2018년 9월 19일 수요일

RN2. 우리 우주의 역학과 기하학(Geometry and Dynamics of our universe)

[에드엑스 강좌] ANUx -ASTRO4x Cosmology (우주론)

제1부(요약). 공간과 시간(Space and Time)
제2부. 우리 우주의 역학과 기하학(Geometry and Dynamics of our universe)
    V2.1 로버트슨-워커 측량(The Robertson-Walker Metric)
    V2.2 원주율(π, Pi)
    V2.3 휘어진 공간(Curved Space)
    V2.4 프리드먼 방정식(The Friedman Equation)
    V2.5 임계 밀도(Critical density)
    V2.6 밀도 변화(Density Evolution)
    V2.7 우주의 진화(Evolution of the Universe)
    V2.8 결론(Conclusion)

RN2. 우리 우주의 역학과 기하학(Geometry and Dynamics of our universe)

1. 로버트슨-워커 측량(The Robertson-Walker Metric)

구형 극좌표(Spherical Polar Coordinates)의 세 축은 (r, θ, φ)다.



직교공간(normal space)의 변위(displacement, δs)를 구형 극좌표계(spherical polar coordinates)로 계산하는 방법이다.



로버트슨-워커 측량은 기존의 구형 극좌표계의 변위 측량에 우주가 균일(uniform)하며 등방형(isotropic)이라고 전제를 반영하였다.



로버트슨-워커 측량이 직교공간의 측량과 다른 점은 두가지 인데, 우주의 팽창요소인 배율인자(scale factor,척도인자) a(t)와 기하학적인 변형을 주는 곡률 k를 고려해 넣었다.

k에 따라 원주율 π가 어떻게 변화하는지 보자.(우주는 균일하고 등방성을 갖는다고 전제한다. 등방성을 보여주는 기하학적 도형인 원의 기본 특성인 원주율을 RW측량법으로 계산해볼 것이다. 팽창과 곡율은 우주의 운명에 영향을 주는 요인이 될 것이다) 원주율 π는 원의 둘레를 직경으로 나눈 값이다. 우주에서 원의 반경과 둘레를 계산해 보자. (직경과 둘레는 모두 길이의 차원이다. 공간에서 길이를 측정하는 방법이 바로 측량법이다.) 두가지 길이(반경과 둘레)를 각각 δs로 두고 로버트슨-워커 측량법으로 계산해 보자. 각 길이는 미소 변위 δs를 누적하여 구한다. 미소길이 δs의 누적은 적분법으로 계산한다.

먼저 원둘레의 계산이다. 반지름이 r0로 고정된 원의 미소 둘레를 RW측량법으로 기술하였다. 우주의 등방성을 고려하여 φ를 고정한 원을 계산한다(δr=0, δφ=0).



반경의 계산이다. 역시 등방성을 감안하여 두 각도는 고정되고 반지름의 미소 길이 δr를 RW 측량으로 기술하였다. 구간 [0,r0]에서 적분 하여 원의 반경을 구한다. 반경의 길이는 휜 공간을 감안하면 직선이 아닐 수 있다. 공간이 휜 정도는 곡률 k에 따라 다르다. 공간이 휜 정도를 k=0, k<0, k>0로 구분하여 반지름을 계산하면 다음과 같다. 계산의 편이를 위해 k=-1, k=1 로 하였다.



공간이 휜 우주라면 원주율 π은 상수가 아니다.



곡률이  k>0 인 우주에서 원주율,





곡률이  k<0 인 우주에서 원주율,





π0 는 k=0인 평편한 우주의 원주율(i.e. 3.141592...)이다.

How do these solutions behave? Regardless of the value of k, both give the normal value of  when the radius of a circle is much smaller than the radius of curvature of the universe. But as the circles become larger, if k>0, the value of π drops, while if k<0, the value of π rises. So π is not a constant, on large enough scales, unless k=0.

These different geometries can perhaps be best understood through a two-dimensional analogy. A universe with k>0 is analogous to a two-dimensional life-form on the surface of a sphere. If you go far enough in any direction, you will end up back where you started. The universe is finite, but has no edge. π is small on large scales, parallel lines will ultimately meet, and the interior angles of a triangle add up to more than 180 degrees.

A universe with k<0, on the other hand, is analogous to a saddle-shape. The universe is infinite, π is large on large scales, parallel lines diverge, and the interior angles of a triangle add up to less than 180 degrees.

2. 프리드먼 방정식(Friedmann Equation)

배율인자(scale factor) a(t)는 어떤 의미일까? 이 인자가 어떤 양상을 보일지 에너지 보존법칙(conversation of energy)를 통해 알아보기로 한다. 운동 에너지(kinetic energy)와 잠재 에너지(potential energy) 사이의 변화로 부터 프리드먼 방정식을 유도해 낼 수 있다.



where ρ is the average density of the universe at that moment, and  is the rate of change of a. The current rate of the expansion  (Hubble's constant) is given by



3. 임계밀도(The critical density)

Using the Friedmann equation, and substituting in  H0, we see that to have a geometrically flat universe, we need the density today to be



This is known as the critical density. If the density is larger than this, k>0 and we live in a "spherical", finite universe, while if the density is smaller than this critical value, k<0 and we live in a saddle-shaped open universe. Because this critical density is so important, the average density of various components of our universe is often quoted as the ratio Ω to this critical density:



4. 밀도 진화(density evolution)

To solve the Friedmann equation, we need to know how the density of the universe changes as the universe expands or contracts. For matter, the density is proportional to , because the amount of matter is constant but the volume increases. For radiation (or matter moving very close to the speed of light), the energy of each wave/particle drops due to the expansion of space (and hence increase in wavelength), which means that density is instead proportional to .

This means that the density of radiation drops faster than that of matter. Our universe is currently matter dominated (i.e. the density of matter is much greater than that of radiation), but as we go further back in time, radiation becomes more and more important, and indeed dominated the very early universe.


5. 프리드먼 방정식 풀기(solving the friedmann equation)

The Friedmann equation is a differential equation (i.e. one including derivatives). In general it cannot be analytically solved, but has to be numerically approximated. It can however, be solved exactly for the case where k=0. This solution can be found in the appendix below. For a purely matter dominated universe,

where  is the time today. For a radiation-dominated universe, 


In general, however, you will need to solve the equation numerically. You can rearrange the Friedmann equation to give the rate of change of a at any given moment:


Starting from today (when a=1 by definition), you can then step forwards or backwards in tiny time steps ( ) and estimate the value of   a short time in the future or past, using the equation

(which just comes from the definition of differentiation - this is known as Euler's method). A python program that does this is available here.

We find that if k=0, the universe always expands but the rate of expansion always decreases. If k>0, the expansion of the universe will eventually stop, and the universe will start shrinking, until everything comes together in an almighty "Big Crunch" or "Gnab Gib" (the latter being "Big Bang" spelled backwards). If k<0, the universe will expand forever, with its expansion rate asymptoting to a positive constant.

6. 결론(Conclusions)

So - we have three classes of cosmological model.

k>0, , a finite, spherical universe that will eventually collapse. In this universe,  is small on large scales and parallel lines will eventually meet.

k=0, , an infinite flat universe with normal geometry, that will expand forever but at a perpetually decreasing rate.

k<0, , an infinite saddle-shaped universe that will expand forever. In this universe,  is larger on large scales and parallel lines diverge.

Which (if any) of these models is true? That is a question to be answered experimentally.

7. 부록: 프리드먼 방정식의 해

appendix: exact solutions to the friedmann equation

The Friedmann eqution can be solved exactly if k=0 and we assume a purely radiation or matter dominated universe. Consider the case of a matter dominated universe. The density is thus

where  is the density now and we've chosen to define a(t) = 1 right now ( ). If k=0, the Friedmann equation is thus:

The easiest way to solve this is to guess that the answer might be in the form of a power-law: i.e. that , where q is some unknown index. Substitute this into the above equation, and you will find that the left-hand side depends on  while the right-hand side depends on . For a valid solution, these two must behave the same way, so , and hence .

Using exactly the same trick, you can find that for a radiation-dominated universe, .


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이상한 행성계 Zing (2부)

이상한 행성계 Zing (2부)

Zing's solar system
Some more information about Zing's orbit around its sun (Zun).

The orbit has a semi-major axis of 0.05 astronomical units, and a perihelion of 0.02 astronomical units (an astronomical unit is ). The Zun has a mass of 0.1 solar masses (a solar mass is , as you can deduce from the orbital period and semi-major axis).

The Zun has a luminosity of  solar luminosities (a solar luminosity is ).

The rotation axis of Zing is 9.4 degrees away from the pole of its orbit around the Zun.

Note that we are using units such as Earth days, solar luminosities and astronomical units that would be unfamiliar to the astronomers of Zing, as they are all based on the properties of Earth's solar system. The astronomers of Zing use quite different units, but I've converted them for the benefit of students in this class.

Historical records
You carried out a search of the historical archives to see if there were any records suggesting that the brightness or position of Zeor and the bloodstain had changed. Using records going back around 4000 years, you found no record of any observable changes in the brightness or position of either object. Neither Zeor nor the bloodstain move by a detectable amount as Zing orbits its Zun.

More sensitive images
Telescopes have been constructed to get more sensitive, higher resolution images of various parts of the sky.

The first target was Zeor. At first, it appeared to just be a white dot even when observed through telescopes. But as the telescopes became more refined and the image quality improved, you were able to make out details for the first time. Here is what the current best image looks like:

Close-up image of Zeor, showing two white rings surrounding a very faint red fuzz

This image is four arcseconds across. The fuzzyness is due to atmospheric seeing.

Next, your telescopes were pointed at the Bloodstain. Here is an image of a small central part of the bloodstain:

Close-up image of part of the bloodstain, showing close-packed red and yellow dots

Thirdly, you turned your telescopes on the rest of the sky, where nothing is visible to your unaided eyesight. Initially nothing was seen, but as more powerful telescopes were constructed and more of the sky was surveyed, a number of small faint red fuzzy shapes were seen:

Small red fuzzy object seen against black background

These objects are much too faint to be seen without the aid of telescopes. As more of the sky was surveyed, more of these red fuzzy things were found. Extrapolating, there seem to be thousands of them across the sky. Mostly they are so far apart that you never see two in the field of view of your telescope at once. But if you use a very wide-field telescope, there are a few places in the sky where a number of these objects seem to cluster, such as the region shown below:

Cluster of red fussy objects against a black background

Needless to say, these observations caused a sensation. For all of history, people on Zing had believed that there were only two objects in the sky. Now there seem to be thousands! Philosophers and religious leaders are mobbing the astronomers, TV shows about astronomy are topping the ratings, and online astronomy courses are being taken by tens of thousands of students, keen to learn more about these amazing results.

spectra
You obtained spectra of the bloodstain, the Zun and of Zeor. Here is a spectrum of the inner ring of Zeor:

Spectrum of the inner ring of Zeor. A flat, featureless spectrum

The spectrum of the outer ring looks similar:

Featrueless spectrum of the outer ring of Zeor

Here is a spectrum of the Zun:

Spectrum of the Zun. Very red with many broad features

Digital data here.

This spectrum has been studied for over a hundred years and is well understood. Most of the features are due to Titanium Dioxide, which forms clouds in the Zun's atmosphere. There are three well-studied absorption lines in the red - the Calcium Triplet, with laboratory wavelengths of 850.036 nm, 854.44nm and 866.452 nm. They show the doppler shifts you would expect due to the orbital motion of Zing around the Zun.

Finally, you obtained a spectrum of the bloodstain:

Spectrum of the bloodstain - red, and with similar but weaker features than the spectrum of the Zun.

Digital data here.

This too showed the Calcium triplet spectra lines. You took a higher spectral resolution spectrum of the wavelength region around these lines:

Bloodstain calcium triplet lines, at around 852.5nm, 857 nm and 869nm

Digital data here.

location of Zeor and the bloodstain in the sky
With all these new data coming in, you have decided to set up a coordinate system for objects in the sky. You have chosen to define Zeor as your north celestial pole. The centre of the bloodstain lies 170 degrees from Zeor, and you have chosen the great circle through Zeor and the centre of the bloodstain to be your prime meridian. This chart may help explain the coordinates you are using:

Chart showing coordinate system

You use Declination to indicate the north/south angle, and RA (Right Ascension) to indicate the East/West angle. Zeor is at Dec=+90 degrees. The centre of the bloodstain is at Dec=-80 degrees, RA = 0 degrees.

The pole of Zing's orbit around the Zun is at Dec=+27 degrees, RA=193 degrees. As seen from Zing, the location of the Zun when it is most distant from  Zing is in the direction Dec=-29 degrees, RA=265 degrees.


2018년 9월 15일 토요일

HQ2. 숙제(Homework Questions 2)

[에드엑스 강좌] ANUx -ASTRO4x Cosmology (우주론)

제1부(요약). 공간과 시간(Space and Time)
제2부. 우리 우주의 역학과 기하학(Geometry and Dynamics of our universe)
    V2.1 로버트슨-워커 측량(The Robertson-Walker Metric)
    V2.2 원주율(π, Pi)
    V2.3 휘어진 공간(Curved Space)
    V2.4 프리드먼 방정식(The Friedman Equation)
    V2.5 임계 밀도(Critical density)
    V2.6 밀도 변화(Density Evolution)
    V2.7 우주의 진화(Evolution of the Universe)
    V2.8 결론(Conclusion)
    WE2.1 우주의 나이(Age of Universe)

HQ2. 숙제(Homework Questions 2)

[HQ2.1]----------------------------------------------------
Imagine that you live in a universe in which parallel lines eventually meet. If you assume that the cosmological models we discuss in this section are correct, what could you deduce about your universe from this?

Select all the answers that match

a] Ω > 1
b) k is less than 0
c) The universe is infinite.
d] The universe will end in a Big Crunch.
e] If you travel far enough in a straight line, you will return to where you started.
f) The internal angles of a large enough triangle will add up to less than 180 degrees.
g] π is less than 3.14159265359... on large scales

Parallel lines meeting indicate a spherical closed universe. Which is therefore finite and will end in a big crunch. The density must be more than critical and k greater than zero.

[HQ2.2]----------------------------------------------------



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WE2.1 우주의 나이(Age of Universe)

[에드엑스 강좌] ANUx -ASTRO4x Cosmology (우주론)

제1부(요약). 공간과 시간(Space and Time)
제2부. 우리 우주의 역학과 기하학(Geometry and Dynamics of our universe)
    V2.1 로버트슨-워커 측량(The Robertson-Walker Metric)
    V2.2 원주율(π, Pi)
    V2.3 휘어진 공간(Curved Space)
    V2.4 프리드먼 방정식(The Friedman Equation)
    V2.5 임계 밀도(Critical density)
    V2.6 밀도 변화(Density Evolution)
    V2.7 우주의 진화(Evolution of the Universe)
    V2.8 결론(Conclusion)

WE2.1 우주의 나이(Age of Universe)



우주의 나이를 계산해보자. 아래 계산대로라면 93억년. 물론 틀렸다. 틀린 이유가 무엇인지 나중에 따져보기로 한다.



[PQ2.1]----------------------------------------------------------

Imagine that you live in a geometrically flat universe which is expanding at a uniform rate: i.e. a ∝ t. Hubble's constant in this universe is measured to be 70km (s^-1)(Mpc^-1). A Mpc (Mega-parsec) is a million parsecs, and a parsec is 3.086x10^16km.

How old is this universe (in billions of years)?



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V2.8 결론(Conclusion)

[에드엑스 강좌] ANUx -ASTRO4x Cosmology (우주론)

제1부(요약). 공간과 시간(Space and Time)
제2부. 우리 우주의 역학과 기하학(Geometry and Dynamics of our universe)
    V2.1 로버트슨-워커 측량(The Robertson-Walker Metric)
    V2.2 원주율(π, Pi)
    V2.3 휘어진 공간(Curved Space)
    V2.4 프리드먼 방정식(The Friedman Equation)
    V2.5 임계 밀도(Critical density)
    V2.6 밀도 변화(Density Evolution)
    V2.7 우주의 진화(Evolution of the Universe)

V2.8 결론(Conclusion)



[00:00] 브라이언: 정말 놀랍네요. 우리는 단 한개의 미분 방정식으로 우리가 사는 우주를 담아 냈습니다. 바로 프리드먼 방정식(Friedmann equation) 입니다. 미래에 우리의 우주가 현재의 상태에 따라 어찌 변해갈지 예상할 수 있게 해주었죠.

[00:17] 폴: 그리고 이 모든 계산은 밀도를 근거로 하였습니다. 우리는 그 밀도를 오메가 Ω로 표시 하였죠. Ω는 우주의 밀도를 임계밀도에 대한 비율로 나타낸 것입니다. 아울러 우주공간의 곡률(curvature of space)을 나타내는 k와 관계도 알려 주었습니다.

만일 오메가가 임계밀도보다 크면 오메가 값이 1보다 큰 값(Ω>1)을 갖게 되는데 우주가 결국 팽창을 멈추고 다시 쪼그라 들어서 은하들이 모두 갈려 합쳐지게 되는 빅 크런치 혹은 그냅 깁(Gnab Gib)이 될 겁니다. 그렇게되면 종말은 아주 참혹할 겁니다.

[00:43] 브라이언: 예. 그런 우주에 산다면 좋은 결말은 아니죠. 우주가 합쳐지는 종말 이라니요. 그 종말은 아주 끔찍 할 겁니다. 시간적으로 우주가 유한(탄생에서 종말까지) 하다는 의미는 공간이 유한하기 때문입니다. 우주를 이루는 재료의 양이 유한 하다는 의미일 테구요. 미래에 우주가 아주 커지는 반면 예를들어 만일 그런 그냅 깁이 되어 모두 합쳐지는 일이 발생하면 종말에 이르러 아무것도 남지 않을 거잖습니까. 흥미로운(이상한) 특성이라고 볼 수 있죠. 도데체 우주를 구성하는 재료의 양은 얼마나 될까요.

[01:16] 폴: 네. 그런 우주(k>0, Ω>1, 구형우주)에서 시간과 공간이 유한 합니다. 시작과 끝이 확실히 정해져 있죠. 그런데 (공간이 유한하다면서도) '여기가 땅끝'이라는 팻말이 붙은 벽을 마주칠 일도 없어요. 한길로 쭉 가다보면 시작점에 다시 도달하죠(구형 spherical universe 이다).  이론적으로 이런 우주에 살고 있다고 말할 수도 있을 겁니다. 만일 아주 큰 규모로 파이(원주율)을 측정해 보면 이제까지 믿어왔던 그 값보다 작을 것입니다. 그리고 평행한 두 선도 원칙적으로 잴 수만 있다면 만나게 됩니다. 아마도 원 둘레를 측정 할 수 있을 거라고 생각되요. 부피를 주어진 반경내에 월마나 많은 물질이 담겨 있는지 측정할텐데, 그리고 어떻게 변화 할지도.

[01:48] 브라이언: 그래서 작은 파이썬(Python) 프로그램을 작성 해봤죠. 그 프로그램을 실행해보면 우주의 여정을 살펴볼 수 있죠. 또한 우주가 광자(photon, 상대론적 물질)과 일반 물질로 구성되었을 때를 구분하여 실행 시켜 볼 수도 있어요.(k=0인 평평한 우주일 때 프리드먼 미분 장정식을 풀 수 있었다. 그 결과 배울 인자 a(t)에 대해 두가지 답을 얻었다.) 그 결과 우주가 어떤 모습으로 변해 갈지 살펴 볼 수 있을 겁니다. 그 모습을 분명하게 보여주었죠. 하지만 일반적은 수순은 다 같아요(k>0인 구형 우주와는 달리 영원히 팽창하는). 만일 당신이 광자들만으로 채워진 우주라면 팽창율이 줄어들 겁니다. (처음에는)팽창율(a닷, 기울기)이 아주 빠르게 줄어들거구요. 서서히 팽창율은 작아지죠. 만일 광자로 되어 있다면 일반 물질로 되었을 때 보다 빠르게 수축율이 줄어들 겁니다.

[02:23] 폴: 네. (k=0, Ω=1 인 평평한 우주에서는) 특이하게 (복사물질과 일반물질에 따라) 다소의 차이를 만들어 내죠. 저는 개인적으로 오메가가 1인 우주를 선호 합니다. 적어도 다른 것보다 좋아하죠. 당신이 어떤 것을 좋아하는지 모르겠네요. 항상 수업시간에 선호도 조사를 합니다. 어떤 모형을 좋아하는지. 학생들은 대개 50 대 50으로 나뉘죠. 오메가가 1보다 작거나 1이라면 우주는 영원히 팽창하는 모형입니다. 공간과 시간 모두 무한대 입니다.

[02:47] 브라이언: 저는 시작이 있다면 끝도 있는 그런 우주를 확실히 선호하는 그런류의 인간입니다. 마치 대칭성 있어 보이잖아요, 무한대를 생각할 필요도 없죠.

[02:56] 폴: 저는 무한대에 대해 생각해보는게 좋습니다. 영원한 우주를 좋아해요. 불행 하게도 이번 강죄에서 다뤄 봤듯이 우주가 영원하더라도 우리는 그렇지 않죠. 우주는 결국 자유 에너지, 엔트로피를 소모해버려 열죽음 할겁니다. 곡소리 내며 죽어가는 우주죠. 우리도 그런식으로 죽을 겁니다.

[03:14] 브라이언: 네. 맞아요.

[03:16] 폴: 그중에 어느 모형이 맞을까요? 실제로 우주가 다시 쪼그라 들지, 혹은 영원히 팽창 할지 그도 아닌 이상하게 변해갈지 실제로 관측 할 수 있게 될까요?

[03:24] 브라이언: 그거 참 흥미로운 질문인데요. 저의 경력의 상당량이 그것(우주진화 모형)에 대한 이해를 높이기 위한 연구 였습니다. 연구를 위해 이론적으로나마(사실상) 우주를 관찰하고 우주가 어떻게 움직이는지 관측해 왔다고 볼 수 있죠(실제 관측이라기 보다는 이론연구). 우리가 우주에 대해 심어진 편견을 극볼 할 수 있도록 계산해 보려고 노력했습니다.
저는 그것(굳은 편견)을 크게 신경 쓰지 않았어요.

[03:44] 폴: 이 강좌의 끝에가서 이에 대해(천체물리학의 미래) 좀더 이야기 해 볼 것입니다. 우리는 앞으로 측정(계산)과 그로부터 얻을 놀라운 결과에 대해 이야기 해보려고 합니다. 먼저 모든 연구의 시작이 우주가 어디를 보나 동일하고 균일 하다는 가정에 기반합니다. 그것(균일한 우주라는 가정)은 사실 아주 이상합니다(받아들이기 쉽지 않다). 다음 강의에서 인플레이션 이론에 대해 논의할 것입니다. 이 이론은 왜 우주의 균일함이 가장 중요한 전제조건 이어야 하는지 설명합니다.

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Three cosmological model.

k>0, Ω>0, a finite, spherical universe that will eventually collapse. In this universe, is small on large scales and parallel lines will eventually meet.

k=0, Ω=1, an infinite flat universe with normal geometry, that will expand forever but at a perpetually decreasing rate.

k<0, Ω<0, an infinite saddle-shaped universe that will expand forever. In this universe, is larger on large scales and parallel lines diverge.

Which (if any) of these models is true? That is a question to be answered experimentally.

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