Is the Universe open or closed: the density of matter in the universe

Cover......Page 1
Intro Blurb......Page 2
Half Title......Page 4
CAMBRIDGE LECTURE NOTES IN PHYSICS......Page 5
Title......Page 6
Copyright......Page 7
Contents......Page 8
Preface......Page 14
Acknowledgements......Page 16
1.1 The issue......Page 18
1.2 Cosmological models......Page 21
1.2.2 Geometry: the cosmological principle......Page 22
1.2.3 The Friedman equations......Page 23
1.2.4 Open, closed and flat cosmologies......Page 24
1.2.5 The equation of state......Page 25
1.2.7 The big-bang model......Page 26
1.3 Cosmological criteria......Page 27
1.4 Preliminary discussion of estimates......Page 30
1.5 Plan of the argument......Page 33
2.1 Simplicity......Page 36
2.2.1 Evolution of Ω......Page 37
2.2.2 Statement of the problem......Page 38
2.2.3 An extended Copernican principle?......Page 39
2.2.4 Measures and probabilities......Page 41
2.3.1 The effect of inflaizon......Page 44
2.3.2 Can inflation produce a low value of Ω ?......Page 46
Different ways of using probability......Page 47
Different probability measures......Page 48
The applicability of probability ideas......Page 50
2.3.5 The occurrence of inflation......Page 51
2.3.6 The exactly critical case......Page 52
2.4.1 Flatness without a critical density......Page 53
2.4.2 Fine-tuning of Λ......Page 54
2.5 Particle physics......Page 56
2.5.1 Hot thermal relics (HDM)......Page 58
2.5.2 Cold thermal relics (CDM)......Page 60
2.5.3 Decaying dark matter......Page 61
2.5.4 Possible laboratory tests?......Page 62
2.6 Summary......Page 63
3.1.1 Model ages......Page 64
3.1.2 The Hubble constant......Page 65
3.1.3 Ages of objects......Page 67
3.1.5 The cosmological constant......Page 69
3.2 'Classical cosmology'......Page 71
3.2.1 Standard candles......Page 72
3.2.2 Angular sizes......Page 75
3.2.3 Number counts......Page 77
3.3.1 Multiply imaged QSOs......Page 81
3.3.2 Microlensing......Page 82
• Classical cosmology......Page 83
• Gravitational lensing......Page 84
4.1.1 Prelude......Page 86
4.1.2 Big-bang nucleosynthesis......Page 89
4.1.3 Helium 4......Page 91
4.1.4 Other light nuclei......Page 92
4.2 The evidence......Page 94
4.2.2 Deuterium......Page 95
4.2.3 Helium 3......Page 96
4.2.5 Observations vs. theory......Page 97
4.3 Non-standard nucleosynthesis......Page 99
4.4.1 Summary of constraints......Page 102
4.5 Summary......Page 103
5.1 Galaxies......Page 106
5.1.1 The mass-to-light ratio......Page 107
5.1.2 Spiral and elliptical galaxies......Page 108
5.1.4 The galactic density of matter......Page 109
5.2.1 Galaxies in clusters......Page 110
5.2.2 Dynamical dark matter in clusters......Page 111
5.2.3 X-ray gas in clusters......Page 113
5.2.5 Arcs, arclets and image distortions......Page 114
5.2.6 Subclustering and time-scales......Page 116
5.3.1 Quasar spectra......Page 118
5.3.2 Spectral distortions of the CMB......Page 123
5.3.3 A hot 1GM?......Page 124
5.4 Summary......Page 126
6.1 Theoretical prelude......Page 128
6.1.1 Gravitational instability......Page 129
6.1.2 Linear perturbation theory......Page 130
6.1.3 Primordial density fluctuations......Page 132
6.1.4 The transfer function......Page 134
6.1.5 Beyond linear theory?......Page 136
6.1.6 The contenders......Page 137
6.2.1 Redshift surveys......Page 141
6.2.2 Galaxy and cluster correlations......Page 142
6.2.4 Fluctuations in counts......Page 144
6.2.6 The abundances of objects......Page 145
6.3 Dipole analysis......Page 148
6.3.1 The basic idea......Page 149
6.3.2 The IRAS dipole......Page 150
6.3.3 Rich clusters of galaxies......Page 151
6.3.4 Other sources of error......Page 153
6.4.1 Bulk flows and streaming motions......Page 154
6.4.2 Velocity-density reconstruction......Page 158
6.4.3 Redshift-space distortions......Page 161
6.5 Summary......Page 164
7
 The cosmic microwave background......Page 166
7.1.1 The relic radiation......Page 167
7.1.2 The angular power spectrum......Page 169
7.1.3 Folklore and phenomenology......Page 172
7.1.4 Compatible low-density models......Page 173
7.2 The Sachs—Wolfe effect......Page 174
7.2.1 The fiat case......Page 176
7.2.2 Gravitational waves......Page 177
7.2.3 Non-flat models......Page 179
7.3 Smaller-scale radiation anisotropies......Page 181
7.3.1 A two-fluid model......Page 182
7.3.2 Kinetic theory......Page 184
7.3.3 Intermediate scales: the Doppler peaks......Page 187
7.4.1 COBE and all that......Page 190
7.4.2 The search for the Doppler peak......Page 193
7.4.3 Prospects for the future......Page 195
7.5 Summary......Page 196
8.1 Lumpy universe models......Page 198
8.2 The fitting problem and integral constraints......Page 199
Newtonian theory......Page 202
General relativity......Page 204
8.3.3 Implications......Page 205
8.4.1 Local and global values of Ω......Page 206
8.4.2 Selection effects related to scale......Page 207
Horizons and scales beyond the horizon......Page 208
8.5 Taking inhomogeneity seriously......Page 209
9
 What is the verdict?......Page 210
9.1 The evidence......Page 212
9.2 The weight of evidence......Page 216
9.3 Criteria for cosmological theories......Page 220
9.4 Future prospects......Page 221
9.5 The standard model of cosmology......Page 222
References......Page 226
Index......Page 240