Preface 1
1 Introduction
1.1 The cosmological standard model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 How does Science work? 13
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Scientific Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.1 Colour dependent gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.2 The Perihelion Shift in the Orbit of Mercury . . . . . . . . . . 19
2.4 Changing Theory in Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.5 Cosmological Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 What observations do we use? 27 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 What reaches us . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.1 Different forms of light - electromagnetic radiation . . . . . . 28
3.2.2 Non-standard messengers - neutrinos and gravitational waves 31
3.3 How Observations are Made . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.1 Optical Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.2 Radio Telescopes . . . . . . . 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.3 Microwave Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.4 Examples for non-standard messenger observatories . . . . . . 43
3.4 Future experiments and telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.5 Closing Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4 What can we actually observe and measure? 51
4.1 Things we can observe directly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2 Distance units in cosmology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3 How to measure distances in cosmology . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.4 Putting things into perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.5 A very large map: the distribution of galaxies . . . . . . . . . . . . . 63
4.6 An even larger map: the Cosmic Microwave Background . . . . . . . 66
5 What is the universe made of? 69
5.1 Familiar types of matter, what is normal stuff made off? . . . . . . . 69
5.1.1 Matter on the smallest scales - up to atoms . . . . . . . . . . 69
5.1.2 Larger scales - particles interacting . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.1.3 Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.2 Where does normal matter come from . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.3 Exotic Stuff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3.1 Dark Matter - Cold and Hot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3.2 Dark matter candidates - WIMPS, MACHOS, and Black Holes 82
5.4 Weird stuff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.4.1 The cosmological constant - _ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.4.2 Quintessence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.5 Cutouts and leftovers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6 What underlying Forces shape the Universe? 87
6.1 The four forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.2 What are forces and fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.3 Forces in Newtonian mechanics . . . 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.4 Electromagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.5 The other forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.6 Gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.6.1 Newtonian Gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.6.2 Einstein's Theory of Gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.7 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.8 From previous - cutouts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.9 Was old chapter6: The Underlying Forces Shaping the Universe . . . 98
6.10 Cut from Chapter 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7 Going Back in Time? 105
7.1 Matter Domination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.1.1 Early Star Formation and Re-ionisation . . . . . . . . . . . . . 106
7.1.2 Dark Ages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
7.1.3 Equality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.2 Radiation Domination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.2.1 CMB Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.2.2 BB Nucleo-synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8 How did it all begin? 109
8.1 Inflation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
8.2 Four Cosmological Observations Explained by Inflation . . . . . . . . 112
8.2.1 The Four Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
8.2.2 Digression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
8.2.3 Inflation - provides the answers . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
8.3 Evidence for and against Inflation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
9 What was before Inflation? 117
9.0.1 Ideas that have been proposed for the pre-inflation period that
have come out of theoretical work . . . . . . . . . . . . . . . . 117
9.0.2 Location - pre-inflation . . . . . 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
10 What next? 119
11 Appendix 123
11.1 Numbers large and small . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
11.2 Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
11.3 Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
11.3.1 Normal equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
11.3.2 Differential equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
12 Glossary 125
