AST1010 En kosmisk reise

Transkript

1 AST1010 En kosmisk reise Forelesning 19: Kosmologi, del I Innhold Einsteins universmodell Friedmann, Lemaitre, Hubble og Big Bang AvstandssCgen Bondi, Gold, Hoyle og Steady State Gamow, Alpher, Herman og bakgrunnsstrålingen Oppdagelsen av bakgrunnsstrålingen Mørk materie oppsummert Oppdagelsen av mørk energi Universets historie i korte trekk fra nukleosyntese Cl i dag. Det kosmologiske prinsipp Den generelle relacvitetsteorien (GR) er grunnlaget for å lage modeller for hele universet og dets historie. Men å finne løsninger av GR er komplisert, vi må forenkle. Det kosmologiske prinsipp er en slik forenkling: SeU i en Clstrekkelig stor skala er egenskapene Cl universet de samme for alle observatører 1

2 Einsteins stacske universmodell Hubbles oppdagelser 1924: det finnes galakser utenfor vår Melkevei 1929: spektrene Cl galaksene er rødforskjøvet, rødforskyvningen øker med avstanden GR- tolkning: rommet utvider seg. Einstein kunne ha forutsagt det i 1916, Friedmann (1924) og Lemaitre (1927) gjorde det, men få trodde på det før Hubbles observasjoner 2

3 Hubbles første resultater 8 9 3

4 Jo lenger unna en galakse er, desto raskere beveger den seg bort fra oss v = H 0 d, der v er farten, d er avstanden, og H 0 er Hubbles konstant VikCg: ville seu det samme fra en hvilken som helst galakse, vi er ikke universets sentrum! Hubbles lov Universets alder Galaksene må ha vært nærmere hverandre før. Går vi langt nok Clbake i Cd, må de alle ha vært i samme punkt. Når var deue? Dersom universet har utvidet seg med samme hascghet hele Cden: t 0 = 1 / H 0 = 14 milliarder år Størrelse av det observerbare univers: L H = ct 0 = 14 milliarder lysår Avstandsstigen 12 4

5 AvstandssCgen To hovedprinsipper: 1. Standardlyskilde : Objekt med kjent absoluu størrelsesklasse M. Måler Clsynelatende størrelsesklasse m, bruker avstandsmodulen, m- M=5log(d/10 pc). 2. Standardmålestav : Objekt med kjent fysisk størrelse. Måler vinkelutstrekning på himmelen, bruker geometri Cl å regne ut avstanden. Standardmålestav Tully- Fisher- metoden AST Universet 15 5

6 AST Universet 16 Avstandsstigen 17 Det Perfekte Kosmologiske Prinsipp: Universet ser likt ut overalt og ved alle Cdspunkter Universet utvider seg, men nyu stoff skapes og fyller tomrommene DeUe kalles Steady State - teorien. Dens fremste talsmann var Fred Hoyle. Steady State 6

7 Kampen mellom universmodellene Gjennom 50- tallet ble de to universmodellene diskutert ivrig. Begge var konsistente med Clgjengelige observasjoner. Men deue skulle snart forandre seg Mikrobølgebakgrunnen Gamow, Herman og Alpher studerte hvordan grunnstoffer ble dannet i Big Bang- modellen. Fant at et resultat av disse prosessene var at universet burde være fylt med elektromagnecsk stråling. Oppdaget av Penzias og Wilson i Steady State: ingen naturlig måte å forklare denne strålingen på. Ble rask forlau av alle unntau Hoyle og en håndfull samarbeidspartnere. Andre problemer med Steady State Observasjoner av lerne radiogalakser viste at teuheten av disse endret seg med Cden universet ser ikke likt ut Cl alle Cder. Kvasarer observeres kun ved høy rødforskyvning. 7

8 Det mest perfekte eksempel på sort legeme- stråling. Universet er isotropt og homogent Bakgrunnstrålingen har samme temperatur uanseu hvilken retning vi observerer den i Cl en nøyakcghet på % TeUheten av galakser er uavhengig av avstand og retning. Problem: Å forklare hvorfor! Hvordan kan områder som ligger mer enn 13.2 milliarder lysår unna hverandre vite at de skal ha samme temperatur? 8

9 Nukleosyntese I en periode fra t = 1s Cl t = noen få minuuer ble atomkjernene Cl de leue grunnstoffene dannet. Teori: får dannet ca. 75 % hydrogen, 24 % helium. Stemmer med observasjoner! Tyngre grunnstoffer dannes i stjerner. Teori+observasjon: ca. 5 % av materien i universet er baryonisk (protoner, nøytroner, elektroner). Mørk materie: Kan bare ses ved hjelp av tyngdekraqen. Hvorfor tror vi at den må finnes? De første indikasjonene kom fra arbeidene Cl Fritz Zwicky Mørk materie 9

10 Zwicky bestemte hascghetene Cl galakser i hoper. Fant ut at de beveget seg for fort: Dersom massen vi kan se er alt som finnes, ville hopen gå i oppløsning. Galaksehoper Rotasjonskurver for spiralgalakser Gravitasjonslinser 10

11 Hva er den mørke materien? Kan den være sorte hull, støv, NEI! Fordi vi vet at av universets totale energiteuhet utgjør masse 32%, og den baryoniske massen bidrar med bare 5 %. Det må finnes ikke- baryonisk mørk materie. Kandidater fra parckkelfysikk Strålingsdominert og materiedominert univers Universets utvidelseshascghet er bestemt av energiteuheten. Fram Cl universet var noen Ctusener år gammelt var det fotoner (stråling) som dominerte energiteuheten. Førte Cl at universet utvidet seg for fort Cl at strukturdannelse kunne foregå. EUer denne epoken ble universet materiedominert og utvidet seg saktere. Strukturdannelse kunne starte. 11

12 Rekombinasjon EUer ca år hadde temperaturen i universet falt Cl ca K. Kaldt nok Cl at de første nøytrale atomene kunne bli dannet. Universet ble da elektrisk nøytralt, slik at fotoner kunne bevege seg friu over store avstander. Det er strålingen fra denne epoken vi nå ser som den kosmiske bakgrunnstrålingen med en temperatur på ca. 3 K. Dannelse av strukturer Vi tror at strukturene vi ser i universet i dag ble Cl ved at ujevnhetene dannet i inflasjonsfasen vokste seg større p.g.a. tyngdekraqen. Strukturdannelse kan ikke forklares med lysende, baryonisk materie alene mørk materie. Den mørke materien kan være kald (lave termiske hascgheter) eller varm (høye termiske hascgheter) Dannelse av strukturer Kald mørk materie: små strukturer dannes først. Varm mørk materie: store strukturer dannes først. Ser galakser som ble dannet da universet var mindre enn en milliard år gammelt kald mørk materie. Ujevnhetene i teuheten er gjenspeilet i ujevnheter i temperaturen Cl den kosmiske bakgrunnstrålingen. 12

13 10/26/15 Nobelprisen i fysikk

14 Energi og geometri Generell relacvitetsteori: Cdrommets geometri er bestemt av energiteuheten Tre muligheter for den romlige geometrien Cl universet: lukket, åpen, flat 14

15 Energi og geometri KriCsk teuhet ~ gram per kubikkcencmeter, svarer Cl 6 hydrogenatomer per kubikkmeter. Et univers med kricsk teuhet vil (normalt) utvide seg for allcd, men med en fart som nærmer seg null. Observasjoner av ujevnhetene i bakgrunnstrålingen kan lære oss om geometrien Cl universet. Akselerasjon Observasjonene viser at universet er flau. Men: observasjoner av hvordan lysstyrken Cl supernovaeksplosjoner av type Ia varierer med rødforskyvning har vist at universet utvider seg fortere nå enn Cdligere. Hva kan lage frastøtende gravitasjon? 15

16 16

17 Mørk energi Vanlig materie har allcd Cltrekkende tyngdekraq, kan ikke forklare at universet akselererer. En mulige forklaring: vakuumenergi (Einsteins kosmologiske konstant) Annen mulighet: Et nyu felt. Eller kanskje GR bryter sammen ved store avstander? Ubesvarte spørsmål Hva skjedde ved Planck- epoken? Hva skjedde i inflasjonsfasen? Hva er den mørke materien? Hva er den mørke energien? Neste forelesning: Inflasjon. Mørk energi. Fantes det noe før Big Bang? 17