Spróbujmy więc poznać bliŝej wielkoskalową strukturę oraz ewolucję WSZECHŚWIATA

Transkrypt

1

2 Spróbujmy więc poznać bliŝej wielkoskalową strukturę oraz ewolucję WSZECHŚWIATA WIATA tak jak je dziś postrzegamy. Zajmuje się tym KOSMOLOGIA.

3 Kosmologia zajmuje się strukturą i ewolucją Wszechświata jako całości. ci. Jest to dziedzina interdyscyplinarna na pograniczu astronomii, fizyki, matematyki a takŝe e filozofii.

4 Podstawowe pytania, na które kosmologia miała a dać odpowiedź: Czy Wszechświat jest przestrzennie skończony czy nieskończony? Czy Wszechświat jest skończony czy nieskończony w czasie (czy miał jakiś początek i czy będzie b jakiś koniec jego trwania)? Czy Wszechświat jako całość jest statyczny (niezmienny) czy teŝ podlega jakiejś ewolucji?

5 WIELE INFORMACJI O OBIEKTACH KOSMICZNYCH DOSTARCZA ANALIZA ICH WIDM, ZWŁASZCZA LINIE ABSORPCYJNE PIERWIASTKÓW.

6 CHARAKTERYSTYCZNE LINIE WIDMOWE WODORU TZW. SERIA BALMERA. KAśDY PIERWIASTEK MA CHARAKTERYSTYCZNY DLA SIEBIE ZBIÓR LINII WIDMOWYCH O DOBRZE ZNANYCH DŁUGOD UGOŚCIACH FALI ZA POMOCĄ SPEKTROGRAFU WSPÓŁPRACUJĄCEGO Z TELESKOPEM ROBI SIĘ WIDMA OBIEKTÓW KOSMICZNYCH I IDENTYFIKUJE W NICH LINIE WIDMOWE PIERWIASTKÓW. (PRZYKŁADOWE WIDMO GWIAZDY)

7 ODKRYCIE HUBBLE A A (1929) Hubble zauwaŝył, Ŝe e linie widmowe pierwiastków w w widmach galaktyk sąs przesunięte względem laboratoryjnych długości fali w stronę fal dłuŝszych. d Wielkość tego przesunięcia definiujemy: z : = λ obs λ λ lab lab = λ λ lab Okazało o się ono wprost proporcjonalne do odległości d do badanej galaktyki

8 ILUSTRACJA PRZESUNIĘCIA LINII ABSORPCYJNYCH W WIDMACH ODDALAJĄCYCH SIĘ OBIEKTÓW Z = 0.25 Z = 0.05 Z = 0.02 Z <

9 E. HUBBLE SFORMUŁOWAŁ SWOJE SŁYNNE PRAWO KOSMOLOGICZNEJ EKSPANSJI W 1929r: GALAKTYKI ODDALAJĄ SIĘ WZAJEMNIE OD SIEBIE Z PRĘDKO DKOŚCIĄ V GPROPORCJONALNĄ DO ODLEGŁOŚCI d MIĘDZY NIMI, CZYLI: v = H*d współczynnik proporcjonalności H nazwano stałą Hubble a E. Hubble

10 PRAWO HUBBLE A A [c.d.] Z formuły y Hubble a V = H*r wynika, Ŝe e parametr H = V/r ma wymiar [(m/s)/m] = [1/s]. W takim razie odwrotność parametru Hubble a - 1/H ma wymiar czasu [s] i jest co do rzędu wielkości równa wiekowi Wszechświata wiata. Według obecnych danych obserwacyjnych wartość parametru H pozwala oszacować wiek Wszechświata na ok. 14 (+/-1) mld.. lat.

11 PRAWO HUBBLE A A [c.d.] Odległość r(t) między dwoma punktami (galaktykami) we PRAWO Wszechświecie HUBBLE A moŝna zapisać A r(t) [c.d.] = rˆ R(t) gdzie rˆ = 1 to wektor jednostkowy zaś R(t) to tzw. mnoŝnik nik skalujący. r' r r(t) = rˆ R(t) R(t + t) R' = = r(t) = rˆ R(t) R(t) R Po czasie t odległość zwiększy się na skutek ekspansji i będzie: b r'(t + t) = rˆ R(t + t) Napiszmy proporcję: r' r = R(t + t) R(t) = R' R r' = r r R(t + t) R(t)

12 PRAWO HUBBLE A A [c.d.] Zmiana odległości między obiektami: r = r' r = r R(t + t) R(t) R(t) = r zaś tempo wzajemnego oddalania się V = r t = 1 R R t r R R Porównuj wnując c z obserwacyjnie otrzymanym prawem V = H*r widać, Ŝe e tzw. stała a Hubble a jest jednak H(t) = 1 R(t) R t funkcją czasu

13

14 PODSTAWOWE RÓWNANIE R KOSMOLOGII OPISUJE ONO MOśLIWE LOSY EKSPANSJI KOSMOLOGICZNEJ CZYLI WIELKOŚĆ H 2 ŚĆ R(t). 8πGρ 3 = kc R 2 2 (*) H(t) = 1 R(t) R t gdzie k = 0 lub +1 lub -11 w zaleŝno ności od znaku lewej strony równania. r PRZEBIEG EKSPANSJI ZALEśY Y OD: ŚREDNIEJ GĘSTOG STOŚCI MATERII WE WSZECHŚWIECIE; WIECIE; WARTOŚCI PARAMETRU HUBBLE A H(t) ). PIERWSZE DYNAMICZNE ROZWIĄZANIA ZANIA KOSMOLOGICZNE ZOSTAŁY Y ZNALEZIONE PRZEZ FRIEDMANA.

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

16 MODELE KOSMOLOGICZNE a geometria Wszechświata [1] ρ = ρ c ρ > ρc ρ < ρc

17 MODELE KOSMOLOGICZNE a geometria Wszechświata [2] R(t) k = -1 R(t) t k = 0 R(t) t k = +1 t

18

19

20

21 MODELE KOSMOLOGICZNE -WNIOSKI Obserwowana ekspansja kosmologiczna wygląda tak samo z kaŝdego miejsca we Wszechświecie. Nie znajdujemy się w Ŝadnym wyróŝnionym punkcie (środku),( od którego inne galaktyki oddalają się (zasada kosmologiczna). Ekspansja kosmologiczna nie polega na ruchu galaktyk w przestrzeni.. Jest ona raczej rozdymaniem się samej przes- trzeni i na skutek tego rozdymania zwiększaj kszają się wzajemne odległości między galaktykami. (uwaga - same galaktyki, gwiazdy, planety itp.. nie rozdymają się na skutek tej ekspansji).

22 MODELE KOSMOLOGICZNE -WNIOSKI [c.d] Ekspansja Wszechświata miała a swój j początek w czasie. Nazwano ten moment (niezbyt fortunnie) Wielkim Wybuchem. Tzw. Wielki Wybuch nie zaszedł w jakimś konkretnym miejscu istniejącej wcześniej przestrzeni.. Wielki Wybuch niejako generuje powstanie samej przestrzeni i czasu a takŝe e materii wypełniaj niającej przestrzeń oraz inicjuje ekspansję kosmologiczną.

23 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.

24 TROCHĘ HISTORII [1] ODKRYCIE HUBBLE A A ORAZ KOSMOLOGICZNE MODELE FRIEDMANA SUGERUJĄ, śe E PRZED KILKUNASTOMA MILIARDAMI LAT PRZESTRZEŃ WSZECHŚWIATA WIATA BYŁA A WYPEŁNIONA GĘSTG 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.

25 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.

26 A. PENZIAS I R. WILSON ORAZ ICH ANTENA

27 MISJA SATELITY COBE [COsmic Background Explorer] 1992.

28 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).

29 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.

30 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.

31 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

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

33 MISJA 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.

34 MISJA 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.

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

36 MISJA SATELITY W_MAP ( ) [Microwave Anisotropy Probe]

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

38

39 Porównanie rozdzielczości kątowej satelity COBE oraz satelity MAP

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

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

42 A 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

43 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.

44 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.

45 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.

46 PEWNA NIEWIELKA CZĘŚĆ HELU ZDĄśY 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.

47 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.

48 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 A CO BYŁO O JESZCZE WCZEŚNIEJ?

49 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.

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

51 ERA KWARKOWA [1] PRZYPOMNIENIE NAJGŁĘ ŁĘBSZEJ STRUKTURY MATERII

52 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

53 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.

54 ERA PLANCKA s. T>10 32 K O tej fazie wiemy dziś (a raczej domyślamy się), Ŝe sama czasoprzestrzeń powinna być opisywana kwantowo. Nie mamy zadawalającej teorii kwantowej grawitacji. Jedną z powaŝniejszych kandydatek jest obecnie tzw. teoria superstrun. Nie wiemy co zainicjowało Wielki Wybuch choć i na ten temat zaczynają pojawiać się pierwsze pomysły. y.

55 Więcej jest rzeczy (dziwnych) na ziemi i niebie, niŝ się ich śniło o waszym filozofom. (W. Szekspir Hamlet) Dziwny jest ten świat. (Cz. Niemen) Najbardziej niezrozumiałą rzeczą dotyczącą Wszechświata jest to, Ŝe e moŝe e być on zrozumiały. (A. Einstein)

56 J. SIKORSKI, IFD UNIWERSYTET GDAŃSKI