Sull Espansione dell Universo. Silvano Massaglia Dipartimento di Fisica Università di Torino

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1 Sull Espansione dell Universo Silvano Massaglia Dipartimento di Fisica Università di Torino Seminario Didattico

2 Sommario Il quadro osservativo in cosmologia Il Big Bang, l inflazione e L Universo osservabile E se l Universo non si espandesse? 2

3 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 3

4 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/R 2 mentre il numero di oggetti R 3 4

5 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 5

6 Il red-shift delle galassie Hubble scoprì l espansione dell Universo misurando la velocità di allontanamento delle galassie (1929) 6

7 Hubble scoprì anche che la velocità di allontanamento aumenta con la distanza della Galassia: v H D H 0 =67.80±0.77 km s -1 Mpc

8 Pagina iniziale dell articolo di Hubble del

9 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 ± K 9

10 La radiazione cosmica di fondo 10

11 La radiazione cosmica di fondo 11

12 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: t P s, T 10 a = fattore di scala L espansione successiva ha portato l Universo a raffreddarsi in modo adiabatico: l Universo è, per definizione, un sistema isolato. 32 K, a P m L Universo era, ed è, composto da materia ed energia (sotto ogni forma) e radiazione. 12

13 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 anni circa. Da quel momento l evoluzione termica differisce: TV 1 costante, V fotoni 4 / 3 particelle 5/ 3 a 3 Ta Ta 2 costante costante 13

14 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: a a ric quindi la temperatura della radiazione dell Universo è: T 3000 T ric 2. 7K

15 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. 15

16 16

17 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: T T 10 5 Problema della grande isotropia dell Universo Inflazione cosmica? 17

18 Le curve di rotazione galattiche 18

19 Le curve di rotazione galattiche 19

20 Le curve di rotazione galattiche mv r 2 G mm r 2 v r G M r se: v r const. allora: M r r r r 2 20

21 La materia oscura 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 21

22 La materia oscura Il weak gravitational lensing è un terzo elemento osservativo interpretabile dalla presenza di massa oscura 22

23 La materia oscura 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" 23

24 Interpretazioni alternative MOND: MOdified Newtonian Dynamics Curva di rotazione piatta La teoria MOND intepreta le osservazioni, compreso il lensing (nell estensione relativistica), ma non il Bullet Cluster 24

25 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 25

26 Il Red-shift delle Supernove L espansione dell Universo sarebbe più rapida al tempo attuale che nel passato 26

27 Parametri fondamentali Modello ΛCDM L espansione dell Universo sarebbe più rapida al tempo attuale che nel passato ρ c = 3H 0 2 8πG, Ω M = ρ M ρ crit, Ω Λ = Λ ρ crit ρ M =ρ dm + ρ bar Ω tot = Ω M + Ω Λ = 1 Per un Universo piatto Da Planck: Ω dm =26.8%, Ω bar =4.9%, Ω Λ =68.3% 27

28 Planck 2013 TT angular spectrum Flat for Harrison-- Zeldovich

29 Il Big Bang La teoria del Big Bang caldo è in accordo con le principali evidenze osservative 29

30 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 30

31 Il Big Bang e l inflazione 31

32 Il Big Bang e l inflazione 32

33 L inflazione 33

34 L inflazione 34

35 L inflazione 35

36 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 km/s GRB Osservato in infrarosso al telescopio di Mauna Kea (Hawaii) 36

37 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 37

38 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) 38

39 Grazie per l attenzione 39

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