[C [ Z.. 2 ]

Transkrypt

1 [CZ. 2]

2

3 MODELE KOSMOLOGICZNE FRIEDMANA TRZY MOśLIWE PRZYSZŁE E LOSY WSZECHŚWIATA WIATA I EKSPANSJI KOSMOLOGICZNEJ

4 Skoro kosmologiczna ekspansja miała początek przed ok. 14 mld. Lat to spróbuj buj- my w wyobraźni puści cić ten film wstecz i prześledzi ledzić (według dzisiejszej wiedzy) wczesne etapy ewolucji Wszechświata.

5 TROCHĘ HISTORII [1] ODKRYCIE HUBBLE A A ORAZ KOSMOLOGICZNE MODELE FRIEDMANA SUGERUJĄ, śe E PRZED KILKUNASTOMA MILIARDAMI LAT PRZESTRZEŃ WSZECHŚWIATA WIATA BYŁA A WYPEŁNIONA GĘST G STĄ I GORĄCĄ MATERIĄ ZANURZONĄ W RÓWNIE R GORĄCYM PROMIENIOWANIU. WSZECHŚWIAT WIAT ROZPOCZĄŁ WIĘC C SWOJĄ EKSPANSJĘ OD TZW. WIELKIEGO WYBUCHU. JUś W LATACH 40-TYCH ZASTANAWIANO SIĘ NAD EWENTUALNYMI ŚLADAMI OBSERWACYJNYMI PO TYM OSOBLIWYM WYDARZENIU.

6 TROCHĘ HISTORII [2] G. GAMOW WYSUWA SUGESTIĘ O ISTNIENIU PROMIENIOWANIA BĘDĄCEGO RELIKTEM PO FAZIE GĘSTEGO I GORĄCEGO WSZECHŚWIA- TA. ALPHER I HERMAN OSZACOWALI JEGO OBECNĄ TEMPERATURĘ NA OK. 5 K A. PENZIAS I R. WILSON KALIBRUJĄC ANTENĘ DO ŁĄCZNOŚCI SATELITARNEJ PRZYPADKOWO ODKRYWAJĄ PROMIENIOWA- NIE TŁA O TEPERATURZE OK.. 3 K. IDĄC ZA SUGESTIĄ R. DICKE A ZAPROPONOWALI KOSMOLOGICZNE POCHODZENIE TEGO PROMIENIOWANIA. W 1978 r. OBAJ OTRZYMALI NAGRODĘ NOBLA ZA SWOJE ODKRYCIE.

7 A. PENZIAS I R. WILSON ORAZ ICH ANTENA

8 MISJA SATELITY COBE [COsmic Background Explorer] 1992.

9 MISJA SATELITY COBE SATELITA TEN WYKONAŁ TEMPERATUROWĄ MAPĘ CAŁEJ SFERY NIEBIESKIEJ. WYZNA- CZONO Z NIEJ ŚREDNIĄ TEPERATURĘ PRO- MIENIOWANIA RELIKTOWEGO T = 2.73 K. NA POZIOMIE DOKŁADNOŚCI 0.01 K. PROMIENIOWA- NIE TO BYŁO IDEALNIE IZOTROPOWE (JEGO TEMPERATURA NIE ZALEśAŁA OD KIERUNKU NA SFERZE NIEBIESKIEJ).

10 MISJA SATELITY COBE DALSZE REZULTATY PRZY ANALIZIE DANYCH NA POZIOMIE DOK- ŁADNOŚCI OK K. WYKRYTO TAKśE (OCZEKIWANE) DROBNE FLUKTUACJE TEM- PERATURY O AMPLITUDZIE RZĘDU K.

11 ODKRYTO WIĘC C FAKT, śe E JUś KILKA TYSIĘCY LAT PO WIELKIM WYBUCHU ISTNIAŁY Y W ROZKŁADZIE MATERII PEWNE STATYSTYCZNE FLUKTUACJE GĘSTOG STOŚCI (A WIĘC C I TEMPERATURY), KTÓRE W DALSZEJ EWOLUCJI STAŁY Y SIĘ GRAWITACYJNYMI ZARODKAMI PRZYSZŁYCH YCH GALAKTYK I ICH GROMAD. W TRAKCIE DALSZEJ EKSPANSJI PROMIENIO- WANIE RELIKTOWE STYGŁO O LECZ ŚLAD PO DAWNYCH FLUKTUACJACH POZOSTAŁ W NIM DO DZIŚ JAK ODCISK PALCA.

12 ZA PROJEKT I PRZYGOTOWANIE MISJI SATELITARNEJ COBE ORAZ ANALIZĘ I INTERPRETACJĘ REZULTATÓW GEORGE F. SMOOT ORAZ JOHN C. MATHER OTRZYMALI NAGRODĘ NOBLA Z FIZYKI W ROKU G. F. SMOOT J. C. MATHER

13 MISJA BOOMERANG BOOMERANG APARATURA DO POMIARU TEMPERATURY PROMIENIOWANIA RELIKTOWEGO ZAINSTA- LOWANA NA BALONIE STRATOSFERYCZNYM POMIARY WYKONYWANO OD 29. XII DO 09. I

14 MISJA BOOMERANG BOOMERANG [c.d.] POMIARY WYKONANO NA CZĘŚCI SFERY NIEBIESKIEJ (ok. 3%) LECZ Z DUśO LEPSZĄ KĄTOWĄ ZDOLNOŚCIĄ ROZDZIELCZĄ NIś SATELITA COBE Mapka fluktuacji temperatury promieniowania tła.

15 MISJA BOOMERANG BOOMERANG [c.d.] Analiza teoretyczna oraz symulacje komputerowe pozwalają oszacować najbardziej prawdopodobne rozmiary kątowe plamek fluktuacji temperatury dla trzech podstawowych typów modeli kosmologicznych (a) dla geometrii hiperbolicznej, (b) dla geometrii euklidesowej, (c) dla geometrii sferycznej. Dla Wszechświata o geometrii euklidesowej najliczniejsze powinny być fluktuacje o rozmiarach kątowych ok. 1 stopnia.

16 MISJA BOOMERANG BOOMERANG [c.d.] A oto porównanie analiz teoretycznych z danymi pomiarowymi misji BOOMERANG Rezultat wyraźnie preferuje model o geometrii euklidesowej.

17 MISJA SATELITY W_MAP ( ) [Microwave Anisotropy Probe]

18 MISJA SATELITY W_MAP Wykonano tu mapę fluktuacji temperaturowych z duŝą kątową zdolności cią rozdzielczą dla całej sfery niebieskiej.

19

20 Porównanie rozdzielczości kątowej satelity COBE oraz satelity MAP

21 Fragment mapy fluktuacji z satelity MAP ilustrujący jego zdolność rozdzielczą i wyrazistość plamek fluktuacyjnych

22 WSPÓŁCZESNA MAPA ROZKŁADU PRZESTRZENNEGO PONAD MILIONA GALAKTYK ORAZ MAPA FLUKTUACJI PROMIENIOWANIA RELIKTOWEGO

23 A CO BYŁO O JESZCZE WCZEŚNIEJ? W PIERWSZYCH MINUTACH, SEKUNDACH ORAZ UŁAMKACH U SEKUND? Z PEWNOŚCI CIĄ PRZESTRZEŃ WYPEŁNIA OŚRODEK O O CORAZ WIĘKSZEJ GĘSTOG STOŚCI I CORAZ WYśSZEJ TEMPERATURZE. PRZYPOMNIJMY WIĘC C SOBIE W WIELKIM SKRÓCIE DZISIEJSZY STAN WIEDZY O NAJGŁĘ ŁĘBSZEJ STRUKTURZE MATERII.

24 A OTO MIKROSKOPOWA STRUKTURA MATERII:

25 A OTO MIKROSKOPOWA STRUKTURA MATERII PROTON NEUTRON K W A R K I TO SKŁADNIKI PROTONÓW W INEUTRONÓW

26

27 SKALE ROZMIARÓW OD ATOMÓW W DO KWARKÓW W I LEPTONÓW. Jądro atomowe w atomie to jak moneta leŝą Ŝąca na środku stadionu piłkarskiego Kwarki w protonie to jak ziarnka maku w kuli średnicy jednego metra

28 WRACAMY WIĘC C DO PYTANIA: CO BYŁO O JESZCZE WCZEŚNIEJ? W PIERWSZEJ MINUCIE PO tzw. WIELKIM WYBUCHU PRZESTRZEŃ WSZECHŚWIATA WIATA WYPEŁNIA MIESZANINA CZĄSTEK: protonów i neutronów - (p +, n) [bariony] elektronów i neutrin - (e -, ν e ) [leptony] mionów i taonów oraz - (µ, ν ) [cięŝsze µ ich neutrin (τ, ν ) τ leptony] a takŝe fotonów - γ TEMPERATURA MIESZANINY - T ok K JEJ GĘSTOG STOŚĆ JEST RZĘDU g/cm 3

29 GDY TEMPERATURA SPADNIE PONIśEJ K TO MOGĄ JUś TWORZYĆ SIĘ I UTRZY- MAĆ PIERWSZE PRODUKTY SYNTEZY: n + p + 2 D + γ 1 TEMPO PRODUKCJI DEUTERU ZALEśY Y OD: (a) Temperatury ośrodka o (częstotliwo stotliwość i energia zderzeń), (b) GęstoG stości neutronów w i protonów.

30 OTO KOLEJNE PROCESY NUKLEO- SYNTEZY: 2 D + n 3 T + γ 2 D + p + 3 He + γ 2 D+ 2 D 3 He + p + Na skutek tych reakcji deuteru zaczyna ubywać aŝ jego obfitość stabilizuje się na poziomie 5*10-5 ilości wodoru. Taka z grubsza obfitość deuteru jest dziś obserwowana we Wszechświecie.

31 He Gdy względna koncentracja izotopu osiągnie poziom ok (ilości wodoru) to zaczyna zachodzić proces: 3 He+ 3 He 4 He + 2p 3 + W tym procesie trwającym zaledwie kilka minut powstał niemal cały y hel obecny we Wszechświecie. Późniejsza ewolucja gwiazd produkująca hel nie zmieniła a jego obfitości w istotny sposób.

32 PEWNA NIEWIELKA CZĘŚĆ HELU ZDĄś ĄśY JESZCZE WEJŚĆ W REAKCJE: 4 He+ 3 T 7 Li + γ 4 He+ 3 He 7 Be + γ oraz 4 He+ 4 He 8 Be + γ Ta ostatnia reakcja daje nietrwały y izotop berylu. Nie ma trwałych nuklidów w o masach atomowych 5 i 8. atomowych 5 i 8.

33 KOLEJNA MOśLIWA REAKCJA NUKLEO- SYNTEZY TO TZW. CYKL 3α: He C + γ Reakcja ta wymaga jednak temperatury ok K a tymczasem temperatura Wszechświa wia- ta spadła a poniŝej tej wartości. PIERWOTNA NUKLEOSYNTEZA DOBIEGŁA A KOŃCA. Produkcją węgla i innych pierwiastków zajmą się w przyszłości masywne gwiazdy.

34 OBSERWOWANA DZISIAJ OBFITOŚĆ HELU, DEUTERU, LITU, BERYLU I IZOTOPU He 3 JEST, OBOK EFEKTU HUBBLE A ORAZ PROMIENIOWANIA RELIKTOWEGO, DODATKOWYM DO- WODEM NA TRAFNOŚĆ SCENARIUSZA ZWANEGO WIELKIM WYBUCHEM ZWANEGO WIELKIM WYBUCHEM A CO BYŁO O JESZCZE WCZEŚNIEJ?

35 ERA HADRONOWA TEMPERATURA: OD DO CZAS TRWANIA: OK s. 13 K W tym okresie sąs wszystkie cząstki tworzące supergęst stą i gorącą plazmę są tzw. gazem relatywistycznym (poruszają się chaotycznie z prędko dkościami relatywistycznymi). Gdy temperatura (na skutek rozszerzania się Wszechświata) obniŝy y się do ok K to zacznie się omawiana wcześniej pierwotna nukleosynteza.

36 ERA KWARKOWA [1] PRZYPOMNIENIE NAJGŁĘ ŁĘBSZEJ STRUKTURY MATERII

37 ERA KWARKOWA [2] PRZY TEMPERATURACH POWYśEJ K I GĘSTOG STOŚCIACH ok g/cm 3 OTRZYMUJE SIĘ PLAZMĘ KWARKOWO LEPTONOWĄ. PO CZASIE ok s. TEMPERATURA SPADA PONIśEJ K I NASTĘPUJE UWIĘZIENIE KWARKÓW W W HADRONACH. PRZECHODZIMY W TEN SPOSÓB B DO ERY HADRONOWEJ.

38 10-44 ERA PLANCKA s. T> K O tej fazie wiemy dziś (a raczej domyślamy się), Ŝe e sama czasoprzestrzeń powinna być opisywana kwantowo. Nie mamy zadawalającej teorii kwantowej grawitacji. Jedną z powaŝniejszych kandyda- tek jest obecnie tzw. teoria superstrun. Nie wiemy co zainicjowało Wielki Wybuch choć i na ten temat zaczynają pojawiać się pierwsze pomysły. y.

39 J. SIKORSKI, IFD UNIWERSYTET GDAŃSKI