Odrzywołek (ZTWiA, IFUJ) Rozszerzający się Wszechświat NAS Wszechświat, czyli wszystko

(1)

Współczesne poglądy na rozszerzający się Wszechświat

Andrzej Odrzywołek

Zakład Teorii Względności i Astrofizyki, Instytut Fizyki UJ

7 maja 2012, poniedziałek, 15:00

A. Odrzywołek (ZTWiA, IFUJ) Rozszerzający się Wszechświat NAS 7.05.2012 1 / 21

(2)

Wszechświat, czyli wszystko. W praktyce:

ciała, które możemy zaobserwować: (od najmniejszych)

1 promieniowanie, gaz, pył

2 planetoidy, planety karłowate, księżyce, planety

3 gwiazdy, gwiazdy neutronowe, układy podwójne gwiazd

4 gromady kuliste i galaktyki (skupienia gwiazd)

5 gromady galaktyk, pustki kosmologiczne

6 ? ( jednorodna „piana” )

materia, której istnienie możemy wydedukować:

1 czarne dziury, samotne planety, . . .

2 ciemna materia i ciemna energia (stała kosmologiczna)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

Podstawy badania budowy i ewolucji Wszechświata

Fundamentalne znaczenie ma umiejętność wyznaczania odległości i prędkości obiektów w kosmosie.

prędkości wyznaczamy mierząc zmianę częstości (długości fali) emitowanego promieniowania

zjawisko zmiany długości fali nosi nazwę efektu Dopplera dobrze „słyszalne” gdy mija nas pojazd na sygnale

wykorzystują je m. in. radary policyjne oraz meteorologiczne typowo w astronomii obserwujemy światło widzialne: oddalanie się obiektu powoduje jego poczerwienienie; przybliżanie - zmianę koloru na bardziej fioletowy/niebieski

(11)

(12)

(13)

Drabina odległości kosmologicznych

1 AU: rozmiar orbity Ziemskiej (jednostka astronomiczna) paralaksa heliocentryczna, m. in. odległość do δ − Cephei Cefeidy: zależność okres-jasność: bliskie galaktyki

supernowe typu Ia: odległe galaktyki

(14)

(15)

Zdjęcie: T.A. Rector (University of Alaska Anchorage), H. Schweiker & S. Pakzad NOAO/AURA/NSF

(16)

(17)

(18)

Wnioski z obserwacji: gwiazdy w otoczeniu Słońca

Galaktyka

Słońce jest jedną z 200 mld gwiazd tworzących dyskopodobny system o średnicy 100 milionów lat świetlnych. Składa się z:

płaskiego jak płyta CD dysku ramion spiralnych z poprzeczką

jądra zawierającego czarną dziurę o masie 4 milionów mas Słońca sferycznego halo bardzo starych gwiazd

około 150 gromad kulistych

Galaktyka obraca się raz na 250 milionów lat.

Z oczywistych powodów nie można pokazać zdjęcia naszej Galaktyki (Drogi Mlecznej)! Ale są miliardy innych . . .

(19)

Typowe galaktyki spiralne

(20)

(21)

(22)

(23)

Wszechświat wypełniony galaktykami !

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

Jak poruszają się galaktyki?

Prawo Hubble’a

Wyniki pomiarów odległości do galaktyk (d – odległość ) oraz ich prędkości względem nas (v - prędkość) dały nastepujący wynik:

v = H d , gdzie: H ' 75km/s/Mpc.

Wszystkie galaktyki oddalają się od nas tym szybciej im dalej się znajdują!

Stałą proporcjonalności nazywamy stałą Hubble’a na cześć odkrywcy.

Zjawisko to określamy jako ucieczka galaktyk lub bardziej ostrożnie jako przesunięcie ku czerwieni

(32)

Obrazowego wytłumaczenia ucieczki galaktyk dostarczają:

1 rosnące ciasto z rodzynkami

2 nadmuchiwanie kropkowanego balona

3 mrówki na rozciąganej gumce

Ścisły opis wymaga zastosowania Ogólnej Teorii Względności A. Einsteina.

(33)

(34)

(35)

Modele FLRW

Główne wyniki obliczeń w ramach OTW

Gęstość krytyczna:

ρ₀ = 3H²

8πG ' 6 atomów wodoru/m³

prawie wszystkie rozwiązania są dynamiczne (rozszerzają się) Wszechświat powstał około T = 1/H ' 14 miliardów lat temu jeżeli średnia gęstość ρ jest większa niż ρ0, to Wszechświat ma skończone rozmiary i ostatecznie zacznie się kurczyć

obecnie szacuje się, że widoczna materia stanowi zaledwie 2%

gęstości krytycznej

powyższe oznaczałoby, że Wszechświat jest nieskończony, i będzie się rozszerzał wiecznie (ale nie wszystko widzimy!)

(36)

Wielki Wybuch

Powstanie Wszechświata określamy terminem Wielki Wybuch, gdyż:

przestrzeń jest wypełniona stygnącym promieniowaniem pozostałym po gorącym okresie

skład chemiczny Wszechświata to w przybliżeniu 3/4 wodoru oraz 1/4 helu: synteza termojądrowa helu wymaga dużej

temperatury (inne jądra atomowe powstały znacznie później we wnętrzu gwiazd)

wszystkie obiekty w kosmosie są młodsze niż obliczony wiek Wszechświata (najstarsze gromady kuliste mają 13 mld lat) Słowo „wybuch” kojarzy się z rozlatującymi się we wszystkich kierunkach galaktykami, ale faktycznie mamy tu do czynienia z narodzinami materii i przestrzeni.

(37)

Mikrofalowe promieniowanie tła

z dokładnością 0.1% promieniowanie jest izotropowe nasza prędkość we Wszechświecie (tzw. dipol) fluktuacje po Wielkim Wybuchu

(38)

(39)

(40)

(41)

Typ fluktuacji pozwala na ustalenie geometrii Wszechświata, a OTW jej związku gęstością materii:

1 Dla ρ < ρ₀ geometria jest hiperboliczna

2 Dla ρ > ρ₀ geometria jest sferyczna

3 Dla ρ = ρ₀ geometria jest płaska (Euklidesowa)

Analiza 5-letnich obserwacji satelity WMAP pokazała, że zachodzi trzeci przypadek!

Gdzie jest brakujące 98%

materii !?

(Widzimy tylko 2% . . . )

(42)

3 Dla ρ = ρ₀ geometria jest płaska (Euklidesowa)

Analiza 5-letnich obserwacji satelity WMAP pokazała, że zachodzi trzeci przypadek!

materii !?

(43)

3 Dla ρ = ρ₀ geometria jest płaska (Euklidesowa) Analiza 5-letnich obserwacji satelity WMAP pokazała, że zachodzi trzeci przypadek!

materii !?

(44)

materii !?

(45)

materii !?

(46)

Supernowa (typu Ia, termojądrowa)

(47)

(48)

(49)

Zapłon i detonacja gwiazdy (białego karła)

(50)

Pozostałość po supernowej

(51)

Supernowe Ia (Nobel 2011)

zespoły astronomów kierowane przez ubiegłorocznych Noblistów (Saul Perlmutter oraz Brian P. Schmidt i Adam G. Riess) zmierzyły bardzo dokładnie kilkaset odleglości i przesunięć ku czerwieni dla supernowych typu Ia

supernowe Ia to termojądrowe eksplozje gwiazd (białych karłów) osiągające na krótki okres czasu jasność galaktyki

każdy wybuch jest niemal identyczny

Pyt: (na miarę Nagrody Nobla): który z trzech omawianych modeli Wszechświata jest zgodny z obserwacjami supernowych typu Ia ?

Odp: Żaden!

(52)

Odp: Żaden!

(53)

Odp: Żaden!

(54)

Ewolucja Wszechświata

(55)

Stała kosmologiczna vel ciemna energia

OTW wyjaśnia grawitację jako skutek zakrzywienia czasoprzestrzeni przez masywne ciała

normalnie, pusta czasoprzestrzeń powinna być płaska

wyprowadzenie równań Einsteina dopuszcza jednak istnienie w równaniach stałej Λ o wartości różnej od zera!

stała kosmologiczna Λ jest równoważna istnieniu egzotycznej formy energii wypełniającej całą przestrzeń określanej jako ciemna energia

wartość Λ jest znikomo mała, ale w skali całego Wszechświata daje aż 2/3 gęstości krytycznej ρ₀ !

(56)

Stała kosmologiczna vel ciemna energia

OTW wyjaśnia grawitację jako skutek zakrzywienia czasoprzestrzeni przez masywne ciała

normalnie, pusta czasoprzestrzeń powinna być płaska

wyprowadzenie równań Einsteina dopuszcza jednak istnienie w równaniach stałej Λ o wartości różnej od zera!

stała kosmologiczna Λ jest równoważna istnieniu egzotycznej formy energii wypełniającej całą przestrzeń określanej jako ciemna energia

wartość Λ jest znikomo mała, ale w skali całego Wszechświata daje aż 2/3 gęstości krytycznej ρ₀ !

Ciągle brakuje 1/3 ρ₀ do „płaskości” . . .

(57)

Co utrzymuje w całości gromady galaktyk?

galaktyki w gromadach poruszają się zbyt szybko

utrzymuje je niewidoczna masa, którą wykrywamy poprzez soczewkowanie grawitacyjne

(58)

Co utrzymuje w całości gromady galaktyk?

galaktyki w gromadach poruszają się zbyt szybko

utrzymuje je niewidoczna masa, którą wykrywamy poprzez soczewkowanie grawitacyjne

(59)

Podsumowanie: współczesne poglądy na Wszechświat:

1 Wszechświat rozszerza się i obecnie wchodzi w fazę przyspieszoną

2 powstał w Wielkim Wybuchu około 14 miliardów lat temu

3 znana nam materia, w postaci wodoru (75%) i helu (25%) stanowi 2%

zawartości Wszechświata

4 skład Wszechświata jest zdominowany przez egzotyczne składniki: ciemna energia (2/3) i ciemna materia (1/3)

5 geometria przestrzeni jest Euklidesowa (nieskończona)

(60)

(61)

(62)

(63)

(64)