Transcript Vznik a vývoj vesmíru
Vznik a vývoj vesmíru
Bc. Peter Kráčalík Astronomický klub Bratislava
Ako vlastne vznikol?
• Čo je to kozmológia ?
• Aké sú modely vzniku vesmíru ?
• Prečo BIG BANG ?
• Čo bolo predtým ?
• Čo máme vlastne vo vesmíre ?
• Ako nakoniec vesmír skončí ?
Kozmológia
• Veda, ktorá študuje vesmír ako celok • Predtým časť filozofie dnes samostatný vedný obor Okruhy otázok, ktorými sa zaoberá Vznik vesmíru Vývoj vesmíru Zánik vesmíru stavba vesmíru elementárne častice – zloženie vzájomnými vzťahmi objektov
Kozmológia
Na väčšinu otázok teoretickej kozmológie nevieme doteraz uspokojivo odpovedať POZOROVANIA NIE SÚ DOSTAČUJÚCE ZÁKLADNÉ PRINCÍPY KOZMOLÓGIE 1.
2.
3.
4.
5.
Fyzikálne zákony platia rovnako v celom vesmíre Vesmír je vo veľkých mierkach (> 500 mil. ly) všade rovnaký Správne naladenie vesmíru – antropický princíp Každý objekt má kladnú alebo nulovú hmotnosť Zotrvačnosť telesa určuje rozloženie hmoty vo vesmíre (rotácia objektov a pod. ) MODELY VESMÍRU
Modely vesmíru
teória vzniku - počítačová simulácia vývoja - potvrdenie pozorovaniami VESMÍR je stacionárny (nemenný) sa rozpína sa zmršťuje Kozmologický princíp – ako na to: Zem je stredom vesmíru Slnko je stredom vesmíru Galaxia je stredom vesmíru Vesmír sa javí rovnaký z každej strany – stredom vesmíru nie je nič
BIG BANG
Pred 13,7 miliardami rokov to začalo .....
Simulácia big bangu podľa vyhodnotenia dát z HST
Vznik vesmíru
10 43 sekundy: proces začína.
začínajú mať zmysel pojmy priestor a čas. teplota 10 32 °K vesmír má rozmer 10 -32 cm vznikajú a zanikajú častice a antičastice gravitácia a stáva sa samostatnou silou sily vo vesmíre postupne "vymŕzajú" z pôvodnej jednotnej interakcie podľa toho, ako klesá teplota.
Planckova dĺžka – Planckov čas
Vznik vesmíru
Vznik vesmíru – prvá sekunda
•
10 -32
–
sekundy začína inflácia vo vákuu sa objavujú kvantové bubliny. Jedna z nich sa začne obrovskou rýchlosťou rozpínať. Náš dnešný viditeľný vesmír má v nej podobu tenisovej loptičky. Všetky sily s výnimkou gravitácie sú doteraz zjednotené, keď si však symetrické vákuum naraz "uvedomí", že je nestabilné, a zbavý sa prebytočnej energie.
• • •
10 -32
–
sekundy inflácia sa zastavuje Vesmír prechádza na omnoho pomalšie, i keď stále ešte nepredstaviteľne mohutné rozpínanie podľa pôvodnej teórie veľkého tresku. 10 -11 sekundy teplota poklesla na 1015 stupňa, ďalší "bod mrazu".
10 -4 sekundy vesmír sa zväčšil asi na veľkosť našej slnečnej sústavy.
Vznik vesmíru – čo bolo potom
100 sekúnd: prvé prvky -
vznikajú jadrá hélia. Vodík, hélium a nepatrné množstvo ďalších ľahkých jadier, zmiešané s elektrónmi a žiarením, postupne chladnú na teplotu rozžeraveného železa vo vysokej peci.
300 000 rokov: vo vesmíre sa rozjasní -
Žiarenie nemá už dosť sily, aby atómy rozbíjalo, a nie je teda pohlcované. vznikajú prvé atómy Vesmír sa stáva priehľadný a je vyplnený svetlom.
1 miliarda rokov -
formujú sa prvé galaxie vesmír začína vyzerať povedome.
13 14 miliárd rokov -
dnešný vesmír
Big bang – čo ostalo ?
Objav jemného, chladného žiarenia pozadia (reliktné žiarenie), ktoré je rozptýlené rovnomerne na všetky smery. Zostatok po big bangu ?
Maličké rozdiely v teplote reliktového žiarenia sa považujú za dôkaz slabých fluktuácií v hustote látky raného vesmíru, čo viedlo k tvorbe galaxií.
Vesmír dnes
... Milión rokov po veľkom tresku ....
plyn sa začína zhusťovať do izolovaných zhlukov - protogalaxií Počas ďalších piatich miliárd rokov zhusťovanie protogalaxií pokračovalo, až sa vytvorili galaxie, v ktorých sa rodili hviezdy.
Galaxie
obrovský zhluk hviezd, hmlovín a medzihviezdneho materiálu. najmenšie galaxie: 100 000 hviezd najväčšie galaxie: až 3 000 miliárd hviezd V súčasnosti poznáme tieto základné typy galaxii (Hubble):
Špirálová Špirálová s priečkou Eliptická Nepravideľná
zrážky s inou galaxiou / galaktický kanibalizmus =
pekuliárne galaxie
Medzi menej známe typy galaxii patria: Seyfertove galaxie, Rádiové galaxie, N-galaxie, Kvázistelárne galaxie, Kvázistelárne objekty.
Galaxie – uhádnete?
M110 – eliptická v Androméde M95 špirálová s priečkou v Levovi Galaxia – špirálová s priečkou M74 – špirálová v Rybách
Uhádnete ?
Zrážka dvoch galaxií – vzniká pekuliárna galaxia
Menej známe galaxie
Kvazary (kvázistelárne objekty)
•považujú sa za galaktické jadrá •presný charakter je ešte vždy neistý. •nachádzajú sa na vonkajších okrajoch pozorovaného vesmíru (15 mld ly) •Veľmi mladé galaxie – po big bangu pri formovaní vesmíru veľmi malý rozmer, veľmi vysoká hmotnosť silné gravitačné pole silné elektromagnetické žiarenie najmä v RTG Nové typy pozorovaní: Gravitačná šošovka 3C48
Menej známe galaxie
Seyfertove galaxie
: Žiarenie vychádza z galaktického jadra galaxie s veľmi búrlivou aktivitou malých, veľmi jasných jadier
rádiové galaxie
: Žiarenie vychádza z obrovských výbežkov na oboch stranách galaxie Snímame ich v rádiovej oblasti spektra
N-galaxie:
kompaktné galaxie, jasné kvázihviezdne jadrom s hmlovitým obalom silný rádiovým zdrojom
Galaxia Mliečna cesta
• • • • jemný pás svetla prechádza nočnou oblohou – jadro Galaxie. hviezdna sústava s priemerom približne 100 000 svetelných rokov. tvar špirály s hustou centrálnou vydutinou so štyrmi ramenami a menej hustým halo.
Slnečná sústava v ramene Orióna (tiež Miestne rameno). • • • •
Stred Galaxie
Optické mapy – obmedzený pohľad (úplne zahalený mrakmi) Komplexný pohľad – RTG, IR a UV žiarenie malá, hustá oblasť obsahujúca najmä staršie červené a žlté hviezdy. Halo je menej hustá oblasť, v ktorej sa nachádzajú najstaršie hviezdy (14 mld rokov). •
Ramená špirály
najmä horúce, mladé, modré hviezdy a hmloviny
Galaxia Mliečna cesta
Slnko Slnko v 2/3 cesty smerom od stredu Galaxie, vykoná obeh približne za 220 mil rokov
Čierne diery – aktívne jadrá?
Čierna diera – jadro galaxie M81 (animácia z dát z HST)
Čierna diery – aktívne jadrá?
Neutrónová hviezda je po špirále vťahovaná čiernou dierou. Prechod galaktickým halom (zábery HST)
Hmloviny
mrak prachu a plynu vo vnútri galaxie. Plyn žiari - hmloviny sú viditeľné mrak odráža svetlo hviezd zatieňuje svetlo vzd. žiariacich objektov.
Emisné hmloviny Reflexná hmlovina
vyžarovanie v dôsledku radiácie horúcich mladých hviezd.
odrazené svetlo hviezd, ktoré sú v nej, alebo okolo nej.
Tmavé hmloviny
obrysy zatieňujúce svetlo žiariacich hmlovín alebo hviezd ležiacich za nimi Hmloviny na konci života hviezdy: rozpínajúce sa obálky plynu, ktoré boli kedysi vonkajšími vrstvami hviezdy.
Planetárna hmlovina -
hviezdy. obálka plynu vzďaľujúca sa od umierajúceho jadra
Pozostatok supernovy
obálka plynu unikajúca od jadra hviezdy veľkou rýchlosťou po prudkej explózii nazývanej supernova.
Prstencová hmlovina M57 (planetárna hmlovina)
Typy hmlovín
Hmlovina v Orióne – M42 (emisná hmlovina) Krabia hmlovina M1 (zvyšky supernovy)
Hviezdokopy
• Hviezdy sa často vyskytujú v skupinách nazývaných hviezdokopy. •
Otvorené hviezdokopy
– voľné zoskupenia niekoľkých tisícok mladých hviezd – vznikli v tom istom mraku a rozptyľujú sa do okolia.
M45 – Plejády (otvorená hv.) •
Guľové hviezdokopy
– sú hustejšie, zhruba sférické skupiny stoviek tisícok starších hviezd.
– výskyt smerom do stredu Galaxie M54 – Guľová hv. V Strelcovi
Hviezdny vývoj
Hviezdny vývoj – malé hviezdy
• hmotnosť do 1,5-násobku hmotnosti Slnka.
Vznik:
v hmlovine sa kondenzuje oblasť s vyššou hustotou - globula plynu a prachu v dôsledku vlastnej gravitácie sa globula začne zmršťovať zhluky s kondenzovanou hmotou sa vo vnútri zohrievajú, začínajú žiariť vznik protohviezd (hmotné, teplota v strede cca 15 mil °C) začínajú sa nukleárne reakcie - vodík sa mení na hélium. jadrová reakcia - energia bráni hviezde v ďalšej kontrakcii hviezda začne svietiť.
Stala sa z nej hviezda hlavnej postupnosti. Hviezda hmotnosti Slnka zostáva hviezdou hlavnej postupnosti približne 10 miliárd rokov
-
Hviezdny vývoj – malé hviezdy
Zánik:
všetok vodík v jadre hviezdy sa premení na hélium. héliové jadro sa scvrkne - nukleárne reakcie pokračujú vo vrstve okolo jadra. JADRO: dostatočne horúce - hélium sa mení na uhlík. OBAL: sa rozpína, chladne, svietivosť klesá = červený obor hélium v jadre sa spotrebuje vonkajšie vrstvy: rozpínajúca sa plynná obálka = planetárna hmlovina. Zvyšok jadra (asi 80% pôvodnej hviezdy)
biely trpaslík chladne a tmavne.
Keď prestane svietiť, z mŕtvej hviezdy sa stáva čierny trpaslík.
Biely trpaslík
NGC 2440 – snímka NASA
Vznik a vývoj – mohutné hviezdy
• 3 až 50-násobok hmotnosti Slnka vývoj podobne ako malá hviezda až po štádium hviezdy hlavnej postupnosti. hviezda stabilne svieti rokov) vodík v jadre sa premení na hélium (u veľmi hmotnej hviezdy milióny
červený nadobor :
héliové jadro obklopené vonkajšími vrstvami chladnúceho, rozpínajúceho sa plynu. milióny rokov vytvárajú jadrové reakcie v obálke okolo kovového jadra rôzne prvky zánik jadro sa zrúti v čase kratšom ako sekunda - obrovská explózia =
supernova
• rázové vlny rozmetajú vonkajšie vrstvy hviezdy do okolia. • •
zvyšok jadra má hmotnosť:
1,5 – 3x hmotnosť Slnka = zmršťuje sa do útlej,
hustej neutrónovej hviezdy
. Viac ako 3x hmotnosť Slnka = zmršťuje sa až do štádia
čiernej diery
.
Neutrónová hviezda
Počítačové spracovanie dát HST Snímok z projektu ROSAT
Vzniká magnetar
Magnetar je vysoko magnetizovaná rotujúca neutrónová hviezda
Vznikla neutrónová hviezda
veľmi horúca, výnimočne hustá hviezda (10 11 - 10 15 hustota vody) priemer len 10 až 20 km jasnosť je teda veľmi malá, normálnymi metódami sa nezaznamená posledná vývojová fáza hviezd s hmotnosťou 1,44 – 3x Slnka.
Rotujúce neutrónové hviezdy: pulzary
(výrazné magnetické pole) Tiež súčasť mnohých röntgenových dvojhviezd. • vznikajú zrútením hviezdneho jadra. • po vyčerpaní paliva hviezdy vybuchujú ako supernovy typu II.
•
Vznikla čierna diera
konečné štádium hviezdy • hmotnosť a gravitačná sila sú veľké = gravitačný kolaps. • hmota je stále viac a viac stláčaná do objektu s nepatrným rozmerom a nekonečnou hustotou. • hviezda uzavrie priestor okolo seba • vytvorenie tzv. horizontu udalostí: gravitačné pole na povrchu je nekonečne silné • úniková rýchlosť je vyššia ako rýchlosť svetla • čierna diera pôsobí na svoje okolie iba gravitačnou silou pôvodnej hviezdy, inak je celkom neregistovateľná. • Hviezda, trikrát hmotnejšia ako naše Slnko, pravdepodobne vytvorí čiernu dieru so Schwarzschildovým polomerom 9 km.
Čierna diera
Čierna diera v Galaxii
• • RTG zdroja Cygnus X 1 (dvojhviezda v súhvezdí Labute) prítomnosť čiernej diery, ktorá vznikla z jednej zložky dvojhviezdy. 1.
2.
3.
4.
5.
Postup vťahovania hmoty čiernou dierou:
plyn prúdi z povrchu zvyčajnej viditeľnej hviezdy vťahuje ho akréčný disk čiernej diery. trením sa zahrieva na desiatky miliónov stupňov. plyn vyžaruje röntgenové lúče horizont udalostí predstavuje nepreniknuteľnú prekážku. • • • kvantová mechanika - hmota z vnútra čiernej diery sa môže vypariť kvantové vyparovanie čiernych dier trvá dlho, s výnimkou veľmi malých čiernych dier nepatrné čierne diery môžu končiť kvantové vyparovanie výbuchom = gama žiarenie
Zánik vesmíru?
Jeden z predpovedaných scenárov: 1.
Mohutné hviezdy skončia svoju existenciu ako čierne diery 2.
3.
4.
Vyparovanie ich hmoty bude však pomalšie ako nárast hmotnosti iných čiernych dier Čierne diery sa zrazia a spoja (časť vesmíru pri čiernej diere sa bude zmenšovať do jej nepatrného „jadra“ –
bod singularity
Zrážka supermasívnych čiernych dier = obrovský výbuch – nový BIG BANG?