sull’ espansione dell’universo - altervista
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Sull’ Espansione dell’Universo
Seminario Didattico 2014
Silvano Massaglia Dipartimento di Fisica Università di Torino
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Il quadro osservativo in cosmologia
Il Big Bang, l’inflazione e L’Universo
osservabile
E se l’Universo non si espandesse?
Sommario
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Il quadro osservativo
1. Il paradosso di Olbers 2. Hubble ed il red-shift delle galassie 3. La radiazione cosmica di fondo (CMB)
4. Le curve di rotazione delle galassie 5. Il red-shift delle supernove di tipo Ia
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Il paradosso di Olbers Il paradosso del cielo notturno o di Olbers: In un Universo statico, omogeneo e senza età il cielo notturno dovrebbe essere luminoso poiché il flusso è 1/R2 mentre il numero di oggetti R3
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Il paradosso di Olbers
1. L’Universo osservabile non è infinito, ha un raggio di 15 miliardi di parsec 2. Ha avuto un’inizio 13.7 miliardi di anni fa 3. Inoltre non è statico, ma in espansione
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Hubble scoprì l’espansione dell’Universo misurando la velocità di allontanamento delle galassie (1929)
Il red-shift delle galassie
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Hubble scoprì anche che la velocità di allontanamento aumenta con la distanza della Galassia:
DHv 0 H0=67.80±0.77 km s-1 Mpc-1
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Pagina iniziale dell’articolo di Hubble del 1929
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La radiazione cosmica di fondo
La radiazione termica residuo del Big Bang Predetta da molti negli anni ‘40, tra cui Alpher, Dicke e Gamow E’ un corpo nero quasi perfetto alla temperatura di 2.72548±0.00057 K
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La radiazione cosmica di fondo
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La radiazione cosmica di fondo
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Termodinamica dell’Universo Teoria del Big Bang caldo: l’Universo ha avuto origine da una singolarità iniziale circa 13.7 miliardi di anni fa. Per singolarità si intende l’Universo nell’era di Planck:
a = fattore di scala
L’espansione successiva ha portato l’Universo a raffreddarsi in modo adiabatico: l’Universo è, per definizione, un sistema isolato. L’Universo era, ed è, composto da materia ed energia (sotto ogni forma) e radiazione.
maKTst PP
353243 10,10,10
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Universo in espansione adiabatica
Materia e radiazione si espandono adiabaticamente accoppiate in equilibrio termodinamico. A 3000 K le particelle si ricombinano in atomi stabili, si ha il disaccoppiamento e l’Universo Diventa trasparente all’età di 380.000 anni circa. Da quel momento l’evoluzione termica differisce:
costanteparticelle
costantefotoni
costante
2
31
3/5
3/4
,
Ta
Ta
aVTV
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Universo in espansione adiabatica La radiazione quindi si comporta come un corpo nero che al passare del tempo diminuisce la sua temperatura. Il rapporto tra il fattore di scala dell’Universo oggi e quello al tempo della ricombinazione è:
quindi la temperatura della radiazione dell’Universo è:
11000 rica
a
KT
T ric 7.21100
3000
11000
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Dopo la ricombinazione i fotoni della CMB arrivano fino a noi e possono essere osservati come corpo nero a 2.7 K nella banda delle microonde.
Immagine della CMB del satellite PLANCK.
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L’immagine della CMB del satellite PLANCK, e dei suoi predecessori, sono di una grande isotropia anche in regioni dell’Universo molto lontane tra loro: Problema della grande isotropia dell’Universo Inflazione cosmica?
510
T
T
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Le curve di rotazione galattiche
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Le curve di rotazione galattiche
20
Le curve di rotazione galattiche
2
2
2
.
rrrrM
constrv
r
MGrv
r
mMG
r
mv
se:
allora:
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Le curve di rotazione delle galassie e le osservazioni X di gas intracluster in equilibrio idrostatico possono essere interpretate con aloni di materia oscura Già le prime osservazioni di dinamica di galassie in ammassi di Zwicky (1933) mostravano discrepanze tra la massa emittente e quella gravitazionale
La materia oscura
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Il weak gravitational lensing è un terzo elemento osservativo interpretabile dalla presenza di massa oscura
La materia oscura
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Candidati alla massa oscura: 1. WIMPs: Weakly Interacting Massive Particles particelle supersimmetriche di massa intorno a 100 GeV 2. Assioni: particelle di massa 1 eV predette dalla "Peccei-Quinn symmetry"
La materia oscura
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MOND: MOdified Newtonian Dynamics
Interpretazioni alternative
Curva di rotazione piatta
La teoria MOND intepreta le osservazioni, compreso il lensing (nell’estensione relativistica), ma non il Bullet Cluster
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Il Red-shift delle Supernove Le osservazioni fotometriche e spettroscopiche delle curve di luce delle Supernove lontane di tipo Ia (candele standard) mostrano red-shift minori di quelli previsti dalla legge di Hubble
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Il Red-shift delle Supernove
L’espansione dell’Universo sarebbe più rapida al tempo attuale che nel passato
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Parametri fondamentali Modello ΛCDM
L’espansione dell’Universo sarebbe più rapida al tempo attuale che nel passato
𝜌𝑐 =3𝐻0
2
8𝜋𝐺, Ω𝑀 =
𝜌𝑀
𝜌𝑐𝑟𝑖𝑡 , ΩΛ =
Λ
𝜌𝑐𝑟𝑖𝑡
𝜌𝑀=𝜌𝑑𝑚 + 𝜌𝑏𝑎𝑟
Ω𝑡𝑜𝑡 = Ω𝑀 + ΩΛ = 1 Per un Universo piatto
Da Planck: Ωdm=26.8%, Ωbar=4.9%, ΩΛ=68.3%
Planck 2013 TT angular spectrum
Flat for Harrison--‐Zeldovich
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Il Big Bang La teoria del “Big Bang caldo” è in accordo con le principali evidenze osservative
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Il Big Bang e l’inflazione
La teoria implica che 1) l’Universo ha un’età finita (13.7 miliardi di anni) ed una dimensione finita La grande omogeneità della CMB viene intepretata dall’inflazione cosmica avvenuta nei primi istanti
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Il Big Bang e l’inflazione
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Il Big Bang e l’inflazione
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L’inflazione
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L’inflazione
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L’inflazione
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L’oggetto più lontano osservato dal Satellite a raggi gamma Swift a redshift z=8.2, che corrisponde ad un Universo vecchio di 630 milioni di anni con velocità di espansione di 293.000 km/s Osservato in infrarosso al telescopio di Mauna Kea (Hawaii)
GRB 090423
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Teoria alternativa La teoria interpreta le osservazioni cosmologiche con la presenza di un cosmon scalar field (simile al campo di Higgs) che fornisce le masse alle particelle, ma in modo non costante nel tempo. Le masse degli atomi aumentano esponenzialmente nel tempo, le loro dimensioni spaziali diminuiscono e la frequenza delle transizioni atomiche anche aumenta nel tempo red-shift cosmico
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Teoria alternativa Solo il rapporto tra le distanze tra galassie e il raggio atomico sono osservabili. L’aumento del rapporto sarebbe dovuto alla diminuzione del raggio atomico L’Universo non si starebbe espandendo, ma si contrarrebbe Non ci sarebbe stata una singolarità iniziale (Wetterich 2013)
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Grazie per l’attenzione
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