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ダークマター・宇宙の歴史(0秒~38万年:宇宙の晴れ上がりまで)


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前の投稿 - 次の投稿 | 親投稿 - 子投稿.1 | 投稿日時 2019/11/3 10:09 | 最終変更
entangle1  半人前   投稿数: 87
さてまずは宇宙は広がる事を優先し、そのあとで空間をエネルギーで満たした様です。
そのエネルギーの一部が物質粒子(フェルミオン)に変換され、それが集まって構造を作り出す、そういうシナリオになっています。

ところで構造を作り出すためには物質粒子を集めなくてはなりません。
つまり糊、あるいは接着剤、あるいは凝集力が必要になります。
この糊は最初はグルーオン:強い力(ハドロン・・・パイ中間子、中性子や陽子などの形成ー>原子核の生成)(注2)、次はクーロン力(原子の形成ー>分子の形成)、そうして最後に重力(星、銀河、銀河団などの形成)であります。

他方で最初からそのようなものの働きが強すぎれば、宇宙空間にまんべんなく物質粒子を拡散することはできません。
従って「まずはばらまく事」が必要で、しかる後に「集めて構造を作リ出す」と、そういう手順となります。


さてそれで、まずはだれが始めたのか、あるいは自然にはじまったのか、とにかく「ぽちっ」とスタートのスイッチが押されなくてはいけません。
そしてその後の展開についての記述は基本的にWiki
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%AE%87%E5%AE%99%E3%81%AE%E5%B9%B4%E8%A1%A8
「宇宙の年表」からの引用になります。

0秒~10^-44秒
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%97%E3%83%A9%E3%83%B3%E3%82%AF%E6%99%82%E4%BB%A3
「プランク時代」です。

時刻 10^-44秒、温度10^+32K
ここで重力と他の3つの力が分れたと考えられています。(KEK)

重力が存在しますから、アインシュタイン方程式が成立し、宇宙項、あるいはダークエネルギーも存在可能になったかと思われます。
そうしてその真空エネルギーによってインフレーションが可能になった、とその様に解釈できます。
加えて重力の存在により、原始ブラックホールも存在可能になったかと思われます。

宇宙誕生から10^-43から10^-36秒後
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%A7%E7%B5%B1%E4%B8%80%E6%99%82%E4%BB%A3
「大統一時代」

時刻10^-38秒、温度10^+29K (10^25eV)
大統一理論の相転移が起り、強い相互作用(強い力)と電弱相互作用(電磁気力と弱い力が統合されたもの)が分れた。(KEK)

宇宙誕生から10^-36から10^-32秒後
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%95%E3%83%AC%E3%83%BC%E3%82%B7%E3%83%A7%E3%83%B3%E6%99%82%E4%BB%A3
「インフレーション時代」

この急激な拡大は、初期宇宙の直径を少なくとも10^26倍にも増加させ、体積は少なくとも10^78にもなった。
大統一の時代にすでに素粒子があったとしたならば、宇宙の急速な拡大は、大統一時代から残る素粒子が非常にまばらに分散したことを意味する。
しかし、インフレーション時代の終わりにインフレーション場の巨大な位置エネルギーが解放され、再び宇宙は濃く熱いクォークグルーオンプラズマに満たされ、電弱時代が始まった。

また原始ブラックホールについてはこのインフレーションの時代に作られたのであろう、と主張するインフレーション モデルがある。
そして当方の主張はそのことに加えて「その大量に作られた原始BHは最初からプランクスケールであって、宇宙誕生からこれまでに一度もホーキング放射をしていないものが最良のCDM(コールドダークマター)の候補となる」というものであります。

宇宙誕生から10^-36から10^-12秒後
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E5%BC%B1%E6%99%82%E4%BB%A3
「電弱時代」

時刻10^-12秒
「宇宙図2018年版」によれば、この頃にヒッグス場が形成された、とされています。

時刻10^-11秒、温度10^+15K(10^11eV=100GeV)
観測可能な宇宙の半径 66光分(たとえば木星軌道半径42光分、土星軌道半径83光分)
密度 陽子5.56*10^43個/m^3(1ccで9.28*10^7tonの重量になります。ちなみにこれは中性子星の密度の9.3%相当です。)
(ダークマター1.25に対し通常物質0.25の割合
ダークエネルギー成分はこの時も陽子3.5個/m^3相当で物質密度に対して無視できる程度の値)

ワインバーグ・サラム理論の相転移が起り、電磁相互作用と弱い相互作用が分離。(KEK)

時刻10^-10秒
この頃にCDM(コールドダークマター)はすでに存在していたのでは、という絵が
http://osksn2.hep.sci.osaka-u.ac.jp/~naga/kogi/shimane-class09/shimanelec3_cosmos.pdf
「第3講: 宇宙は何からできているか?」
の3ページに載っています。

宇宙誕生から10^-12から10^-6秒後
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%AF%E3%82%A9%E3%83%BC%E3%82%AF%E6%99%82%E4%BB%A3
「クォーク時代」

クォークとグルーオンは存在しますが温度が高く、したがってそれぞれの粒子はばらばらに運動しているプラズマ状態であって、クォークが一緒になって次世代の粒子を作る(次世代の構造を作る)、という事ができない時代です。

ちなみにクォーク・グルーオンプラズマについては下記のような記事がありますのでご参考までに。
http://alice-j.org/%e3%82%af%e3%82%a9%e3%83%bc%e3%82%af%e3%83%bb%e3%82%b0%e3%83%ab%e3%83%bc%e3%82%aa%e3%83%b3%e3%83%97%e3%83%a9%e3%82%ba%e3%83%9e-qgp/
「クォーク・グルーオンプラズマ (QGP) by alice-j.org」
http://archive.fo/ynVki

時刻10^-4秒後、温度10^+12K (10^8eV=100MeV)
観測可能な宇宙の半径 0.126光年(太陽系を取り囲むとされるオールトの雲までの距離)
密度 陽子5.56*10^34個/m^3(1ccで92.8kgの重量になります。)
(ダークマター1.25に対し通常物質0.25の割合
ダークエネルギー成分はこの時も陽子3.5個/m^3相当で物質密度に対して無視できる程度の値)

QCD相転移(参考:格子ゲージ理論)が起り、クォークとグルーオンからハドロン(パイ中間子、中性子や陽子など)が形成された。(KEK)

宇宙誕生から10^-6から1秒後
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%8F%E3%83%89%E3%83%AD%E3%83%B3%E6%99%82%E4%BB%A3
「ハドロン時代」
宇宙誕生から1秒から10秒後
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%AC%E3%83%97%E3%83%88%E3%83%B3%E6%99%82%E4%BB%A3
「レプトン時代」
レプトン<-- 電子、ニュートリノなどの軽粒子と呼ばれる素粒子一族の名称

宇宙誕生から10秒後から38万年後
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%85%89%E5%AD%90%E6%99%82%E4%BB%A3
「光子時代」


光子時代の最初の数分間に元素合成が行われて原子核が生成した。
光子時代の残りの期間、宇宙は原子核、電子、光子からなる熱く濃いプラズマに満たされていた。
ビッグバンの約38万年後、宇宙の温度は、原子核が電子と結合して中性原子を形成できるほどに下がった。
その結果、光子は物質と頻繁に相互作用することはなくなったことから、宇宙が晴れ上がり、宇宙マイクロ波背景放射が形成され、その後構造形成が起こった。

・・・とまあWikiでは「光子時代」について説明されています。

あるいはKEKによれば
時刻1分、温度10^+9K (10^5eV=100keV)
観測可能な宇宙の半径 126光年(たとえばレグルスは、しし座α星、距離79光年)
密度 陽子5.56*10^25個/m^3(約2mol相当の密度です。注5)
(ダークマター1.25に対し通常物質0.25の割合
ダークエネルギー成分はこの時も陽子3.5個/m^3相当で物質密度に対して無視できる程度の値)

中性子と陽子が反応してできる重水素が分解されないで残ることができるようになるので、それを種とした核融合反応が進み始め、ヘリウム、リチウム、ベリリウムと言った軽い原子核が合成されます。
このような宇宙初期の軽元素合成は、理論計算の結果と観測値がほぼ一致し、ビッグバン 宇宙モデルの重要な証拠になっています。

1分から3分についてはこういう説明になります。
そうして3分から約38万年後までについては

その後も軽元素の原子核、電子、ニュートリノ、光子からなる宇宙は、膨張とともに温度が下がり、時刻数十万年、温度数千度になると、原子核と電子が結合し、中性な原子を形成し始めます。
ほとんどの陽子と電子が中性水素原子になってしまうと、それまで荷電粒子と強く反応していた光子は以後、物質と反応をほとんどしなくなってしまうようになりました。
・・・という「宇宙の晴れ上がり」までの説明となります。

宇宙誕生から38万年後 温度3000K (0.3eV)
観測可能な宇宙の半径 4200万光年(たとえばM 87(NGC 4486、おとめ座A)例のBHが初めて直接撮影された銀河までの距離が5440万光年)
密度 陽子1.5*10^9個/m^3(10^-11Pa程度の、人類が作りだせるぎりぎりの
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%9C%9F%E7%A9%BA
真空度に相当。)
(ダークマター1.25に対し通常物質0.25の割合
ダークエネルギー成分はこの時も陽子3.5個/m^3相当で物質密度に対して無視できる程度の値)
「宇宙の晴れ上がり」(注1)

そうして「軽元素の原子核、電子、ニュートリノ、光子からなる宇宙」というのは要するに「宇宙はプラズマで満たされていた」という事ですね。(注3)
原子を作れるクーロン力はそこにはあったのですが、温度が高すぎて原子核と電子が一緒になって安定した形での「原子という構造」をつくれない、そういう状況でした。


従ってその様な宇宙にはいまだ「原子が集まって作る次世代の構造」というものはどこにもなく、、、
と書いてしまうとうそになります。
確かにプラズマそのものには構造は見当たりません。
しかしながら宇宙がプラズマで満たされていた時点ですでにCDM(コールドダークマター)が作り出す構造の種がすでにそこにはあった、というのが最終的にこの宇宙が作り出すことになる大規模な銀河のつながりで作られる構造体、そのような巨大なものを作り上げるメカニズムの種明かしです。
そうして、その構造を作り出す糊は宇宙開闢の最初期に分離した力である重力がになう、とそういうストーリーになっております。

宇宙誕生から138億年後(<-現在)温度2.73K(<-光子の温度で代表させた場合)
観測可能な宇宙の半径 450億光年(注6)
 
密度 陽子5個/m^3
(実際の内訳は
ダークエネルギー成分が水素原子で3.5個分相当
ダークマターが水素原子で1.25個分
そうしてようやく目に見える(?)物質成分が水素原子0.25個分相当)

追記
以下、10分程度の動画です。
1億光年までの地球を中心とした宇宙のサイズが良く分かりますのでご参考までに。
https://www.youtube.com/watch?v=86t0NGNzH58
「1億光年までの旅 宇宙は想像を絶する大きさです」

注1
KEKについては
https://www2.kek.jp/kids/class/cosmos/class09-01.html
「KEK・現代の宇宙像」からの引用になります。
http://archive.fo/1u9eq

「宇宙の晴れ上がり」については天文学辞典の記述が丁寧ですね。
http://astro-dic.jp/clear-up-of-the-universe/
「宇宙の晴れ上がり」
http://archive.fo/k0KMG
一応
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%AE%87%E5%AE%99%E3%81%AE%E6%99%B4%E3%82%8C%E4%B8%8A%E3%81%8C%E3%82%8A
Wiki「宇宙の晴れ上がり」も見ておきましょう。

注2:強い力
https://www-jlc.kek.jp/ilcphys/hep_intro/force/force5
四つの力の4番目は、強い力。
クォークを結びつけ、陽子や中性子等の核子を作り、またそれら核子から原子核を作る力。
http://archive.fo/OK649

wiki
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%BC%B7%E3%81%84%E7%9B%B8%E4%BA%92%E4%BD%9C%E7%94%A8
「強い相互作用」
によれば『その名の通り電磁相互作用に比べて約137倍の強さがある。』とか。
そうであればこそ、クーロン力に打ち勝って原子核に陽子をつなぎとめる事ができる、と言う事になります。

注3:CDM(コールドダークマター)の海の中そうして「軽元素の原子核、電子、ニュートリノ、光子からなる宇宙」というのは要するに「宇宙はプラズマで満たされていた」という事ですね。

上記でKEKさんはこう言っていますが、その様なプラズマがCDMの海の中に存在していた、という事については言及がない様です。
しかしながら事実はCDMの海の中にプラズマが存在していた、という事であります。

注4
さてそう言う訳で宇宙初期の重要なイベントはスタートから3分間でほぼ終了してしまう、3分といえば「カップヌードルにお湯をいれて待つ時間」と同じです。
ということは我々の初期宇宙は本当に「インスタントに出来あがった」という事になります。

しかしながらこのインスタント初期宇宙に続く構造形成のストーリーはそれなりの時間が必要であり、そこで重要な働きをするのがCDM(コールドダークマター)と重力となる訳であります。

ちなみに強い力は原子核サイズで遮断され、クーロン力は原子、分子サイズで遮断されます。
それに対して重力は上記2つの力と比較すると「弱い力」なのですが、物質によって遮断されることはなく、理論上は無限の距離にまで作用を及ぼします。

こうやって宇宙はまずは小さなブロックを作り、そうしてそれらのブロックを組み合わせてその上のブロックを作り、最後に重力を使って大規模構造を作り上げました。
そうして下位の階層を形成する小さなブロック程頑丈に作るべきだ、と言う宇宙のやり方はなるほど合理的なものであります。


注5
「約2mol相当の密度」としましたが、ダークマターは化学反応しませんので、通常物質だけを取り上げると0.33mol相当となります。
ちなみに
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A2%E3%83%9C%E3%82%AC%E3%83%89%E3%83%AD%E5%AE%9A%E6%95%B0
1molとは理想気体が
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%A8%99%E6%BA%96%E7%8A%B6%E6%85%8B
標準状態
0度、1気圧の条件下で22.4l(リットル)中に含むことになる粒子数6.02*10^23個の事となります。


注6:観測可能な宇宙の半径
宇宙誕生から38万年後および現在の値については2018年版の宇宙図から引用。
38万年以前については宇宙の大きさと宇宙の温度が反比例の関係にある事を使って算出したものです。
ちなみに現在の宇宙の臨界密度が陽子5個というのは
http://sci.kj.yamagata-u.ac.jp/~meto/web/lectures_files/%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%95%E3%83%AC%E3%83%BC%E3%82%B7%E3%83%A7%E3%83%B3%E5%AE%87%E5%AE%99%E8%AB%96.pdf
「インフレーション宇宙論」
からの引用です。


https://blog.goo.ne.jp/rokusanasukor/e/7f6b375b88809d2047b1c5060a01c46b
・ダークマター・ホーキングさんが考えたこと 一覧


http://archive.fo/ys7P8
http://archive.fo/aDzqm
http://archive.md/dhNjE

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前の投稿 - 次の投稿 | 親投稿 - 子投稿.1 .2 | 投稿日時 2019/11/3 23:31
OK_like-mj  常連   投稿数: 254
BigBang後、10^(-11)秒の宇宙の半径を
66光分という具体的数値で示された事は
とても分かり易いです

地球の公転半径の約8倍が宇宙全体だったなんて
なんとも凄い話しですが

話題のCDM生成の可能性があるinflation期
(10^(-36)から10^(-32)秒後)の大きさも
具体的数値で知りたいところですが

物質粒子たちが、とても高energyで衝突する
高密度で、高energyな状態であれば
その密度や、energyが見積もれれば
散乱断面積は計算できるのではないでしょうか
それに、Plank Scale_BHが生成されるか
どうかも、計算可能なのではないでしょうか
投票数:0 平均点:0.00
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前の投稿 - 次の投稿 | 親投稿 - 子投稿なし | 投稿日時 2019/11/3 23:41
OK_like-mj  常連   投稿数: 254
仮に、宇宙全体が地球くらいだとすると
もっと分かり易く、pingpong玉くらいなら

そもそも、背景時空自体にまだ、ゆらぎが
残存しているとかの可能性を考える必要が
あるかも知れません

そうなると、そうしたゆらいだ時空上での
物質粒子の衝突問題を解かなければならなく
なり難問になってしまいます

まさか、時空のゆらぎがCDMを生成するとも
思えませんが
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前の投稿 - 次の投稿 | 親投稿 - 子投稿.1 | 投稿日時 2019/11/3 23:41 | 最終変更
OK_like-mj  常連   投稿数: 254
wikiの宇宙の年表は
宇宙進化の流れを一望でき考える手がかりを
与えてくれます

これを見て思う事は
Plank時代にしても、大統一時代にしても
すべて人類が、これまでに発見した
基本的な物理定数や、存在する力の種類を
背景に一般的に言える事のようです

その状態の宇宙の形や、時空そのものの姿を
まともに議論できるのは、その直後に起こると
されているinflation期からのようですが
それでも、10^(-36)から10^(-32)秒後って
言うんですから
それに、宇宙の大きさが、10^26倍になったと
考えますと
Plank時代をPlank長(~10^(-35)m)としますと
大統一時代の膨張を10^7倍と考えて
ちょど、inflation後の大きさがpingpong玉
程度になります

なんか宇宙が手のひらsizeなので
おもしろい感じがしますが

改めて
ご紹介の"1億光年までの旅"
https://youtu.be/86t0NGNzH58
を拝見致しますと
まさにこの宇宙が如何に想像を絶する
大きさなのかが実感されます

こんなにも大きいものが、pingpong玉くらい
だった時代を問う事が
なんか冒涜している感じさえ抱かせます

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前の投稿 - 次の投稿 | 親投稿 - 子投稿.1 | 投稿日時 2019/11/4 14:27
OK_like-mj  常連   投稿数: 254
地平線問題で悩んでいました

全天球の角度にして2度が、宇宙背景放射(CMB)
の地平線領域の大きさという意味は
https://www.weblio.jp/content/BIGBANG#理論的基盤
が最も納得がいく説明でした
とくに
【引用開始】
ビッグバン理論では、
任意の場所での時刻を
「プランク時代からの時間」として
曖昧さなく定義するために
ワイルの仮定を用いる。
この系では大きさは共形 (conformal) 座標と
呼ばれる座標系に従って決められる。
この座標系ではいわゆる共動距離と共形時間を
用いることで宇宙膨張の効果を消し去る。
宇宙膨張は宇宙論的スケール因子によって、
時空のサイズを考慮してパラメータ化される。
共動距離と共形時間はそれぞれ、
宇宙論的な運動に乗って動く物体間の共動距離
が常に一定となるように、
また粒子的地平線、すなわちある場所から
見た宇宙の観測限界が共形時間と光速によって
決まるように定義される。
宇宙がこのような座標系で記述される
ことから、ビッグバンは物質が空っぽの
宇宙を満たすように外に向かって
爆発するのではないことが分かる。
ビッグバンでは時空自体が膨張するのである。
我々の宇宙でどのような2つの定点をとっても
二点間の物理的距離が大きくなる原因は
これによって説明される。
(例えば重力などによって)一体に束縛されて
いる物体の系は時空の膨張とともに
膨張はしない。これは、これらの物体を
支配する物理法則が普遍的に成り立ち、
計量の膨張とは無関係であることが
仮定されているためである。
加えて、局所的なスケールでの現在の
宇宙膨張は非常に小さいため、
仮に物理法則が宇宙膨張に依存していた
としても現在の技術では測定不可能である。
【引用終了】
の部分は秀逸と思います

宇宙の膨張の姿が、時空自体の膨張であって
その中にある物体の運動法則は
"計量の膨張とは無関係"と言い切っている

そして、地平線を決めるのは
物質である光が到達可能な距離であり
宇宙膨張が、光の速さを越えて膨張した
証しが、同問題の解になる
投票数:0 平均点:0.00
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前の投稿 - 次の投稿 | 親投稿 - 子投稿なし | 投稿日時 2019/11/4 20:41
OK_like-mj  常連   投稿数: 254
一般の人は、まさか夜空に輝く星々が
銀河や星雲、恒星が混在しているのが
本当の姿だとは思いもしないと思いますが

少し慣れてる人なんかは
遠くにある星は、その星の現在の姿ではなく
その距離に応じた過去の姿であって
もう既に消滅してしまった星でも、今あるように
見えている事を知っています

宇宙論のややこしさは、ここに尽きます
今、見えている姿の中には、いろいろな過去が
混在したものが見えているって事です

方程式を解くという分かり易いapproachを
するにしても、一度は、このfilterを噛ませない事には
納得がいきません

これは、平坦な時空を記述する特殊相対論に
ついても、似たような状況があります
共通するのは、光です
光の進んだ距離は、時間として評価されます
ですから等速で運動する系を、静止系で見ると
光の軌跡は、運動している分だけ余計に移動するため
運動する系では、時間のcountが少なくならないと
光の速さが系に依らないのだから
長くなった光の軌跡をたどった時に、静止系では
終了しているハズの同じ運動が、まだ終わらないって事になってしまう

一般相対論だって、局所的に成り立つ特殊相対論を
時空上で貼り合わせて構成するダケですから同じ事です

戻りますが
宇宙背景放射(CMB)が天球の2度くらいの大きさ
という事の意味は

今という時代で宇宙を観測している訳ですが
測定しているのは、遥か彼方の過去を見ている訳で
宇宙背景放射 (CMB) が存在した過去の時点での
地平線領域の大きさが問題になるのだ
それが、現在の天球上で2度に相当するらしい
つまり、全天球を2度の立体角で分割した
それぞれの領域は、地平線で因果的に分断されているのに
なぜか、同じスペクトルの輻射特性が観測される事が
問題なのだ

そして、この問題を、元々混在していた領域の時空そのものが
inflationによって、光の速度よりもズット速く膨張する事で
あたかも、因果的に隔離された領域のようになってしまった所から
同じ黒体輻射スペクトルが、全天球でほぼ一様に
観測される事態に至ったって話しのようです

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