced S tudy). Johns Hopkins 대학교. 자연의 4 가지 힘. ( 상호작용 ).  강 ( 강 ) 상호작용 ~ 1. 1.  전자기 ( 전자기 ) 상호작용 ~. 137. -5.  약 ( 약 ) 상호작용 ~ 10. -40.  중력 ( 중력 ) 상호작용 ~ 10. Quest for Unification of forces.

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현대우주론 : 암흑 에너지

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


3914841

현대우주론:암흑 에너지

김 정 욱

고 등 과 학 원

(Korea Institute for Advanced Study)

Johns Hopkins 대학교


3914841

자연의 4가지 힘

(상호작용)

강(강) 상호작용~ 1

1

전자기(전자기) 상호작용 ~

137

-5

약(약) 상호작용 ~ 10

-40

중력(중력) 상호작용 ~ 10


3914841

Quest for Unification of forces

Newton :Gravity on an apple = gravity on the Earth

by the Sun

Maxwell :Electricity and Magnetism

Electromagnetism

Weinberg - Salam - Glashow :

Unification of E/M and weak Interactions

(m= 0, mw,z~100mp)

 Einstein tried to unify E/M and gravity but failed.

1/r2 1/r2

Georgi - Glashow :Unification of E/M, weak and

strong interations

Grand Unification Theory


3914841

Coupling Constants of Fundamental Forces

Experimentally proved

s(strong)

TeV(LHC)

Supersymmetry?

2(weak)

GUT

?

1(E/M)

Supergravity

Superstring

gravity

200 GeV

E

1016GeV

1019GeV

T

1030 k

1016 k

1033 k

Impossible experiment


3914841

i(E)

SU(5)

s

0.028

2

0.024

1

1016

1014

Energy(GeV)

1012

s

0.04

2

0.03

1

SU(5) with SUSY

Energy(GeV)

1012

1014

1016


3914841

해결방법

초대칭(Supersymmetry)과 초끈이론 도입

초대칭성 : 입자들의 시공간의 새로운 성질

~

특성:e supersymmetric partner e(selectron)

  (photino)

u u(squark)

(모든 입자의 수가 2배로 늘어남)

~

~

...

~

~

~

문제: 아직도 e, , u,…발견되지 않았음

But, 간접적인 증거는 있음

초끈이론 : 초대칭성 + 입자는 “끈의 진동”

입자의 통일

힘의 통일

드디어 이루어짐

양자역학 : fluctuations (요동)

일반상대론 : continuous and smooth

초끈 이론이 모든 문제를 해결

Theory of Every Thing

결합이

어려웠음


3914841

문제점들

10(11)차원의 공간에서만 가능 (4 + 6(7))

초끈의 크기 ~10-33 cm

실험 검증 불가 (1019 GeV)

6(7)차원의 세계 : Quo Vadis?

 Extra dimension을 설명하는 수학이 없음

  가속기 검증대신 우주론에 응용

소립자이론 우주론

최근 중요한 이론의 등장


3914841

천문학에서 우주론까지

• 인류의 역사만큼 길다.(해, 달, 별,…)

• 500 BC 지구는 둥글다, 피타고라스(Pythagoras)

300 BC 지동설(태양중심),아리타크스(Arichacus)

200 BC 달까지의 거리계산,히팔쿠스(Hipparchus)

380,000Km

AD 200 천동설,토레미(Ptolemy)

암흑시대

• AD 1500 태양중심의 태양계(우주),코페르니쿠스

1600 5cm 망원경,갈릴레오

1700 별들은 태양계 밖에 있다.

1800 별들의 거리,우주나이> 1,000만년(망원경, 사진,…)

1900 아인슈타인,팽창(허블), 빅뱅,…

2000 진공에너지, 가속팽창


3914841

우 주 론

-탄생, 진화, 종말-


3914841

Three Major Miracles

1) Creation of the Universe

~ 15 billion years ago

2) Appearance of life on the Earth

~ 3.5 billion years ago

3)

Why do we live now?

Anthropic Principle ?

Nancy Kerrigan: Why me, Why now ?


3914841

東洋의 十進法

일 一100

십 十101열 십

백 百102온 백

천 千103즈 믄 천

만 萬104일만 만

억 億108억 억

조 兆1012조 조

경 京1016 서울 경, 클 경, 경 경

해 垓1020땅 가장자리 해

자 자1024만 억 억

양 壤1028 부드러운 흙 양

구 溝1032 도랑 구

간 澗1036산골 물 간

정 正1040바를 정

재 載1044실을 재, 해 재

극 極1048 지극할 극

항하사

恒河沙

아승기

阿僧祇

나유타

那由他

불가사의

不可思議

무량수

無量數

일 一100

분 分10-1나눌 분

리 厘10-2리 리

모 毛10-3털 모

사 絲10-4실 사

홀 忽10-5문득 홀

미 微10-6작을 미

섬 纖10-7가늘 섬

사 沙10-8모래 사

애 埃10-10

묘 渺10-11

막 漠10-12사막(아득할) 막

모호 摸湖10-13 법 모, 호수 호

준순 浚巡10-14물러갈 준, 순행할 순

수유 須臾 10-15잠깐 수, 잠깐 유

순식 瞬息10-16눈깜짝할 순, 숨쉴 식

탄지 彈指10-17

찰나 刹那10-18

육덕 六德10-19 六元德 = 知, 仁, 聖,

義, 忠, 和

허공 虛空10-20빌 허, 빌 공

청정 淸淨10-21맑을 청, 깨끗할 정

티끌 진. 10-16이란

해석도 있음

진 塵

10-9

티끌 애. 진의 억분의 일,

즉 10-24이란 해석도 있음

아득할 묘, 10-32이란

해석도 있음

갠지스 강의 무수한 모래라는 뜻

1056

언덕 아, 중 승, 땅귀신 기, 헤아릴수 없는 수

1064

탄알 탄, 손가락 지,

손가락을 튀김

어찌 나, 말미암을 유, 무량의 수

절 찰, 어찌 나,

ksana의 음역

1072

1080 or

10120

불가사의

1088 or 10128

불가사의의 억배


3914841

우주의 탄생

 창세기: 4004 BC 10월 26일

(King James Version, James Ussher)

1654년 ( Newton 도 믿었음)

힌두-불교: 우주는 영원한 존재

현대우주론 :약 150억 년 전 탄생

어떻게?우연히 11차원 우주로 시-공 과

초끈(Super string)이 얽힌 덩어리가

무(無)에서 탄생

진공 양자요동, 불확정원리

어디에서 ?아무 곳에서나


3914841

우리에게 보이는 우주

1) 우주는 팽창하고 있다

:1920’s : Hubble

팽창 속도 ~ 거리

Km

비래 상수 : 65

Mpc sec

2) 우주의 나이 : 150억년 (팽창율)

28

우주의 크기 : 10 cm(약 150억 광년)

관측 불가능한 은하계

28

10 cm


3914841

80

 10 개의 양성자, 중성자,…

3) 우주속에는 약 1250 억개의 은하계

 은하계 속에는 1000 억개의 별

태양은 그 중의 하나

구성입자

90

 10 개의 광자 (배경복사)

 He:전체의 24 %

3

밀도광자 : 400/cm

3

양성자 : ~ 1 / m

-29

3

우주밀도 ~ 10 g/cm

°

우주 평균온도 = 2.728 K


3914841

Big Bang Cosmology

Experimental Evidence: Expansion,CMB,

Element formation,….

Einstein’s Gravity (1915)

Cosmological Principle

Homogeneous and isotropic

(No center)

Equation of State

Modified by Inflation

(Flat Universe)

(current density)



o

= 1

o

(critical density)

c

-29

3

~ 10 g/cm

c


3914841

Einstein’s Equation of Gravity

(1915)

1

R - Rg - g = 8 GT

2

Space-time

matter

Cosmological Constant

(1917 )

  0  Negative Pressure

Vacuum energy


3914841

Standard (k=0, =0) Cosmology

.

.

.

R

R

8G

R2 - R2 = 0 H  : Hubble parameter

R

3

.

..

.

R

RR

+(+p)3 ( ) = 0 q  - : deceleration

parameter

.

R

R2

3H2

c = :  = 2q

c

8G

1

R

x

t = 0 dx , x = : R ~ t 2/3

x

H0

Ro

1

Present : q0 = , 0 = 1

2

2

2

2

1

x

1

H0

t0 =  =

0

3

3

H0

100Km

H0 = h : h = 0.65 (± 0.05)

Mpc sec

t0 =10.25 By for h = 0.65

Ageof the oldest globular clusters , ...

13 ~ 15 By


3914841

Fate of the Universe

R

k = -1, 0 < 1

k = 0, 0 = 1

k = 1, 0 > 1

t

t = 0

t0= 15 Bys


3914841

Inflation and Horizon Problem

SHBB Model

1 cm

Causally connected

.

.

(Same temperature)

B

A

10 -24 cm

10 25

.

.

10 28 cm

A

B

t =10 -35sec

inf

10 3

.

.

10 23 cm

A

B

t = 10 5 y

de

t = now

0


3914841

How to Cure the Problems

in SHBB Cosmology

Inflation !

10 -24 cm

>10 30

10 6cm

Horizon problem

solved !

10 25

10 25 cm

(10 -35 10 -34 sec)

.

.

A

B

Predictions

 

  0

  0 = 1 + 10 -N : N very large

t = 10 5 ys

Flat Universe


3914841

Phase Transition

T > Tc

T = Tc

T < Tc


3914841

인플레이션 곡률 없는 우주

o = 1

3 x 3 x 3


3914841

Matter in The Universe

 0 = 1

?

Dark

Matter

<

10 %

~ 1 % (Visible)

Ordinary Matter ( proton, neutron, … )


3914841

Matter and Dark Energy

in The Universe

 0 = 1

?

?

 = 0.65

X

?

 = 0.35

m

<

10 %

< 1 % (Visible)

Ordinary Matter : proton, neutron, neutrino…


3914841

x

1

SN Type Ia

0.65

BOOMERANG

Maxima

(CMB)

0.5

LSS

GL

0.0

1

0.35

0.5

matter


3914841

m = 0.35 ± 0.04

Rotation Curves

Hot Gas

Galaxy Halos

Gravitational Lensing

Large Scale structure

M

m

L

8G

m 

3H2

B = 0.08 ± 0.01 ( Bh2 = 0.033 ± 0.005)

B = 0.05 (Bh2 = 0.02 ± 0.001 (D/H : BNS))

L = 0.005

> 0.003 (no degeneracy)

~


3914841

X = 0.65 ± 0.05

 CMB 0and B  X

0 = 1 , m = 0.35  X = 0.65

(Nature unknown)

 SN Type Ia can tell us about m / X

Nature of X

Also some cross - checking

of CMB, LSS, SN


3914841

°

 t ~ 360,000 년 : T ~ 3000 K

1

 당시 우주의 크기는 지금의

1000

 : 양자

•: 전자

:광자(빛)

수소(H)원자


3914841

Curvature of the Universe

CMB

  = 1, k = 0 ( flat )

0

(Observer)

  > 1, k = + 1 ( Closed )

0

  < 1, k = – 1 ( Open )

0


3914841

Boomerang determines the curvature

K = -1

K = 0

K = + 1


3914841

4/30/01 New York Times

(Latest BOOMERANG DATA)

6

Main tone

.

harmonics

.

.

4

.

.

Relative amplitude

.

.

.

.

.

.

.

.

2

.

.

.

0

7

1

0.5

0.3

0.25

0.2

Angular scale : degree


3914841

SN Type Ia

Light Curves :

Type I

TypeII

Type Ia : Produces a lot of Fe

Lack of H lines, Abundant in early Universe

Standard Candles : distance measurements

( Not quite but correctable : colors and

temperatures)

Spectroscopy of various Bands : I, J, K, ...

A Hint that the Universe is accelerating lately

(for small z (0.4~1)) was discovered

independently by Perlmutter and Riess (1997~8)

Acceleration is fairly recent !

SN Type Ia 1997ff (Riess) with z=1.7

shows no acceleration !


3914841

R

Standard Candle (SN)

Direct measurement

1

1

(1 - q) Z2 + ……. ]

dL =

[ Z +

2

H0

Hubble’s Law

Corrections

Deviation from Hubble’s Law can tell

values of q (deceleration parameter).

> 0 : deceleration

q

RH2

< 0 : acceleration


3914841

Riess, 1998

Perlmutter, 1999

°

M = 0.3, = 0.7

m= 0.3

= 0.7

m = 0.3

 = 1

= 0

= 0

(can tell q values)

Hubble Diagram


3914841

SN Type Ia (Standard candle)

Z = 0.2

m



Z = 0.5

m



Z = 1.0

m



Z = 1.7

m

  0


3914841

Z=1.7


3914841

Dark Energy

  • Characteristic of space-time

  • Uniformly distributed

Changes very slowly in time (?)

  • No interference with formation of

  • structures

  • Acceleration of Expansion: negative p

  • E = mc2 gravity

  • ~ 10-29 g/㎤

X


3914841

dz x(z) w(z)

Weff =

dz x(z)

Perlmutter, Turner and White

~

0.5 

2.0

LSS, CMB

Likelihood contours from

all constraints

SN Ia

Solid: constant w

Broken: scalar f.

: If equ.of state is

slowly and monotonically

varying


3914841

pX

X

Candidates for X

Wobs < – 0.6 (95% C.L.)

WM > – —  X cannot be matter

Non-relativistic matter : WM = –— ~ 0

 M ~ R-3

1

3

pM

M

pM

M

1

3

Relativistic matter : WM = –—~ —

 M ~ R-4

*

Equation of state : WX = —

X ~ R-3(1+W)

Matter :

3p +  > 0


3914841

  • Vacuum Energy (Cosmological Constant, )

    W = –1 : Satisfies all requirements

     = constant

  • Quintessence (Rolling, Dynamic Scalar Field)

1

2

1

2

— 2 – V()

— 2 + V()

1 for strings

2 for walls

WQ = : –1 < WQ < 1

N

3

N =

WT = – —

 Topological defects

Some changes in time

Clusters slightly on very large scale

Strings are ruled out!


3914841

Most attractive Interpretation

 X =  : Vacuum Energy

 Flat Universe :

1

2

q0 = — + — WX (= — for W=0, X = 0)

1

2

3

2

3

2

1

2

2

3

q0 < 0 : acceleration : — + —(– 0.6) — < 0

••

R

RH2

(deceleration parameter : q = – –—

 Graviton leak from Extra dimension

 New model (Ekpyrotic,…)

  • Break down of something?

    (Friedmann Equation, … )

)


3914841

Einstein’s Equation of Gravity

(1915)

1

R - Rg - g = 8 GT

2

Space-time

matter

Cosmological Constant

(1917 )

  0  Negative Pressure

Vacuum energy


3914841

Cosmological Constant() : Vacuum(Dark) Energy

1

(1915)

-  g

=8GT

R- Rg









2

(1917)

Gravitational Constant

Acceleration

4

R

R = RG +

3

3

m

Decrease

Increase

curvature

Expansion Rate

8

k

R

( )2

1

=

G

+

+

R2

3

m

R

3

Decrease

Increase

Static Universe

0 =

– (curvature, matter) + (Vacuum Energy)

“Biggest blunder in my life!”


3914841

New Cosmology (  0)

1917 : Introduced by Einstein to make a static

universe

“Biggest Blunder in my Life !”

1917 : de Sitter

1922 : Friedman Cosmology (Standard)

1929 : Hubble : Hubble’s Law (d, z)

1931 : Lemaitre Cosmology (alternative to

Friedman Cosmology)

1980 : Guth : Inflation; o = 1,

: Hoyle, Bondi, Gold : to solve an age crisis

: Solved by Sandage (1987) by a small Ho

(h0=0.42)

1997~98 : Perlmutter, Schmidt and Riess found

independently an indication of an accelerating

universe (  0 ? ) using SN type Ia (z ~ 0.5)

1998 : BOOMERANG : o ~ 1 , m < 1   0

2001 : Established ?!



BOOMERANG, MAXIMA, COBE, … New SN Type Ia data, Large scale structure Data, CMB DATA


3914841

Observed Cosmological Constant

3H0

2

= = 1.9  10-29 h2 g/cm3

c

8G

~ 8  10-30 g/cm3 for h = 0.65

  = 0.65  = 5.2  10-30 g/cm3

c

 =

8G

  = 9.7  10-57 /cm2

~ 10-35 /sec2

~ 10-82 m

2

~ 10-84 (GeV)2

~ 10-122 Mp

2

Smallest number known

in Science !


3914841

m



t

now

 was not important

Already,  > m(becoming de Sitter Universe)

Eventually  ~ = const : de Sitter Universe


3914841

Standard (k=0, =0) Cosmology

.

.

.

R

R

8G

R2 - R2 = 0 H  : Hubble parameter

R

3

.

..

.

R

RR

+(+p)3 ( ) = 0 q  - : deceleration

parameter

.

R

R2

3H2

c = :  = 2q

c

8G

1

R

x

t = 0 dx , x = : R ~ t 2/3

x

H0

Ro

1

Present : q0 = , 0 = 1

2

1

2

1

x

t0 = dx =

H0

0

3

H0

100Km

H0 = h : h = 0.65 (± 0.05)

Mpc sec

t0 =10.25 By for h = 0.65

Ageof the oldest globular clusters , white dwarf

13 ~ 15 By


3914841

Cosmology with k = 0 ,   0

.

8 G

R2 - R2 - R2 = 0

3

3

3H2

 = ,  = m +  ,

 c =

8 G

8 G

 =  m +  = 1

 

3

8 G m

3

 m = = sech 2 (  t )

3H2

2

8 G 

3

 = = tanh 2 (  t )

3H2

2

2

3

m

R(t) =

(  t )

3

,oRo

sinh

3

2

1

1

1

q = (1 - ) = ( m - 2 ) = ( 1 - 3 )

2

H2

2

2



=

3H2

1

q = 0 when  m =  : Inflexion Point

2

Deceleration  Acceleration

1

2, 0

1

3

q = (1 - 3 ) = 0 :  = H2 or Z = - 1

m, 0

2


3914841

Miracle

3

 m ~ sech 2 (  t )

2

3

 ~ tanh 2 (  t )

2

2

3

R(t) ~

sinh

(  t )

3

2

 

 ~ 10 -17/sec

3

t o ~ 10 17 sec

t ~ O (1) : Miracle !

3

Anthropic Principle ?


3914841

 =  m +  = 1

 = 1

 m



t

3.4 By

12 By

t o = 15 By

(z =1.7)

(z ~ 0.23)


3914841

Deceleration Parameter

q

1

q = [ m - 2 ]

.

2

1

= [ 1 - 3  ]

1

2

2

.

 = H2

Deceleration

0

t

.

Acceleration

0.48

1

-

2

-1

t0

t

Z ~ 0.55

Z=1.7

(2001)

(1997 ~ 2000)


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Accelerating Universe

de Sitter universe

R

k = -1, 0 < 1

k = 0, 0 = 1

k = 1, 0 > 1

t

t0=15b.y

t=0


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What Next ?

So far, Supernova Cosmology Project (Perlmutter)

High – Z Supernova Search (Schmidt)

HST (Riess)

~ 100 SN

  • Need more accurate value of X

    (To a few % accuracy)

  • Crucial to know

    if W(t) or W = constant

    and space dependence

  • CMB Experiments (Boomerang, MAP,

    Maxima, Plank, …)

    May not reach to ~ 0.05

 SDSS (Galaxy, Cluster counts), …

  • Super Nova / Acceleration Probe : Satellite

    4 years to construct, 3 year mission

    Expect to see ~2000 SN (z = 0.2 ~ 1.7)

May not be enough to see w(t)


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z

Weller and Albrecht 2001


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Are we in a false vacuum?

Vacuum energy 


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최근의 발견

초끈이론에서는Extradimension이 10-33cm 크기로 curled up 됨

Randall-Sundrum : 낮은 energy에서

Extradimension을 볼 수 있는 가능성 제시

( 즉, 10-33cm보다 클 수 있다는 가능성)

 LHC(Geneve)에서 extradimension의 흔적을 관측?

만유인력 ~  + 가능성

(r < 1mm 에서 나타남?)

동시에Dark Energy (Vacuum Energy)의 존재를

설명해 줌.

1

1

k

r2

r4

r2

우리 4차원 세계가 아닌 다른 6(7)dimension의 세계에 속해 있는 graviton들이 우리에게 Dark Energy로 보임

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Gravitons

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4D world

6(7) D world

Dark Energy로 보임


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4

5

9

Calabi-Yau Extradimensions


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Comments on Vacuum Energy

• Maybe the most fundamentally mysterious

thing in basic Science.

• Every attempt to calculate it has

gotten an absurd answer.

• Basically, people don’t have a clue

as to how to solve the problem.

• Vacuum energy would be NO.1 on my

list of things to figure out

• Right now, not only for cosmology but for

elementary particle theory, this is the bone

in our throat.


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Summary

?

Dark Energy Vacuum Energy

Vacuum Energy : Creation ?, Why so small?

Acceleration: No stars in the sky!

Why do we live now?

Life on Earth begins when

matter density = dark energy density

Most difficult problem in 21st

Century


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