Confronting physics with the cosmos

1. Confronting physics with the cosmos 张鹏杰 中科院上海天文台 科大交叉学科理论研究中心，2008

2. 报告概要 • 天文学的历史巨变 • 困惑 • 机遇 • 当物理遇到宇宙 • 宇宙初条件 • 宇宙学原理？ • 物理规律 • Testing general relativity in the cosmos • 时空维度 • 场方程 科大交叉学科理论研究中心，2008

3. Dark energy is bad for astronomy Dark energy can be good for astronomy ArXiv:0708.1199 ArXiv:0704.2291 科大交叉学科理论研究中心，2008

4. 天文学的转变 价值观的 激烈冲突 把宇宙当成动 物园和植物园， 越丰富越美好 梦想把世界还原成 几个原理，几个常 数，几个方程 天体物理 已知物理规律 传统 天文 未知物理规律 暗物质 暗能量 修正引力 sterile neutrino 、、、 当代天体物理的重要方向 科大交叉学科理论研究中心，2008

5. Laboratories in the cosmos 科大交叉学科理论研究中心，2008

6. In observational astronomy, nothing is impossible(1) CMB （1978 and 2006 Nobel prizes)(2) Weak lensing. Measure images of million galaxies billionsof light years away at 1% accuracy A factor of ~100 improvement LSST Euclid SKA SNAP Fu et al. 2007 ~2015-2020 Wittman et al. 2000 科大交叉学科理论研究中心，2008

7. Cluster abundace Type Ia supernovae Weak gravitational lensing Peculiar velocity (bulk flow) Baryon acoustic oscillation CMB mid-90s 1998- 2000- 2001- 2005- 2000：Boomerang、Maxima和宇宙平坦性 2002：DASI和CMB偏振 2003：WMAP和精确宇宙学 2003： ISW效应 2007：CMB lensing They make dark energy "luminous" 科大交叉学科理论研究中心，2008

8. 二十一世纪的十一个问题 暗物质 暗能量 宇宙起源 引力性质 中微子 额外维度 科大交叉学科理论研究中心，2008 甚高能标物理

9. 暗物质 暗能量 大尺度上的引力性质 甚高能高密 实验室 普朗克 能标物理 暴涨场 引力波 高密度区 强子物理 小尺度上的 引力性质 精细结构常数的演化 洛仑兹不变性的检验 中微子质量和species 科大交叉学科理论研究中心，2008

10. 报告概要 • 天文学的历史转变 • 困惑 • 机遇 • 当物理遇到宇宙 • 宇宙初条件 • 宇宙学原理？ • 物理规律 • Testing general relativity in the cosmos • 时空维度 • 场方程 科大交叉学科理论研究中心，2008

11. 宇宙初始条件 • 伽利略时代：物理学的里程碑 • 意识到初始条件和物理规律的区别 • 通过物理实验设定初始条件 • 物理规律才可能从变化多端的物理现象中分离出来！ • 同样的革命正在天文领域发生！ • 天文学：无法设定宇宙初始条件 • 但是当代天文学能够直接观测宇宙的初始条件！感谢保存在时间里的宇宙化石！ • 宇宙原初扰动是高斯、绝热、接近标度不变的吗？ • 对标度不变的偏离 • 非高斯性（？） • 非绝热性（？） • 宇宙学原理？ 科大交叉学科理论研究中心，2008

12. 宇宙学原理 • 我们在宇宙中的位置 • 哥白尼原理：宇宙没有中心 • 宇宙学原理：宇宙不仅仅没有中心（均匀的），而且是各向同性的。这个宇宙由FRW模型描述 • 我们能够检验这个基本原理或者基本假设吗？ • CMB • The kinetic Sunyaev Zel'dovich effect • Other probes • 这个基本原理的破坏会导致什么？ • Dark energy as an illusion 科大交叉学科理论研究中心，2008

13. 各向同性的宇宙 • CMB观测表明，宇宙在统计上是各向同性的。 • 有争议！ 但是，严格来说，CMB只证明， 对我们来说， 宇宙是各向同性的！ 科大交叉学科理论研究中心，2008

14. The LTB universe • Lemaitre-Tolman-Bondi model • The universe is onion-like • Mass distribution is isotropic with respect to the center • But varies along the radial direction • We live near the center • Isotropic with respect to us (and only to us) 科大交叉学科理论研究中心，2008

15. LTB: "cosmic accelaration" without dark energy 在这个非均匀的宇宙 中，超新星会变得比 均匀宇宙（FRW）中 暗 如果我们假设宇宙是 均匀各向同性的（宇宙 学原理），就会误以为 宇宙在加速膨胀，误以 为暗能量存在或者广义 相对论需要修改 低密度区 （void) 既然我们只能从地球观测宇宙， 我们如何区分LTB模型和FRW模型？ 科大交叉学科理论研究中心，2008

16. 2008， PRL arxiv:0711.3459 电离宇宙是一面镜子 能够反射其他区域的 CMB光子到达我们， 从而告诉我们对哥白 尼原理的偏离 对黑体谱的偏离 科大交叉学科理论研究中心，2008

17. Moving mirrors: the kinetic Sunyaev Zel'dovich effect 微波背景参考系 物质随动参考系 Violation of the Copernican principle prediction • 对哥白尼原理的违背造成微波背景参考系和物质随动参考系的相对运动 • 运动的散射镜产生the kinetic Sunyaev Zel'dovich 效应 在均匀宇宙中， 两个参考系重合， 没有相对运动 observations 科大交叉学科理论研究中心，2008

18. 报告概要 • 天文学的历史转变 • 困惑 • 机遇 • 当物理遇到宇宙 • 宇宙初条件 • 宇宙学原理？ • 物理规律 • Testing general relativity in the cosmos • 时空维度 • 场方程 科大交叉学科理论研究中心，2008

19. General relativity and GR testsfrom ~10^-5 m to ~10^13 m • perihelion shift • light deflection • time dilation/frequency shift • orbital decay (gravitational wave) • time delay • geodetic effect • ?frame dragging effect (e.g. General covariance Tensor analysis Field equation Equivalence principle • Confirmed at 10^(-13) General principle of relativity 科大交叉学科理论研究中心，2008

20. 额外维度（1）：引力波 D(GW) • Independent methods to measure the distances. • D(EM): from EM waves (SN, BAO, maser, etc) • D(GW): from gravitational waves (GW) • If gravity is GR in 4D, then D(GW)=D(EM) • Otherwise, interesting things can happen • Example: if GW can leak into the 5th dimension, as in 5D braneworld DGP, • D(GW)>D(EM) D(EM) Deffayet & Menou, 2007 科大交叉学科理论研究中心，2008

21. 额外维度：星系团密度轮廓 Qin, Pen & Silk 2005 科大交叉学科理论研究中心，2008

22. 对场方程的检验宇宙学检验和太阳系检验的本质区别对场方程的检验宇宙学检验和太阳系检验的本质区别 • 相对论 • 时空弯曲项=物质、能量项 太阳系试验： 可测 可测 宇宙学检验：未知！！ 暗物质、暗能量、 有质量的中微子 科大交叉学科理论研究中心，2008

23. Dark matter/dark energy? Modified gravity? Modified gravity non-minimally coupled to matter/energy Modified gravity minimally coupled to matter Dynamical DE The standard cosmology is based upon GR and is consistent with observations 科大交叉学科理论研究中心，2008

24. We are able to put everything together to reconstruct the elephant! CMB lensing peculiar velocity the dark universe SNe Ia BAO cluster abundance 科大交叉学科理论研究中心，2008

25. Probes of the expansion (zeroth order) • Type Ia supernovae (standard candles) • Baryon acoustic oscillation in LSS and CMB (standard ruler) • Fundamental plane, Faber-Jackson & Tully-Fisher of galaxies • Age (globular clusters, galaxy age-z..) • Gravitational lensing time delay • SZ-X ray cluster fluxes • Cluster gas fraction • Gamma ray bursts • Alcock-Paczynski (AP) test • Water maser • .... • Standard sirens (GWs from black hole binaries) • Sandage-Loeb test • ..... 科大交叉学科理论研究中心，2008

26. Probes of the large scale structure (first order) They may not probe what we think that they probe!! • gravitational potentials • Gravitational lensing • Galaxy/cluster peculiar velocities • The integrated Sachs-Wolfe effect • density • galaxy clustering • cluster abundance • fluid velocity • The kinetic Sunyaev Zel'dovich effect? ? Refer to Jain & ZPJ, 2007 arXiv:0709.2375 for details ? 科大交叉学科理论研究中心，2008

27. Consistency check of GR at cosmological scales The rate of structure growth The expansion rate Consistency relation observables 科大交叉学科理论研究中心，2008

28. Consistency check of GR: Real data!! Expansion Consistent with GR structure growth Wang et al. 2007 arXiv:0705.0165 科大交叉学科理论研究中心，2008

29. 自洽关系后面的物理 = 科大交叉学科理论研究中心，2008

30. ZPJ et al. 2007; Amendola et al. 20074 Caldwell et al. 2007; Bertschinger& Zukin. 2008 Also Uzan 2006 Hu & Sawicki 2007 = 科大交叉学科理论研究中心，2008

31. 引力透镜 • cosmic shear • 用我们2005年提出的宇宙放大效应分析方法 • CMB/21cm lensing 本动速度： 利用红移畸变 科大交叉学科理论研究中心，2008

32. 4个引力模型: GR，f(R)，DGP，TeVeS 第四阶段宇宙学项目能够 在1%的精度上 在宇宙学尺度上 检验泊松方程！ 科大交叉学科理论研究中心，2008

33. 测量时空的相对扰动： DGP dark energy with anisotropic stress • eta quantifies how a mass concentration distorts space with respect to time 结合这两种检验方法，在十年 到二十年之内，我们或者能够 在1%的精度上检验广义相对 论，或者能够在1%的精度上 否定广义相对论。 我们提出的检验方法依赖的假 设非常少，所以这个1%是一个 保守估计。 总之，二十年以内，一定有令 人振奋的事情发生。 TeVeS ZPJ et al. to be submitted to PRL SKA forecast 科大交叉学科理论研究中心，2008

34. 总结 • 天文学正在成为探索基础物理规律的精密实验室 • 宇宙是一个巨大的交叉学科中心！ 科大交叉学科理论研究中心，2008

35. Sign of violation: the cosmic axis of evil 宇宙存在一个特殊取向？ 邪恶轴心！ 科大交叉学科理论研究中心，2008

36. 科大交叉学科理论研究中心，2008

37. Testing the (generalized) Poisson Equation ? = from peculiar velocity Gravitational lensing Galaxy redshifts to recover redshift information (2D ->3D) 科大交叉学科理论研究中心，2008

38. Poisson equation! galaxy-galaxy lensing A discriminating probe of gravity Linear density growth rate f redshift distortion • No dependence on galaxy bias • No dependence on the shape and amplitude • of the matter power spectrum, in the linear regime • Scale independent in LCDM and QCDM, whose amplitude is completely fixed by the expansion rate • Contains smoking guns of modifications in gravity and particle physics • Changes in the amplitude • Violation of the scale independence 科大交叉学科理论研究中心，2008