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현대우주론 : 암흑 에너지

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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Presentation Transcript

  1. 현대우주론:암흑 에너지 김 정 욱 고 등 과 학 원 (Korea Institute for Advanced Study) Johns Hopkins 대학교

  2. 자연의 4가지 힘 (상호작용) 강(강) 상호작용~ 1 1 전자기(전자기) 상호작용 ~ 137 -5 약(약) 상호작용 ~ 10 -40 중력(중력) 상호작용 ~ 10

  3. 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

  4. 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

  5. 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

  6. 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

  7. 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

  8. 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 …

  9. 우 주 론 -탄생, 진화, 종말-

  10. 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 ?

  11. 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

  12. 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

  13. 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

  14. 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

  15. 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

  16. Einstein’s Equation of Gravity (1915) 1 R - Rg - g = 8 GT 2 Space-time matter Cosmological Constant (1917 )   0  Negative Pressure Vacuum energy

  17. 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

  18. Fate of the Universe R k = -1, 0 < 1 k = 0, 0 = 1 k = 1, 0 > 1 ○ t t = 0 t0= 15 Bys

  19. 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

  20. 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

  21. Phase Transition T > Tc  T = Tc  T < Tc 

  22. 인플레이션 곡률 없는 우주 o = 1 3 x 3 x 3

  23. Matter in The Universe  0 = 1 ? Dark Matter < 10 % ~ 1 % (Visible) Ordinary Matter ( proton, neutron, … )

  24. Matter and Dark Energy in The Universe  0 = 1 ? ?  = 0.65 X ?  = 0.35 m < 10 % < 1 % (Visible) Ordinary Matter : proton, neutron, neutrino…

  25. x 1 SN Type Ia 0.65 BOOMERANG Maxima (CMB) 0.5 LSS GL 0.0 1 0.35 0.5 matter

  26. 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) ~

  27. 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

  28. °  t ~ 360,000 년 : T ~ 3000 K 1  당시 우주의 크기는 지금의 1000 •    : 양자 •   •  • •: 전자 • • :광자(빛)   • • •   • •  •   •  •  •  수소(H)원자  •   • •  •  •  •

  29. Curvature of the Universe CMB   = 1, k = 0 ( flat ) 0 1°  (Observer)   > 1, k = + 1 ( Closed ) 0    < 1, k = – 1 ( Open ) 0 

  30. Boomerang determines the curvature K = -1 K = 0 K = + 1

  31. 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

  32. 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 !

  33. ‥ 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

  34. • 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

  35. SN Type Ia (Standard candle) Z = 0.2 m  Z = 0.5 m  Z = 1.0 m  Z = 1.7 m   0

  36. Z=1.7

  37. 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

  38. 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

  39. 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

  40. 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!

  41. 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, … ) )

  42. Einstein’s Equation of Gravity (1915) 1 R - Rg - g = 8 GT 2 Space-time matter Cosmological Constant (1917 )   0  Negative Pressure Vacuum energy

  43. 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!”

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