Kosmologia realistyczna Marek Kutschera 05 V 2009 IPJ

Age of Earth controversy

Kelvin vs Darwin (physics vs geology)

Kelvin: Słońce i Ziemia powstały równocześnie Słońce wyświeca energię termiczną (efekt kontrakcji) Tej energii starczy na 30 mln lat Darwin: Erozja skorupy ziemskiej wymaga co najmniej 300 mln lat W takim czasie może działać ewolucja

Kelvin przekonywał, że geologowie w błędzie – i wierzono mu! Darwin zwlekał z publikacją swojej teorii.

Realistyczne rozwiązanie Aston: m( 4 He)<m(4H) Eddington: ΔE= (m(4H)-m( 4 He))c 2

Kelvin sądził, że zna pełną fizykę – założył, że w Słońcu nie ma paliwa. REALISTYCZNA astro- i kosmofizyka: oparta o twarde fakty empiryczne Droga odwrotna: przypadek Kelvina ostrzeżeniem!

Czy następne zdjęcia to szowinistyczny bariocentryzm?

Model kosmologiczny ΛCDM Świecąca materia zaledwie 0.5% masy we Wszechświecie 99.5% masy niewidoczne w tym 4% materii barionowej 25% ciemnej materii niebarionowej 70% energii próżni wywierającej antygrawitację

Gromady galaktyk: ciemna materia –Gromada Coma: Zwicky niewidoczna masa –Optycznie: ponad 1000 galaktyk –Obraz rentgenowski: gorący gaz T ~10keV

–Gromady Abella : –tysiące galaktyk –Zanurzone w obłoku gorącego gazu (rentgenowskiego)

Najbliższa gromada Virgo: ponad 2000 galaktyk

–Gorący gaz w gromadach (T ~ 1-15 keV) śledzi rozkład ciemnej materii –Cisnienie gazu równoważone przez grawitację ciemnej materii

Skład gromad galaktyk: Masa gwiazd w gromadach: ~ 1% Masa gorącego gazu: ~ 15% Masa ciemnej materii: ~85% Czy ciemna materia wystepuje w pojedynczych galaktykach: Eliptycznych? Spiralnych?

–Romanowsky et al. (2003) zbadali ruch mgławic planetarnych w galaktykach eliptycznych –niebieskie się zbliżają –czerwone się oddalają –Dynamicznie zmierzono masę

–Dyspersja prędkości spada keplerowsko –Dynamicznie zmierzona masa zgodna z masą gwiazd –Brak ciemnej materii

–Czy ciemna materia wystepuje w galaktykach spiralnych? –Płaskie krzywe rotacji

Mit płaskich krzywych rotacji jako dowodu obecnosci halo ciemnej materii: –Za mało świecącej materii –Gwiazdy w dysku rotują za szybko! –Co utrzymuje galaktykę w całości? Najprostsza odpowiedź: jest wiecej materii nieświecącej

Dysk zanurzony w ogromnym halo ciemnej zimnej materii zbudowanym z hipotetycznych cząstek neutralnych oddziałujących - jak neutrina lub słabiej masywnych ( mas protonu)

Istnieją galaktyki spiralne w których nie może być sferycznego halo

Velocity [km/sek] standard modelling of rotation curves 3 arcsec NGC 4736 (M94) luminosity velocity [km/s] radius [kpc] 3 arcsec Standard approach: input: luminosity profile 1. luminosity profile decomposition : central bulge + disk 2. mass densities assumed proportional to luminosities 3. the missing mass added in the form of the spherical dark halo output: constant mass-to-light ratios & the amount of missing mass Our approach: (reduces the amount of dark matter) input: rotation curve + mass distribution outside the cutoff radius 1. Global Disk Model + Iterative Spectral Method output: the global mass distribution ( in perfect agreement with rotation curve ) & the mass-to-luminosity ratio profile cutoff radius Kent, 1987, AJ, 93, 816

rotation curves of many disk-like objects satisfy the sphericity condition, e.g. Not all galaxies are dominated by spherical mass distribution the global disk model can be applied to these galaxies sphericity test

convergence through iterations rotation curves are not enough, for completeness, additional data required: e.g. hydrogen distribution in the remotest regions 12

the total mass: 34 billion of Solar masses the global IR -band mass-to-light ratio: 1.2 in Solar units Astronomers: problems in fitting their model to observations 2/3 of total mass of the galaxy in the form of Dark Matter Our approach: a consistent global mass distribution, excellent reconstruction of rotation curve Dark Matter?, maybe some A SAMPLE OF OUR RESULTS

Inni autorzy: Kuijken i Gilmore 1989: –Nie ma znaczącej ilości ciemnej materii w dysku Naszej Galaktyki w okolicy Słońca

Braun 1991: Galaktyka w Andromedzie (M31) –Do 28 kpc nie potrzeba innego składnika, poza gwiazdami, do wyjaśnienia krzywej rotacji –Stosunek masa jasność w dysku, w filtrze niebieskim: 6.5 M sun /L sun

Is there dark matter halo around our Galaxy? Saggitarius flow: Tidally disrupted small galaxy Debris fall into the Galaxy 3 times wraps around the Galaxy Stars not dispersed in 1 billion years Smooth gravitational field, incompatible with CDM scenario of merging subhalos.

Ciemna materii w galaktykach spiralnych – filar modelu kosmologicznego Bez ciemnej materii obecny model kosmologicz- ny upada!

Galaktyki spiralne w modelu są pierwotne –Galaktyki eliptyczne powstają z połączenia spiralnych –Gromady galaktyk powstają później jako skupiska galaktyk już istniejących Galaktyki mogą powstać tylko dzięki ciemnej materii: –Fluktuacje promieniowania tła (COBE, WMAP,....) ograniczają zaburzenia barionowe w chwili rekombinacji do Δρ/ρ~10 -5 –Takie zaburzenia bez ciemnej materii obecnie miałyby amplitudę Δρ/ρ~10 -2

CDSM 2008

–February 25, 2008 Crystal bells stay silent as physicists look for dark matter –U.S. experiment retakes the lead in competitive race Batavia, Ill.--Scientists of the Cryogenic Dark Matter Search experiment today announced that they have regained the lead in the worldwide race to find the particles that make up dark matter. The CDMS experiment, conducted a half-mile underground in a mine in Soudan, Minn., again sets the worlds best constraints on the properties of dark matter candidates. –With our new result we are leapfrogging the competition, said Blas Cabrera of Stanford University, co-spokesperson of the CDMS experiment, for which the Department of Energys Fermi National Accelerator Laboratory hosts the project management. We have achieved the worlds most stringent limits on how often dark matter particles interact with ordinary matter and how heavy they are, in particular in the theoretically favored mass range of more than 40 times the proton mass. Our experiment is now sensitive enough to hear WIMPs even if they ring the bells of our crystal germanium detector only twice a year. So far, we have heard nothing.

Realistic cosmology Do not repeat Kelvin mistake: do not pretend that gravity known at large distances Take seriousely laboratory experiments: –No flux of WIMPs etc. at Earth –No stable non-baryons in accelerator experiments

Wszechświat barionowy Bez ciemnej materii struktury w ekspandującym wszechświecie powstają znacznie wolniej – Wszechświat znacznie starszy!

Obserwacje najdalszych galaktyk Nieoczekiwane wyniki poszukiwań najmłodszych galaktyk : Hubble, VLT, Gemini, Subaru, Spitzer Poszukiwane baby galaxies okazały sięsurprisingly matured. Odkryto –populację starych galaktyk –old, red and dead –eliptycznych i spiralnych –bardzo masywnych (Droga Mleczna+) –z>3

Epoch, when we see the galaxies time t(z) and from t(z) to t 0 - now (billion years) z t(z) t 0 -t(z)

Błysk gamma z=8.2 W modelu LambdaCDM to 600 mln lat po big- bangu

Rewizja teorii grawitacji? –Najbardziej dotkliwe milczenie Wszechświata: w zakresie fal grawitacyjnych!

–Caltech, Pasadena, January 2, 2008: –On February 1, 2007, the Konus-Wind, Integral, Messenger, and Swift gamma-ray satellites measured a short but intense outburst of energetic gamma rays originating in the direction of M31, the Andromeda galaxy, located 2.5 million light-years away. The burst had occurred along a line of sight that was consistent with it originating from one of Andromeda's spiral arms, and a binary coalescence event--the merger of two neutron stars or black holes, for example--was considered among the most likely explanations. Such a monumental cosmic event occurring in a nearby galaxy should have generated gravitational waves that would be easily measured by the ultrasensitive LIGO detectors..... –During the intense blast of gamma rays, known as GRB070201, the 4-km and 2-km gravitational-wave interferometers at the Hanford facility were in science mode and collecting data. They did not, however, measure any gravitational waves in the aftermath of the burst

Nowa składowa grawitacji? Anomalie Pioneerów 10 i 11 Flyby anomalies –Niewyjaśnione przyśpieszenia grawitacyjne, – cm/s 2