AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 19: Kosmologi

Transkript

1 AST1010 En kosmisk reise Forelesning 19: Kosmologi

2 Hubble og Big Bang Bondi, Gold, Hoyle og Steady State Gamow, Alpher, Herman og bakgrunnsstrålingen Oppdagelsen av bakgrunnsstrålingen Universets historie i korte trekk Oppdagelsen av mørk energi Inflasjon

3 Det kosmologiske prinsipp Den generelle relativitetsteorien (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: Sett i en tilstrekkelig stor skala er egenskapene til universet de samme for alle observatører

4

5 Rødforskyvning og universets utvidelse. Edwin Hubble viste at forskyvningen av bølgelengden til spektrallinjene øker med økende avstand til de galakser som sender ut strålingen. 5

6 6

7 7

8 Hubbles lov Hubbles lov er: v = H 0 x d der v er den målte hastigheten bort fra oss og d er avstanden til galaksehopen. Galaksene beveger seg bort fra oss i alle retninger fordi selve rommet utvider seg. Ikke hastigheter i vanlig forstand, men rommet utvider seg og strekker ut lysets bølgelengde. 8

9 Universets alder Hvor lenge har universet utvidet seg? Anta at galaksene beveger seg med konstant fart, og kall universets alder. I løpet av denne tiden har en galakse beveget seg en strekning d v (*) Hubbles lov sier at v H 0 d Dette setter vi inn i (*) og finner da at d H 0 d Da kan vi dele med H 0 d på begge sider og få 1 H 0 Altså er universets alder lik 1 delt på Hubblekonstanten.

10 Rommet utvider seg Jo lenger unna en galakse er, desto raskere beveger den seg bort fra oss Tolkning: Rommet mellom galaksene utvider seg. Viktig: ville sett det samme fra en hvilken som helst galakse, vi er ikke universets sentrum!

11 Steady State Det Perfekte Kosmologiske Prinsipp: Universet ser likt ut overalt og ved alle tidspunkter Universet utvider seg, men nytt stoff skapes og fyller tomrommene Dette kalles Steady State - teorien. Dens fremste talsmann var Fred Hoyle.

12 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 elektromagnetisk stråling. Oppdaget av Penzias og Wilson i Steady State: ingen naturlig måte å forklare denne strålingen på. Ble rask forlatt av alle unntatt Hoyle og en håndfull samarbeidspartnere.

13 Flere problemer for Steady State: Flest kvasarer ved høy rødforskyvning

14 Det mest perfekte eksempel på sort legeme-stråling.

15

16 Nukleosyntese I en periode fra t = 1s til t = noen få minutter ble atomkjernene til de lette grunnstoffene dannet. Teori: får dannet ca. 75 % hydrogen, 24 % helium. Stemmer med observasjoner! Tyngre grunnstoffer dannes i stjerner, i forbindelse med supernovaeksplosjoner og i interstellare skyer som blir bombardert med kosmisk stråling. Teori+observasjon: ca. 5 % av materien i universet er baryonisk (protoner, nøytroner, elektroner).

17 Strålingsdominert og materiedominert univers Universets utvidelseshastighet er bestemt av energitettheten. Fram til universet var noen titusener år gammelt var det fotoner (stråling) som dominerte energitettheten. Førte til at universet utvidet seg for fort til at strukturdannelse kunne foregå. Etter denne epoken ble universet materiedominert og utvidet seg saktere. Strukturdannelse kunne starte.

18 Rekombinasjon Etter ca år hadde temperaturen i universet falt til ca K. Kaldt nok til at de første nøytrale atomene kunne bli dannet. Universet ble da elektrisk nøytralt, slik at fotoner kunne bevege seg fritt over store avstander. Det er strålingen fra denne epoken vi nå ser som den kosmiske bakgrunnstrålingen med en temperatur på ca. 3 K.

19 Dannelse av strukturer Vi tror at strukturene vi ser i universet i dag ble til ved at ujevnhetene dannet i inflasjonsfasen vokste seg større p.g.a. tyngdekraften. Strukturdannelse kan ikke forklares med lysende, baryonisk materie alene mørk materie. Den mørke materien kan være kald (lave termiske hastigheter) eller varm (høye termiske hastigheter)

20 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 tettheten er gjenspeilet i ujevnheter i temperaturen til den kosmiske bakgrunnstrålingen.

21 Nobelprisen i fysikk 2006

22

23

24

25 Energi og geometri Generell relativitetsteori: tidrommets geometri er bestemt av energitettheten Tre muligheter for den romlige geometrien til universet: lukket, åpen, flat

26 Energi og geometri Kritisk tetthet ~ gram per kubikkcentimeter, svarer til 6 hydrogenatomer per kubikkmeter. 1 kg pr volum avstanden til månen. Observasjoner av ujevnhetene i bakgrunnstrålingen kan lære oss om geometrien til universet.

27

28 Akselerasjon Observasjonene viser at universet er flatt. Men: observasjoner av hvordan lysstyrken til supernovaeksplosjoner av type Ia varierer med rødforskyvning har vist at universet utvider seg fortere nå enn tidligere. Hva kan lage frastøtende gravitasjon?

29

30

31

32 Mørk energi Vanlig materie har alltid tiltrekkende tyngdekraft, kan ikke forklare at universet akselererer. En mulige forklaring: vakuumenergi (Einsteins kosmologiske konstant) Annen mulighet: Et nytt felt. Eller kanskje GR bryter sammen ved store avstander?

33 Horisontproblemet

34 Flathetsproblemet

35 Løsning: Inflasjon Inflasjon er en kort periode med voldsomt akselerert ekspansjon tidlig i universets historie. Løser horisontproblemet: Punkter som er langt unna hverandre i dag, kan ha vært svært nær hverandre tidligere. Løser flathetsproblemet: Et krumt område blir flatt om det blåses opp kraftig. Bonus: Opphav til kosmiske strukturer.

36 Horisontproblemet løst Sett at inflasjon starter ved t=10-35 s. Da var horisonten lyssekunder = 3 x m. Varer til t=10-33 s, universet utvider seg med en faktor Da er området innenfor horisonten vi startet med vokst til 0.3 m. I løpet av den strålingsdominerte fasen vokser dette området til ca m = ca. 10 millioner lysår. Fram til i dag vokser det med en ytterligere faktor ca til 35 milliarder lysår.

37 Flathetsproblemet løst

38 Bonus: Frø for kosmiske strukturer Kvantefluktuasjoner gjør at skalarfeltet ikke kan ha samme verdi overalt. Fører igjen til at inflasjon vil slutte til litt forskjellige tider på forskjellige steder, og at universet ikke vil ha utvidet seg nøyaktig like mye overalt. Dette gir igjen variasjoner i tettheten utgangspunkt for senere dannelse av strukturer.

39 Evidens for inflasjon

40