Overview of Observational Cosmology

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1 Overview of Observational Cosmology
이수종 서울대학교 자연대학 물리학부

2 표준우주모형 출발점: 우주의 역사 거대우주의 균질성,등방성 일반상대성이론, Mach Principle
우주는 고온, 고압 `빛’의 가스로 탄생 우주는 팽창하며 단열냉각 최초 3분간, 기본 원소 모두 생성 50만년 이후, 중성원자 만들어짐 1억년 이후, 항성 생성 10억년 이후, 은하와 퀘이져 생성

3 우주론의 기본 형식

4 우주 관측 물리량 허블 상수 H = (dR/dt)/R 감속 상수 q = (d [1/H]/dt) + 1 우주 상수
baryon/photon light/mass ~ baryon/dark matter mass inhomogeneity ~ *** (cosmological perturbation theory)

5 우주론의 미해결 문제들 `왜’ 우주는 거대하고 오래 살았는가? `왜’ 우주는 평평한가? (flatness problem)
`왜’ 우주는 균일한가? (horizon problem) `왜’ 우주의 전체에너지는 거의 0에 가까운가? (= 우주의 운명을 알 수 있는가?) 은하형성을 야기시킨 물질요동의 기원은 `무엇’인가? 우주를 구성하고 있는 주요 성분은 `무엇’인가?

6 표준모형 (~1985) 실험: * Primordial nucleosynthesis (% ~0.0001)
* COBE (% ~ ) 이론: 일반상대론 (how precise & why working?) 빛 vs. 암흑 성분 (who ordered `dark’ & Is God perturbation theorist?)

7 인플레이션 우주모형 (Inflationary Cosmology)
물리적 동기: 부자연 스러운 표준 우주모형의 `평평성 문제’ 와 `지평선 문제’ 해결  [dR/dt] >0 그리고 d[dR/dt]/dt >0 내용: 우주 진화 초기, 급격한 팽창(“inflation”) 기간이 진공에너지 (“vacuum energy”)에 의하여 발생됨 예측: 우주는 평평하다 우주는 거대하다 물질요동은 모든 공간범위에서 일정 (scale invariant) 물질요동의 통계 특성은 Gaussian 분포를 보임

8 거대구조 형성이론 인플레이션 기간중 발생한 물질요동은 팽창하여 우주지평선 바깥에서, 진화 정지상태를 이룬다.
인플레이션 이후, `빛에너지’ 기간중, 물질요동은 다시 우주지평선 안으로 진입한다. 그러나, 빛과 이론의 영향으로 요동크기는 증가하지 않는다. `물질에너지’ 기간중, 물질요동은 중력의 작용에 따라 크기가 증가한다. 강한 중력의 영향으로 퀘이져, 은하, 은하단들이 차례로 형성되어간다.

9 1990년대의 관측우주론 암흑물질(dark matter)의 밀도는 임계밀도의 ~30% 정도
은하단의 질량/광도 비율 은하단에서의 정상물질/암흑물질 비율 은하 속도분포 측정 거대구조 형성속도 중력 렌즈효과 정상물질의 밀도는 임계밀도의 5% 이내 Question: 나머지 ~65%는 어떤 구성성분?

10 암흑물질 Key Stepstones 직접적인 검출: non-baryonic matter (획기적인 검출기의 개발 요망)
입자물리학의 발전: WIMPs, SUSYs (핵융합 He, D 분율 정도의 정밀도 요망) 거대구조 형성이론 발전: dominant mass (CDM 모형의 fine-level tuning)

11 우주상수 (진공에너지)! 진공은 에너지를 가질 수 있다 (양자요동효과). 이 경우, 일반상대성이론에 의하여, 시공간은 휘어진다. 우주상수: 아인쉬타인에 의하여, 우주론에 처음 제창되었음. 소립자물리학의 중요한 미해결 문제중 하나: 우주상수 = 진공의 양자요동에 의한 에너지 우주상수가 부자연스럽게 작다 – 미시적 기원은 무엇인가? “우주상수문제” 인플레이션 우주론의 문제점들을 해결 실험검증할 수 있는 정밀예측을 제공 우주의 나이 원거리 광원의 밝기 우주의 시공간 구조

12 초신성(Supernovae): 우주구조 조사방법 제공
초신성 = 이상적인 표준광도계 밝다 균일하게 분포한다 보편적으로 나타난다 최근 대형정밀 카메라의 개발로 높은 `적색편이’ 영역의 우주구조에 대한 관측,실험 가능

13 초기우주의 사진: 우주배경복사 `빛에너지’ 기간: (50만년 까지) 이온, 전자가 고온의 빛과 강하게 결합.
중성화 시기: (50만년경) 우주온도가 낮아짐, 이온,전자가 결합, 원자 형성. 빛은 분리되어, 자유롭게 돌아다니게 됨. The universe became transparent! 물질의 분포요동이 우주배경복사의 분포요동으로 기록이 됨 요동평균거리 = 50만년 동안 빛의 진행거리 우주배경복사 요동관측 정밀실험으로 `인플레이션 우주론’의 정량 검증 가능

14 물질요동분포의 통계 물질요동분포의 통계적 성질 요동의 종류 우주의 기하적 구조 정상물질/암흑물질 비율 정상물질/빛 비율
물질요동 스펙트럼 항성형성의 역사 중력파의 예측 Mention Amber Miller

15 Precision Cosmology 우주배경복사 정밀실험: MAP + ballon exp.s 관측결과 2002년 후반 시작

16 CMB 요동의 정밀 관측 가능 미세정밀측정 가능이유 고속스위칭에 의한 대칭 실험 가능 Spin 가능 Precession 가능
거의 모든 solid angle 관측 가능

17 기대되는 실험 결과 Data와 모형 정밀 비교 parameter의 정밀관측: Sloan 디지털 survey
Geometry (W) to 1% Matter density (rm/rr) to 5% Baryon density (rm/rg) to 5% Power spectrum Sloan 디지털 survey Million galaxy survey 보다 깊은 z의 Supernova 관측 가능

18 예측과학으로서의 우주론 실험관측결과가 표준모형과 맞을 경우: 맞지않을 경우: 암흑물질의 정체는 무엇인가?
우주상수의 정체는 무엇인가? --- 초끈이론? 입자물리학 혹은 초끈이론에서 `인플레이션 우주론’을 설명할 수 있는가? 은하들은 어떻게 형성되었는가? 맞지않을 경우: 일반상대론의 불완전함을 의미 ---- 초끈이론, 양자중력, 양자우주론

19 비 Gaussian 요동 동기: rich cluster의 강한 상관함수 모형: 초끈이론의 `타키온’+인플레이션
결과: non-Gaussian scale-invariant definitive wave-vector dependence (angle & magnitude)

20 Exciting Time for the Next Two Decades from the SKY!
Prospect Exciting Time for the Next Two Decades from the SKY!