Wczoraj, dziś i jutro Wszechświata. Michał Jaroszyński Obserwatorium Astronomiczne

Transkrypt

1 Wczoraj, dziś i jutro Wszechświata Michał Jaroszyński Obserwatorium Astronomiczne Planety, gwiazdy, mgławice Jednorodność, izotropia, ekspansja Prosty model Przyszłość? Jednostki odległości: 1AU=150 mln km = 500 s.św. rok św. = 9.5 bilionów km 1pc= AU =31 bilionów km = 3.26 r.św.

2 Dziś Dla Państwa pokolenia dzisiaj to jeden z ~7 tysięcy przeżytych dni Odpowiadałby temu ~1 milion lat w historii Wszechświata Obserwujemy to, co miało już miejsce. W astronomii to mogą być zdarzenia znacząco wcześniejsze (np na Księżycu sprzed ponad sekundy, na Słońcu - przed 8 minutami, w przypadku gwiazd co najmniej 4 lata wcześniej, ale mogą to być tysiące lat) Poznanie reprezentatywnej części Wszechświata wymaga sięgnięcia wstecz, dużo dalej niż 1 milion lat. Wierzymy, że ewolucja jest powolna, a to co wtedy było, było takie jak jest teraz...

3 Wszechświat Kopernika Mikołaj Kopernik ( )

4 Gwiazdy, gwiazdy, gwiazdy... (ten obraz jest rezultatem symulacji komputerowej) Czy rzeczywiście stałe? (nieruchome) Czy to już wszystko?

5 Dowód teorii Kopernika Paralaksa: F.W. Bessel, 1838 (odległość do 61 Cyg)

6 Gromady kuliste

7 Shapley: położenie Słońca M51 60' (1,5 m) teleskop na Mt. Wilson (teleskop Hale'a; później 2,5 m i 5,0 m) Pomiary odległości z użyciem gwiazd pulsujących M31 Shapley: rozkład gromad kulistych w przestrzeni (po 1914) Słońce nie znajduje się w centrum tego układu! NGC 1300

8 Droga Mleczna

9 Nasze miejsce w Drodze Mlecznej Czy istnieje coś poza Drogą Mleczną?

10 Mgławice M51 M31

11 Mgławice spiralne M51 M31 M31 Wielka Mgławica Andromedy NGC 1300

12 Curtis kontra Shapley 1920 Mgławice spiralne należą do Drogi Mlecznej (Wszechświat Shapleya = Droga Mleczna + pustka?) Harlow Shapley Mgławice spiralne są układami gwiazd równoważnymi Drodze Mlecznej Heber D. Curtis

13 Hubble 1924 Cefeidy w Wielkiej Mgławicy Andromedy: odległość do M31 jest większa niż [nawet przypisywane jej przez Shapleya] rozmiary Galaktyki. Wszechświat wyspowy (hipoteza Kanta (~1775): wyspy materii otoczone pustką) Edwin Hubble ,,wyspy galaktyki Droga Mleczna = Galaktyka

14 Prawo Hubble'a 1929 Mierząc prędkości ucieczki, możemy oceniać odległości W astronomii używa się przesunięcia ku czerwieni z. Przy v << c, z=v/c

15 Prawo Hubble'a

16 Katalog prędkości galaktyk CfA Ta mapa wycinka przestrzeni sięga odległości ok. 600 milionów lat św. e

17 (2dF,,widzi galaktyki do 800 Mpc)

18 Charlier (1922): rozkład mgławic na niebie

19 Galaktyki IRAS Powyżej obiekty najbliższe, V < km/s

20 Galaktyki IRAS - cd Powyżej obiekty o prędkościach km/s < V < km/s

21 Ta mapa nieba uwzględnia położenia ponad dostatecznie jasnych źródeł radiowych.

22 Błyski gamma: rozkład na niebie

23 Mikrofalowe promieniowanie tła Penzias i Wilson (1965) odkrycie mikrofalowego promieniowania tła (nagroda Nobla 1978)

24 Mikrofalowe promieniowanie tła: widmo 2.73K Rezultaty pomiarów natężenia promieniowania w różnych częstościach dokonanych przez satelitę COBE (~1990)

25 COBE ( ) WMAP ( ) fluktuacje temperatury WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) ma wielokrotnie wyższą czułość i zdolność rozdzielczą w porównaniu z satelitą COBE (Cosmic Background Explorer) Wahania temperatury w różnych kierunkach są bardzo małe (<1/10000)

26 Planck ( ) Planck: rozdzielczość ~5' Większa czułość, lepsza ocena tła [Planck 2013: I, arxiv: ]

27 Skład chemiczny materii Ponad 25% masy w obłokach gazu stanowi hel, niezależnie od zawartości innych pierwiastków o większych liczbach atomowych. (Reszta to wodór oraz dużo mniejsze domieszki C, N, O,...)

28 Ruch gwiazd w galaktykach spiralnych Pomiar prędkości materii w galaktyce - schemat

29 Krzywe rotacji galaktyk spiralnych Dla tzw,,płaskich krzywych rotacji'' (V~const) masa rośnie z promieniem. Natężenie światła maleje na peryferiach daleko od centrum głównym składnikiem materii staje się coś co nie świeci, ale jest źródłem pola grawitacyjnego, czyli CIEMNA MATERIA (CM)

30 Ciemna materia: makro czy mikro? Jeśli ciemna materia na peryferiach Drogi Mlecznej ma postać niewidocznych makroskopowych obiektów (planety, czarne karły, NS, BH?), to obserwując gwiazdy w Obłokach Magellana można (dzięki efektowi mikrosoczewkowania grawitacyjnego) obecność takich ciał wykryć. Natomiast obiekty w skali mikro (cząstki elementarne?), efektu tego nie spowodują. Pomiar jest trudny. Nawet jeśli całe halo Galaktyki składa się obiektów makro, szansa iż obserwacje gwiazdy w LMC/SMC wykażą efekt soczewkowania, jest mała: 1: (Paczyński, 1986)

31 MACHO, OGLE, EROS...

32 MACHO, OGLE, EROS... Alcock (+MACHO team) 2000: typowe masy mikrosoczewek i ich wkład do masy Halo Galaktyki Ograniczenia zawartości ciał Makro w halo w funkcji masy (Gould +) Raczej więc Mikro?

33 Wszechświat dzisiaj Jednorodny Izotropowy Ekspanduje (rozszerza się) zgodnie z prawem Hubble'a Zawiera mikrofalowe promieniowanie tła Zawiera ciemną materię Hel stanowi ~25% masy zwykłej materii

34 Wszechświat dzisiaj T=2.73 K 400 mln fotonów/m^3 1/4 atomu/m^3 Gęstość masy ciemnej materii kilka razy wyższa od zwykłej Gęstość ponad 10^{29} razy niższa od gęstości wody Główne źródło pola grawitacyjnego: ciemna materia; energia cieplna: fotony mikrofalowego promieniowania tła

35 Wczoraj Obserwacje bardzo odległych ( wczesnych) obiektów Używając praw fizyki można [próbować?] opisać wcześniejszą ewolucję Wszechświata Eksperymenty pozwalają badać materię przy energiach do 7 TeV na cząstkę Prawa fizyki można ekstrapolować do wyższych energii. Fundamentalnym ograniczeniem jest jednak brak kwantowej teorii grawitacji

36 Mały fragment Wszechświata,,Kula galaktyk'' Prawo Hubble'a gwarantuje, że galaktyki dzisiaj wewnątrz, były tam wcześniej i pozostaną tam, choć kula zmienia rozmiary. (Kula współporusza się z galaktykami). Efekt Dopplera prowadzi do takiego związku pomiędzy przesunięciem ku czerwieni z a rozmiarami kuli R(t). Przesunięcie wiąże się bezpośrednio ze stosunkiem odległości dzisiaj / wtedy.

37 Kinematyka Wszechświata Jak sądzimy, grawitacja spowalnia ekspansję,,kuli galaktyk'' czyli dzisiejsza prędkość oddalania się galaktyk blisko powierzchni od środka kuli jest mniejsza niż w przeszłości. Możemy zapytać jak długo trwałoby rozszerzanie się kuli, gdyby jej powierzchnia miala stałą prędkość: Rozmiar kuli nie ma wpływu na wynik. Otrzymujemy charakterystyczny czas ewolucji Wszechświata, nazywany czasem Hubble'a. W ramach przyjętych założeń dochodzimy do wniosku, że Wszechświat jest,,młodszy'' niż 14 mld. lat. Kilkanaście miliardów lat temu: bardzo wysoka gęstość, stan zupełnie inny niż dzisiaj. Konwencja: t=0 początek ewolucji Wszechświata.

38 Najwcześniejsze obiekty W 2012 r. Kosmiczny Teleskop Hubble'a obserwował Pole Hubble'a przez ~200 h, co pozwoliło dostrzec bardzo odległe galaktyki

39 Najwcześniejsze obiekty Obserwacje trudne, informacje skąpe. W t=400 milionów lat istniały już galaktyki, a w nich gwiazdy

40 Historia i archeologia Bouwens i in. (2011) Nature, 469, 504] Ellis et al. (2013) ApJ, 736, L7 Archeologia: potrafimy oceniać wiek gwiazd. Potrafimy ocenić (na podstawie wypadkowych widm) kiedy powstawały gwiazdy należące do współczesnej galaktyki. Stąd odtworzona historia powstawania gwiazd. Sam początek tego procesu jest trudniejszy do odtworzenia, opieramy się na skąpych obserwacjach wczesnych galaktyk, stąd duża niepewność wyniku.

41 ,,Historia zmian temperatury, gęstości Rozszerzanie się Wszechświata powoduje spadek koncentracji, gęstości, temperatury... Znając dzisiejsze parametry materii można zilustrować ich wartości w przeszłości

42 ,,Historia'' anihilacji

43 Nukleosynteza: przygotowanie (a)-(d) - przy kt>1mev; (e) - wolne (f) -praktycznie nieważne W momencie nukleosyntezy (~200s) n/p ~ 1/7

44 Nukleosynteza: schemat reakcji Wagoner, Fowler & Hoyle (1967) ApJ, 148, 3

45 Nukleosynteza: przebieg Wagoner, Fowler & Hoyle (1967) ApJ, 148, 3

46 Nukleosynteza a gęstość Te wykresy pokazują co by było gdyby gęstość nukleonów mogła być 10^6 razy wyższa lub 1000 razy niższa od obserwowanej. Synteza węgla jest (praktycznie) reakcją trójciałową, bo nie istnieje stabilne jądro o masie 8. 10^9K odpowiada koncentracji 10^{25} razy wyższej niż dzisiaj, ale to wciąż < gęstości wody za malo dla reakcji 3 alfa C. Wagoner, Fowler & Hoyle (1967) ApJ, 148, 3

47 Nukleosynteza a obserwacje Obserwacje 4 względnych zawartości dają się uzgodnić z modelem o dobrze określonej gęstości barionów (1 barion na 1,6 miliarda fotonów) pierwsza precyzyjna ocena gęstości zwykłej materii, 1 barion na 4 m^3 potrafimy zrozumieć obecność pierwotnego helu

48 Rekombinacja wodoru Po rekombinacji fotony tła i materia praktycznie nie oddziaływują

49 Mikrofalowe promieniowanie tła promieniowanie reliktowe NASA, GSFC Widmo ukształtowało się w równowadze, gdy miała miejsce wymiana energii pomiędzy fotonami a zjonizowanym gazem. Nie było później procesów mogących je obserwowalnie zakłócić. (Znowu: liczba nukleonów << liczba fotonów nieistotność wpływu nukleosyntezy i rekombinacji)

50 Powtórna jonizacja Schemat: Po rekombinacji neutralny gaz Brakuje źródeł promieniowania (wieki ciemne). Pierwsze gwiazdy/galaktyki jonizują gaz wokół siebie. Obszary zjonizowane łączą się a neutralne stanowią oddzielne wyspy. W końcu cała przestrzeń wypełniona jest zjonizowanym gazem

51 Jutro Prawa fizyki pozwalają przewidzieć przyszłą ewolucję Wszechświata Używamy opisu grawitacji Newtona oraz Einsteina

52 Dynamika Wszechświata,,Kula galaktyk'' Czy kula będzie zawsze ekspandować? (Czy galaktyki blisko powierzchni,,uciekną'' do nieskończoności?)

53 Dynamika Wszechświata Rozmiar,,kuli galaktyk'' nie jest istotny. Pojawia się natomiast charakterystyczna gęstość zwana krytyczną: To czy galaktyki,,uciekną'', czy,,powrócą'' zależy od tego czy rzeczywista średnia gęstość materii we Wszechświecie jest większa, czy mniejsza od krytycznej Ucieczka Ucieczka Powrót

54 Pomiary proste i złożone; oszacowania 1) Pomiar bezpośredni wzrostu Jasia (zdjęcie) 2) Cień Jasia ma długośc 2.8 m. Drzewo, obok którego stoi jaś ma 4,2 m wysokości, a długośc rzucanego przez nie cienia wynosi 7 m. Podaj wzrost Jasia. (zapytaj.onet.pl) 3) Cień Jasia miał długośc 1.8 m w Międzylesiu, 3 lipca 2014 r. o 15:36 czasu uniwersalnego. Podaj wzrost Jasia 4) Jaś ma 10 lat i,,waży'' 31 kg. Podaj wzrost Jasia 5) Siostra Jasia waży 25 kg I ma 127 cm wzrostu. Jaś waży 31 kg. Podaj wzrost Jasia 6)...

55 Supernowe Ia Obok tzw. Diagram Hubble'a dla supernowych. Przedstawia związek pomiędzy prędkością oddalania się obiektu a jego wielkością gwiazdową Im większe z tym dawniej wybuch SN miał miejsce W rozszerzającym się Wszechświecie obserwowana jasność SN, której wybuch miał miejsce miliardy lat temu, zależy od historii zmian odległości ( zmian prędkości rozszerzania) od wybuchu do dzisiaj W modelach Wszechświata o różnych historiach spodziewamy się różnych m(z) (przykładem są 3 wykresy) Dopasowanie jest najlepsze dla wykresu linią ciągłą

56 Dynamika Wszechświata Gęstość energii jest dodatnia. Ciśnienie na ogół też, choć Fizycy ujemnego ciśnienia nie wykluczają. Istnieją teorie, w których ciśnienie jest ujemne i to pozwala otrzymać dodatnie przyspieszenie w powyższym CIEMNA ENERGIA: składnik umożliwiający przyspieszoną ekspansję Wszechświata. NAJWIĘKSZA ZAGADKA kosmologii (a może i fizyki...) Możliwa (zgodna z licznymi testami kosmologicznymi) postać ciemnej energii, tzw stała kosmologiczna lambda:

57 Supernowe Ia: niespodzianka Powyżej kilka możliwych historii ekspansji modeli Wszechświata. Model opisany czerwonym wykresem dawałby najlepsze dopasowanie do obserwacji SN Ia. (Czerwony wykres tutaj ciągła linia na poprzednim wykresie) To tzw model LCDM, model ze stałą kosmologiczną Wspolczesne dopasowania: atomy, ciemna materia, ciemna energia stanowia 0.05, gestości średniej SN Ia PRZYSPIESZONA EKSPANSJA WSZECHŚWIATA

58 Co dalej? Jeśli LCDM poprawny, to czeka nas Wykładnicza ekspansja Wszechświata (char czas ~1/H_0) Wykładniczy wzrost odległosci pomiędzy obiektami, ich coraz większe poczerwienienie Wykładniczy spadek obserwowanych jasności odległych obiektów Zanik tworzenia nowych struktur Niezależnie od Wszechświata Spowolnienie powstawania gwiazd Starzenie się istniejących populacji gwiazdowych Czyli NOC