Fundamentals of cosmology:
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | English |
| Veröffentlicht: |
Heidelberg [u.a.]
Springer
2009
|
| Ausgabe: | 2. ed. |
| Schriftenreihe: | École Polytechnique
|
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | Hier auch später erschienene, unveränderte Nachdrucke |
| Beschreibung: | IX, 328 S. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 9783642027994 |
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CONTENTS
1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 THE COMPOSITION OF THE UNIVERSE . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 THE VISIBLE UNIVERSE: GALAXIES . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 3
1.1.2 BARYONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.3 COLD DARK MATTER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 11
1.1.4 PHOTONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.5 NEUTRINOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.1.6 DARK ENERGY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 16
1.2 THE EVOLUTION OF THE UNIVERSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.1 THE SCALE FACTOR A ( T ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 18
1.2.2 GRAVITATION AND THE FRIEDMANN EQUATION . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 20
1.2.3 OPEN AND CLOSED UNIVERSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 22
1.2.4 THE EVOLUTION OF THE TEMPERATURE . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 24
1.2.5 AN IMPROVED FRIEDMANN EQUATION . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 29
1.2.6 THE EVOLUTION OF THE * S AND STRUCTURE FORMATION . . . . . . . . .
. 31 1.2.7 THE STANDARD SCENARIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 33
1.3 OPEN QUESTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
EXERCISES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2 OBSERVATIONAL COSMOLOGY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.1 STARS AND QUASI-STARS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2 GALAXIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3 GALAXY CLUSTERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.4 LARGE-SCALE STRUCTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.5 DARK MATTER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.5.1 WIMPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.5.2 AXIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.5.3 MACHOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 68
2.5.4 COLD GAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 71
2.6 THE COSMOLOGICAL PARAMETERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 73
2.6.1 H 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.6.2 * S AND * S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 78
EXERCISES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
VII
IMAGE 2
VIII CONTENTS
3 COORDINATES AND METRICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.1 RELATIVITY AND GRAVITATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.2 COMOVING COORDINATES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 100
3.3 THE METRIC I: MOSTLY ISOTROPY . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 102
3.4 THE METRIC II: MOSTLY HOMOGENEITY . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 105
3.5 PHOTON PROPAGATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.6 OBSERVABLE DISTANCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.7 THE GEODESIC EQUATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 116
3.8 GRAVITATIONAL LENSING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 119
EXERCISES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4 THE FIELD EQUATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.1 OUR FREELY FALLING COORDINATES . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 138
4.2 A UNIVERSE WITH * = 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.3 THE ENERGY-MOMENTUM TENSOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 143
4.4 THE FRIEDMANN EQUATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 148
4.5 THE COSMOLOGICAL PARAMETERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 150
4.6 SCALAR FIELDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
4.7 THE RIEMANN TENSOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.8 THE EINSTEIN TENSOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.9 THE GENERAL EINSTEIN EQUATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 158
EXERCISES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5 FRIEDMANNOLOGY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.1 THE AGE OF THE UNIVERSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.2 TYPE IA SUPERNOVAE AS STANDARD CANDLES . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 170
5.3 THE SOUND HORIZON AS A STANDARD RULER . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 175
5.4 THE HORIZON PROBLEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.5 THE * PROBLEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
5.6 INF LATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
5.7 INTERGALACTIC SCATTERING AND ABSORPTION . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 191
EXERCISES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6 THE THERMAL HISTORY OF THE UNIVERSE . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 197
6.1 EQUILIBRIUM DISTRIBUTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.2 THE BOLTZMANN EQUATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 204
6.3 ELECTRONS AND POSITRONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 209
6.4 NEUTRINOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
6.5 PRIMORDIAL NUCLEOSYNTHESIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 216
6.6 WIMPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
6.7 BARYOGENESIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
6.8 IRREVERSIBILITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
6.9 THE FUTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
EXERCISES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
IMAGE 3
CONTENTS IX
7 STRUCTURE FORMATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
7.1 A SPHERICAL COLLAPSE MODEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 242
7.1.1 A CDM UNIVERSE WITH SCALE INVARIANT FLUCTUATIONS . . . . . . . . .
246 7.1.2 EFFECTS OF BARYONS AND PHOTONS . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 247
7.2 THE SPECTRUM OF DENSITY FLUCTUATIONS . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 248
7.2.1 THE POWER SPECTRUM FOR A CDM-BARYON UNIVERSE . . . . . . . . . .
252 7.2.2 MEASUREMENTS OF THE POWER SPECTRUM . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 256
7.2.3 THE CORRELATION FUNCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 258
7.2.4 REDSHIFT DISTORTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 258
7.3 THE PRIMORDIAL SPECTRUM FROM INFLATION . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 260
7.4 CMB TEMPERATURE ANISOTROPIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 264
7.4.1 THE SOURCES OF ANISOTROPY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 267
7.4.2 THE COSMOLOGICAL PARAMETERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 272
7.5 CMB POLARIZATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 274
7.6 ALTERNATIVES TO * CDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 278
7.7 NEWTONIAN EVOLUTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 280
7.8 PHOTON PROPAGATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 283
EXERCISES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
A LORENTZ VECTORS AND TENSORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 295
B NATURAL UNITS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
C STANDARD PARTICLES AND BEYOND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 303
D MAGNITUDES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
E SOLUTIONS AND HINTS FOR SELECTED EXERCISES . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 311
F USEFUL FORMULAS AND NUMBERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 317
REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
INDEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
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