Kosmologia. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład VIII. Prawo Hubbla

Podobne dokumenty
Kosmologia. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład IX. Prawo Hubbla

Kosmologia. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład X. Prawo Hubbla

Wszechświat Cząstek Elementarnych dla Humanistów Ciemna Strona Wszechświata

Wszechświat czastek elementarnych

Ciemna strona wszechświata

Wszechświat Cząstek Elementarnych dla Humanistów Ciemna strona wszechświata

Ciemna strona Wszechświata

Kinematyka relatywistyczna

Z czego i jak zbudowany jest Wszechświat? Jak powstał? Jak się zmienia?

Polecam - The Dark Universe by R. Kolb (Wykłady w CERN (2008))

Elementy kosmologii. D. Kiełczewska, wykład 15

Oddziaływanie podstawowe rodzaj oddziaływania występującego w przyrodzie i nie dającego sprowadzić się do innych oddziaływań.

10.V Polecam - The Dark Universe by R. Kolb (Wykłady w CERN (2008))

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Wszechświat: spis inwentarza. Typy obiektów Rozmieszczenie w przestrzeni Symetrie

Ciemna strona Wszechświata

Historia Wszechświata w (dużym) skrócie. Agnieszka Pollo Instytut Problemów Jądrowych Warszawa Obserwatorium Astronomiczne UJ Kraków

Ewolucja Wszechświata

Teoria Wielkiego Wybuchu FIZYKA 3 MICHAŁ MARZANTOWICZ

Neutrina z supernowych. Elementy kosmologii

Spis treści. Przedmowa PRZESTRZEŃ I CZAS W FIZYCE NEWTONOWSKIEJ ORAZ SZCZEGÓLNEJ TEORII. 1 Grawitacja 3. 2 Geometria jako fizyka 14

Ekspansja Wszechświata

Podstawy astrofizyki i astronomii

Galaktyka. Rysunek: Pas Drogi Mlecznej

Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się w laboratorium CERN

Ewolucja Wszechświata

Metody badania kosmosu

oraz Początek i kres

Elementy kosmologii. Rozszerzający się Wszechświat Wielki Wybuch (Big Bang) Nukleosynteza Promieniowanie mikrofalowe tła Ciemna Materia Leptogeneza

Odległość mierzy się zerami

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Mechanika. Fizyka I (B+C) Wykład I: dr hab. Aleksander Filip Żarnecki Zakład Czastek i Oddziaływań Fundamentalnych Instytut Fizyki Doświadczalnej

1100-3Ind06 Astrofizyka

Wielki Wybuch czyli podróż do początku wszechświata. Czy może się to zdarzyć na Ziemi?

[C [ Z.. 1 ]

Szczególna teoria względności

Dr Tomasz Płazak. CIEMNA ENERGIA DOMINUJĄCA WSZECHŚWIAT (Nagroda Nobla 2011)

- Cząstka Higgsa - droga do teorii wszystkiego

Czarne dziury. Grażyna Karmeluk

Uniwersytet Mikołaja Kopernika Toruń 6 XII 2013 W POSZUKIWANIU ŚLADÓW NASZYCH PRAPOCZĄTKÓW

Podsumowanie. Fizyka I (Mechanika) Wykład XIV: Czastki elementarne Ewolucja Wszechświata Ciemna materia. Informacje o egzaminie

Ciemna materia i ciemna energia. Andrzej Oleś

Efekt Dopplera. dr inż. Romuald Kędzierski

- mity, teorie, eksperymenty

Materia i jej powstanie Wykłady z chemii Jan Drzymała

Wszechświat. Opis relatywistyczny Początek: inflacja? Równowaga wcześnie Pierwotna nukleosynteza Powstanie atomów Mikrofalowe promieniowanie tła

LX Olimpiada Astronomiczna 2016/2017 Zadania z zawodów III stopnia. S= L 4π r L

To ciała niebieskie o średnicach większych niż 1000 km, obiegające gwiazdę i nie mające własnych źródeł energii promienistej, widoczne dzięki

NIEPRZEWIDYWALNY WSZECHŚWIAT

Ewolucja Wszechświata Wykład 5 Pierwsze trzy minuty

MODEL WIELKIEGO WYBUCHU

Tworzenie protonów neutronów oraz jąder atomowych

Zderzenia relatywistyczne

Wpływ wyników misji Planck na obraz Wszechświata

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Liceum dla Dorosłych semestr 1 FIZYKA MAŁGORZATA OLĘDZKA

Od wielkiego wybuchu do gwiazd neutronowych fizyka relatywistycznych zderzeń ciężkojonowych

Od Wielkiego Wybuchu do Gór Izerskich. Tomasz Mrozek Instytut Astronomiczny UWr Zakład Fizyki Słońca CBK PAN

Wstęp do astrofizyki I

Zderzenia. Fizyka I (B+C) Wykład XVI: Układ środka masy Oddziaływanie dwóch ciał Zderzenia Doświadczenie Rutherforda

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

LVII Olimpiada Astronomiczna 2013/2014 Zadania zawodów III stopnia

Dział: 7. Światło i jego rola w przyrodzie.

Soczewki grawitacyjne narzędziem Kosmologii

Wczoraj, dziś i jutro Wszechświata. Tomasz Bulik

Cząstki elementarne wprowadzenie. Krzysztof Turzyński Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski

Oddziaływania fundamentalne

Kosmografia. czyli rozkład obiektów w przestrzeni

[C [ Z.. 2 ]

Astrofizyka teoretyczna II. Równanie stanu materii gęstej

Wszechświat. Krzywizna przestrzeni Opis relatywistyczny Wszechświata Stała kosmologiczna Problem przyczynowości - inflacja

Wstęp do astrofizyki I

Kinematyka relatywistyczna

Spróbujmy więc poznać bliŝej wielkoskalową strukturę oraz ewolucję WSZECHŚWIATA

Rozmycie pasma spektralnego

Wczoraj, dziś i jutro Wszechświata. Michał Jaroszyński Obserwatorium Astronomiczne

Szczegółowe wymagania edukacyjne na poszczególne oceny śródroczne i roczne z przedmiotu: FIZYKA. Nauczyciel przedmiotu: Marzena Kozłowska

Skala jasności w astronomii. Krzysztof Kamiński

FIZYKA IV etap edukacyjny zakres podstawowy

Wykłady z Geochemii Ogólnej

CZAS I PRZESTRZEŃ EINSTEINA. Szczególna teoria względności. Spotkanie II ( marzec/kwiecień, 2013)

Promieniowanie jonizujące

Budowa i ewolucja gwiazd I. Skale czasowe Równania budowy wewnętrznej Modele Diagram H-R Ewolucja gwiazd

WSTĘP DO FIZYKI CZĄSTEK. Julia Hoffman (NCU)

Ewolucja w układach podwójnych

Zderzenia relatywistyczne

Dynamika relatywistyczna

Stany skupienia (fazy) materii (1) p=const Gaz (cząsteczkowy lub atomowy), T eratura, Tempe Ciecz wrzenie topnienie Ciało ł stałe ł (kryształ)

Kinematyka relatywistyczna

Astronomia. Znając przyspieszenie grawitacyjne planety (ciała), obliczyć możemy ciężar ciała drugiego.

Wielki Wybuch Autor tekstu: Paweł Dudek

PROJEKT KOSMOLOGIA PROJEKT KOSMOLOGIA. Aleksander Gendarz Mateusz Łukasik Paweł Stolorz

STRUKTURA MATERII PO WIELKIM WYBUCHU

Energetyka konwencjonalna odnawialna i jądrowa

Dziwny jest ten świat: czastki elementarne

Zderzenie galaktyki Andromedy z Drogą Mleczną

Analiza spektralna widma gwiezdnego

I. Przedmiot i metodologia fizyki

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

Rodzaje fal. 1. Fale mechaniczne. 2. Fale elektromagnetyczne. 3. Fale materii. dyfrakcja elektronów

Transkrypt:

Kosmologia Wykład VIII Prawo Hubbla Elementy fizyki czastek elementarnych Wielki Wybuch i ewolucja Wszechświata Promieniowanie tła Eksperyment WMAP W jakim (Wszech)świecie żyjemy?...

Efekt Dopplera Prawo Hubbla Przypadek (klasyczny) A: źródło dżwięku o częstości f poruszajace się z prędkościa v względem ośrodka w którym prędkość dźwięku wynosi c. Dla uproszczenia: krótkie impulsy wysyłane co t = 1/f: c t 1 t 2 v Częstość dźwięku i długość fali mierzona przez obserwatora nieruchomego względem ośrodka: f = f 1 + v c ( λ = λ 1 + v c ) f f c/f v/f c/f A.F.Żarnecki Wykład VIII 1

Efekt Dopplera Przypadek (klasyczny) B: obserwator porusza się z prędkościa v względem ośrodka i źródła dżwięku v c t 2 t 1 Prawo Hubbla Mierzona częstość długość fali: ( f = f 1 v ) c λ = λ 1 v c f f Wyrażenia uzyskane w podejściu klasycznym sa różne dla przypadków A i B. v/f c/f c/f Istotny jest ruch względem ośrodka. A jak to będzie dla światła? A.F.Żarnecki Wykład VIII 2

Prawo Hubbla Efekt Dopplera - przypadek relatywistyczny Aby zaobserwować efekt Dopplera dla światła, źródło i/lub obserwator musi się poruszać z prędkościa porównywalna z prędkościa światła. 1 należy uwzględnić dylatację czasu γ = = 1 1 β 2 (1 β)(1 + β) Ruchome źródło Poruszajace się źródło drga z częstościa γ razy mniejsza: f = f/γ 1 + β = f 1 β 1 + β Pełna symetria! Ruchomy obserwator Dla poruszajacego się obserwatora czas biegnie wolniej, mierzona częstość jest γ razy większa: f 1 β = γ f (1 β) = f 1 + β Efekt relatywistyczny nie wyróżnia żadnego układu odniesienia! A.F.Żarnecki Wykład VIII 3

Prawo Hubbla Przesunięcie ku czerwieni Jeśli źródło światła oddala się od obserwatora następuje wydłużenie fali: λ 1 + β = λ λ (1 + z) 1 β Linie węgla w widmie kwazara PKS 1232+0815: z = λ λ : przesunięcie ku czerwieni (ang. redshift ) W widmach odległych gwiazd zaobserwowano linie znanych nam pierwiastków wyraźnie przesunięte ku czerwieni. Widoczne przesunięcie odpowiada z=2.34 (λ = 3.34 λ)! A.F.Żarnecki Wykład VIII 4

Prawo Hubbla Przesunięcie ku czerwieni Obecne pomiary: H 70 km/s/m pc Przesunięcie ku czerwieni w widmach odległych galaktyk zaobserwował po raz pierwszy Hubble w 1929 r. Zauważył on też, że prędkość ucieczki rośnie z odległościa: (prawo Hubbla) v = H r r - odległość od Ziemi, H - stała Hubbla Wartość podana przez Hubbla: H 500 km/s/m pc prawie rzad wielkości za dużo :-) A.F.Żarnecki Wykład VIII 5

Prawo Hubbla Przesunięcie ku czerwieni Obserwowane przsunięcie jest takie samo w całym zakresie widma promieniowania elektromagnetycznego. Obserwacja Hubbla, że wszystkie obiekty oddalaja się, nie wyróżnia w żaden sposób naszego układu odniesienia. Porównanie przesunięcia w zakresie optycznym i radiowym: Dowolne dwa obiekty oddalać się beda w ten sam sposób. A.F.Żarnecki Wykład VIII 6

Wielki Wybuch Poczatki Wszechświata Przyjmujemy, że Wszechświat rozpoczał swoja ewolucję od pojedyńczego punktu, osobliwości, o nieskończonej gęstości energii... 10 43 sekundy Wszechświat rozszerza się bardzo szybko (tzw. inflacja), nierozróżnialne oddziaływania (nośniki) sa w równowadze z materia i antymateria, np: W + W q q http://outreach.web.cern.ch/outreach/public/cern/picturepacks/bigbang.html A.F.Żarnecki Wykład VIII 7

Wielki Wybuch 10 34 sekundy Rozszerzanie spadek energii czastek. Materia znajduje się w stanie Plazmy Kwarkowo-Gluonowej (QGP). Oddziaływania silne oddzielaja się od elektrosłabych. 10 10 sekundy Oddzielenie oddziaływań elektromagnetycznych i słabych. Zanikaja swobodne bozony W ± i Z (do tej pory w równowadze z fotonami). A.F.Żarnecki Wykład VIII 8

Wielki Wybuch 10 5 sekundy Kwarki formuja neutrony i protony. Antymateria zaczyna zanikać bo promieniowanie jest już zbyt słabe aby ja wciaż wytwarzać. 3 minuty Protony i neutrony tworza jadra lekkich pierwiastków. Wraz z zanikiem reakcji termojadrowych ustala się zawartości różnych izotopów we Wszechświecie. A.F.Żarnecki Wykład VIII 9

Wielki Wybuch 300 000 lat Elektrony wychwytywane przez jadra tworza atomy. Wszechświat staje się przeźroczysty dla fotonów. 1 000 000 000 lat Formacja galaktyk, synteza ciężkich pierwiastków w gwiazdach. A.F.Żarnecki Wykład VIII 10

A.F.Żarnecki Wykład VIII 11

Zasada kosmologiczna Ewolucja Wszechświata Kosmologia zajmuje się opisem Wszechświata na odległościach większych od rozmiarów wszystkich znanych nam struktur skala kosmologiczna Zasada kosmologiczna: w skalach kosmologicznych Wszechświat jest jednorodny i izotropowy materia jest rozłożona równomiernie Zamiast przepływu materii we Wszechświecie (pozycja zależna od czasu: r = r(t)), możemy opisać ewolucję Wszechświata wprowadzajac układ współporuszajacy się. W układzie tym materia (uśredniona na skalach kosmologicznych) spoczywa (r = r 0 ). Zmianę odległości między obiektami opisujemy poprzez wprowadzenie zależnej od czasy metryki: [ ds 2 = dt 2 R 2 dr 2 (t) 1 k r 2 + ( ) ] r2 dθ 2 + dφ 2 sin 2 θ metryka Friedmanna-Robertsona-Walkera, k = 1, 0, 1: krzywizna przestrzeni A.F.Żarnecki Wykład VIII 12

Ewolucja Wszechświata Krzywizna przestrzeni k = 0 k = 1 k = +1 Równania Friedmann a Równanie Einsteina możemy sprowadzić do równań na skalę R(t). Równania Friedmann a: (Ṙ ) 2 H 2 = = 8πG R 3 ρ k R 2+1 3 Λ R R = Λ 3 4πG (ρ + 3p) 3 gdzie: ρ - gęstość materii, p - ciśnienie Stała kosmologiczna Λ wprowadził do swojego równania Einstein, aby uratować statyczny i płaski Wszechświat. A.F.Żarnecki Wykład VIII 13

Ewolucja Wszechświata Gęstość krytyczna Z równań Friedmanna wynika zależność między krzywizna przestrzeni a gęstościa materii we Wszechświecie. Gęstość krytyczna: ρ c = 3H2 8πG Parametry gęstości (gęstość w jednostkach ρ c ): Ω m = ρ ρ c Ω Λ = Λ 3H 2 Jeśli Ω tot = Ω m + Ω Λ = 1 Wszechświat jest płaski (euklidesowy) krzywizna k = 0 Jeśli Ω tot < 1 Wszechświat otwarty krzywizna k = 1 Jeśli Ω tot > 1 Wszechświat zamknięty krzywizna k = +1 A.F.Żarnecki Wykład VIII 14

Ewolucja Wszechświata Szczególny przypadek: Λ = 0 gęstość materii (krzywizna przestrzeni) określa jednoznacznie charakter ewolucji: Ω m < 1 (k = 1) Wszechświat będzie zawsze rozszerzał się Ω m = 1 (k = 0) asymptotycznie Wszechświat zatrzyma się Ω m > 1 (k = +1) Wszechświat kiedyś zacznie się zapadać Ewolucja Wszechświata (Λ = 0): Do opisu ewolucji Wszechświata wystarcza (w najprostszym modelu) trzy parametry: H, Ω m, Ω Λ A.F.Żarnecki Wykład VIII 15

Ewolucja Wszechświata Gęstość materii we Wszechświecie Krzywizna przestrzeni i charakter ewolucji Wszechświata zależa od gęstości materii. Można spróbować ja zmierzyc na różne sposoby: z pomiaru promieniowania gwiazd i materii międzygwiezdnej materia świetlista Ω lumi 0.006 z pomiaru zawartości lekkich pierwiastków + model nukleosyntezy (Wielki Wybuch) materia barionowa Ω b 0.04 z pomiaru oddziaływań grawitacyjnych (np. rotacja galaktyk) materia grawitacyjna (całkowita?) Ω m Ω m > Ωb ciemna materia!? A.F.Żarnecki Wykład VIII 16

Ciemna materia? Rotacja galaktyk Znane nam prawa dynamiki nie tłumacza rotacji galaktyk. Ramiona wiruja szybciej niż oczekiwalibyśmy z praw grawitacji i dynamiki ciemna materia? A.F.Żarnecki Wykład VIII 17

Projekt 2dF Galaxy Redshift Survey pomiar przesunięcia ku czerwieni dla około 250 000 galaktyk A.F.Żarnecki Wykład VIII 18

Przesunięcie ku czerwieni Ciemna materia? Znana nam materia barionowa nie wystarcza też do opisu oddziaływań grawitacyjnych na skalach międzygalaktycznych Wyniki 2dFGRS Ω m 0.3 A.F.Żarnecki Wykład VIII 19

Ewolucja Wszechświata Pomiar stałej Hubbla Supernowe typu 1A sa najlepszym obiektem do pomiaru ekspansji Wszechświata. Sa to tzw. świece standardowe. Wiemy dokładnie jaka jest ich absolutna jasność jasność obserwowana definiuje odległość. Redshift bardzo odległych obiektów niesie informację o historii, ewolucji Wszechświata (światło wyemitowane bardzo dawno temu) możemy dopasować parametry Ω M i Ω Λ : Jasność obserwowana, w porównaniu z oczekiwan a dla modelu z Ω tot = 0: 0.5 (m-m) (mag) 0.0-0.5-1.0 Coasting (Ω=0) Grey Dust or Evolution Ω M =0.35, Ω Λ =0.65 Ω M =0.35, Ω Λ =0.0 Ω M =1.0, Ω Λ =0.0 SN 1997ff Reddening 0.1 1.0 z A.F.Żarnecki Wykład VIII 20

Promieniowanie tła Odkrycie Mikrofalowe promieniowanie tła (CMB) zostało odkryte w 1965 roku przez A.A.Penazisa i R.W.Wilsona. Wyniki z satelity COBE: (1999) Rozkład widmowy promieniowania zgadza się z widmem promieniowania ciała doskonale czarnego. T = 2.725 ± 0.002 K A.F.Żarnecki Wykład VIII 21

A.A.Penazis, R.W.Wilson, 1965 A.F.Żarnecki Wykład VIII 22

Promieniowanie tła Rozkład katowy W pierwszym przybliżeniu ( T 1K) promieniowanie tła jest izotropowe: Jednak gdy przyjżymy się bliżej ( T 1mK): widzimy wpływ ruchu Ziemi względem globalnego układu. A.F.Żarnecki Wykład VIII 23

Promieniowanie tła Rozkład katowy Odejmujac wpływ efektu Dopplera ( T 200µK): Odejmujac promieniowanie Galaktyki i innych znanych źródeł ( T 100µK): widzimy promieniowanie naszej galaktyki (Drogi Mlecznej)... zaczyna być ciekawie!!! A.F.Żarnecki Wykład VIII 24

A.F.Żarnecki Wykład VIII 25

Promieniowanie tła Fluktuacje Fluktuacje promieniowania wynikaja z faktu, że Wszechświat w momencie oddzielenia promieniowania nie był statyczny. Cały czas oscylował wokół stanu równowagi, w którym ciśnienie promieniowania równoważy przyciaganie grawitacyjne Charakter fluktuacji w promieniowaniu tła zależy od rozmiarów Wszechświata w chwili oddzielenia promieniowania... zależy od parametrów kosmologicznych A.F.Żarnecki Wykład VIII 26

Promieniowanie tła Fluktuacje Rozmiary fluktuacji jakie obecnie obserwujemy zależy też silnie od krzywizny Wszechświata! Wyniki symulacji: A.F.Żarnecki Wykład VIII 27

Promieniowanie tła Fluktuacje Aby opisać rozkład fluktuacji dzieli się obraz na małe kawałki (pixle), a następnie rozkłada uzyskana macież korelacji na wielomiany Legendre a w cos θ ij (odległości katowej). Wyniki symulacji dla różnych wartości parametrów: Oczekiwany rozkład natężenia dla poszczególnych multipoli (wielomianów danego rzędu) zależy od parametrów modelu np. dla płaskiego Wszechświata (Ω = 1) oczekujemy dominujacego wkładu od l 200 A.F.Żarnecki Wykład VIII 28

WMAP Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Detektor Sonda kosmiczna wystrzelona 30.06.2001. Pomiar promieniowania mikrofalowego w 5 przedzialach częstości: od 23 GHz (13 mm) do 94 GHz (3.2 mm). Porównanie pomiarów w różnych zakresach częstości umożliwia efektywne odjęcie tła pochodzacego od Galaktyki. Aby zminimalizować tło pochodzace od Ziemi i Słońca sondę umieszczono na orbicie wokół tzw. punktu Lagrange a quasi-stabilna konfiguracja WMAP-Ziemia-Słońce A.F.Żarnecki Wykład VIII 29

A.F.Żarnecki Wykład VIII 30

WMAP Wyniki (2003) Bardzo precyzyjny pomiar korelacji katowych w promieniowaniu tła. Możliwe jednoczesne dopasowanie wielu parametrów kosomlogicznych Dominuja fluktuacje o rozmiarach katowych rzędu 0.8 (l 220) gęstość całkowita: Ω tot = 1.02 ± 0.02 Wszechświat jest płaski!... (k = 0) A.F.Żarnecki Wykład VIII 31

Zestawienie pomiarów: supernowych 1A promieniowania tła oddziaływań grawitacyjnych gromad galaktyk A.F.Żarnecki Wykład VIII 32

WMAP Wyniki Okazuje się, że atomy (bariony) wypełniaja tylko około 4% Wszechświata. 23% stanowi tzw. ciemna materia, której natury na razie nie znamy (?)... 73% to ciemna energia, która opisujemy poprzez stała kosmologiczna (?) Wszechświat zdominowany przez stała kosmologiczna rozszerza się coraz szybciej!!! Wiek Wszechświata: T = 13.7 ± 0.2 Gyr Obecna wartość stałej Hubbla: ± 1.7 Gyr) H = 71 +4 3 km/(s MP c) A.F.Żarnecki Wykład VIII 33

Kosmo-czastki W ostatnich latach, zwłaszcza w świetle nowych wyników, kosmologia zbliża się coraz bardziej do fizyki czastek. Jest wiele pytań na które wspólnie szukamy odpowiedzi: ciemna materia Nie wiemy co nia jest, choć mamy szereg propozycji (np. czastki supersymetryczne) ciemna energia Całkowita zagadka... asymetria barionowa we Wszechświecie Wszechświat zbudowany jest z materii jak w trakcie ewolucji złamana została symetria materia-antymateria? Wiemy już, że wymagało to złamania symetrii CP, znacznie silniejszego niż w Modelu Standardowym... czastki o bardzo wysokich energiach w promieniowaniu kosmicznym, błyski γ,... A.F.Żarnecki Wykład VIII 34

Ogromny postęp w ostatnich latach od COBE (1999) do WMAP (2003) czekamy na wyniki misji satelity Planck (2007?) A.F.Żarnecki Wykład VIII 35