Inflaatio ja rakenteiden synty

Abstract

Kosmologian standardimallina tunnettu LCDM-malli on vakiinnuttanut asemansa parhaana mahdollisena selityksenä viimeaikaisille kosmologisille havainnoille. Ilman ns. inflaatiovaihetta malli törmää kuitenkin varhaista maailmankaikkeutta koskeviin vakaviin ongelmiin. Se ei kykene antamaan selitystä avaruuden laakeudelle, taustasäteilyn tasaisuudelle, raskaiden reliikkihiukkasten puuttumiselle ja taustasäteilyn anisotropioille. Edellä mainittujen ongelmien ratkaisuksi on esitetty kosmologista inflaatiota, jonka mukaan hyvin varhainen maailmankaikkeus on käynyt läpi kehitysvaiheen, jossa sen koko kasvoi lähes eksponentiaalisesti. Tässä pro gradu -tutkielmassa perehdytään lähdeaineiston avulla inflaation fysikaaliseen perustaan ja siihen, kuinka se ratkaisee standardikosmologiassa esiintyvät ongelmat. Erityisesti pyritään ymmärtämään taustasäteilyn anisotropioiden syntyä, sillä ne heijastelevat varhaisia tiheysperturbaatioita, joista on ajan myötä kehittynyt universumin suuren mittakaavan rakenne. Tutkielmassa nähdään, että pelkkä eksponentiaalisesti kiihtyvä laajeneminen ratkaisee kolme ensimmäistä ongelmaa. Lisäksi anisotropiat voidaan selittää inflaation aikana tapahtuvilla kvanttifluktuaatioilla, jotka indusoivat häiriöitä gravitaatiopotentiaaliin ja sitä kautta taustasäteilyn lämpötilaan. Perturbaatioiden tarkkaan käsittelyyn tarvitaan kosmologista häiriöteoriaa, jolle on tutkielmassa omistettu oma kappaleensa. Erilaisia inflaatiomalleja on hyvin paljon. Tutkielman tavoite ei ole esitellä ja eritellä malleja, joten tarkastelussa rajoitutaan yksinkertaisimpaan yhden kentän slow-roll -inflaatioon. Inflaatioprosessin vaikutus kosmologisiin havaintoihin, kuten taustasäteilyyn ja galaksien jakaumaan, käydään läpi ja ennusteita verrataan Planck-satelliitin viimeisimpään data-analyysiin vuodelta 2015. Lopuksi pohditaan inflaatioparadigman avoimia kysymyksiä ja annetaan esimerkki vaihtoehtoisesta selitysmallista.

LCDM-model, which is known as the standard model of cosmology, has established its position as the best possible explanation for recent cosmological observations. However, without a so-called inflationary phase, the model faces serious problems concerning the early universe. It is unable to explain the observed flatness of the universe, homogeneity of cosmic microwave background, absence of heavy relic particles and anisotropies of the cosmic microwave background. Cosmological inflation has been proposed as the solution for these problems. According to it, the very early universe has undergone a phase where its size increased almost exponentially. In this master's thesis, with the help of literature, we take a look at the physical foundations of inflation and investigate how it solves the early universe problems. Especially, we try to understand the origin of anisotropies of the cosmic microwave background because they reflect the primordial density perturbations which over time have evolved to form the large-scale structure of the universe. We will see that the exponential expansion alone can solve the first three problems. Moreover, the anisotropies are explained by quantum fluctuations generated during inflation. These fluctuations induce perturbations in gravitational potential and therefore in the temperature of the CMB. Cosmological perturbation theory is needed for accurate treatment of the perturbations so one chapter is devoted to it. Because of the large number of inflationary models, we restrict our attention to simplest single field slow-roll inflation. The effect of inflationary process on cosmological observations, such as CMB and galaxy distribution, is examined and predictions are compared to the latest data release of Planck satellite from 2015. In the end we consider open problems of the inflationary paradigm and give an example of an alternative theory.