Transcript Kosmologija - fizika.ktu.lt

Visata – kur ir kada mes esame?
• Kosmologija – arba KADA mes esame VISATOJE?
Matomos Visatos struktūra.
Visatos teorijos
km
sMpc
1.
2.
3.
Statinė amžina Visata.
Gimusi Visata.
Pulsuojanti Visata.
Statinė amžina Visata.
Argumentai “už”
km
sMpc
a) Stebima visata – nekintanti,
b) Tolygus žvaigždžių pasiskirstymas,
c) Gimimo scenarijaus aiškinimo sudėtingumas.
Argumentai “prieš”
a) Niutono gravitacinis nestabilumas,
b) Olberso paradoksas.
c) 20 amž. pradžios teoriniai modeliai ir eksperimentiniai rezultatai.
Teoriniai modeliai - Kosmologinis plėtimasis
1.
A. Einšteino Bendroji Reliatyvumo Teorija (BRT)
d R 8Gp 2
 dR 
2
2
   2R 2  2 R  kc  R ,
dt
c
 dt 
2
2
1
 dR  8G 2
R  kc 2  R 2 ,
  
3
3
 dt 
2
km
sMpc
2.
Fridmano kosmologija


 kr
Teoriniai modeliai - Kosmologinis plėtimasis
1.
km
sMpc
Kosmologinio plėtimosi tipai
Gimusi Visata – eksperimentiniai stebėjimo rezultatai
Keturi fizikiniai faktai, kuriais remiasi
besiplečiančios Visatos įrodymas:
km
sMpc
1.
2.
3.
4.
Galaktikų ir Superklasterių judėjimas nuo centro,
Reliktinis spinduliavimas,
Elementų koncentracija.
Visatos stebėjimas
Galaktikų ir Superklasterių judėjimas nuo centro
Raudonasis poslinkis (RP):
1.
2.
3.
km
sMpc
Doplerio efekto RP,
Kosmologinis RP dėl Visatos plėtimosi,
Gravitacinis RP (dėl gravitacinio lauko poveikio fotonams).
1.1 Doplerio efekto RP
Čia no – objekto spinduliuojamas dažnis,
V – objekto judėjimo greičio modulis stebėtojo atžvilgiu,
q – kampas tarp objekto judėjimo ir bangos sklidimo krypčių,
n – registruojamas dažnis.
n
n0
V
1  cosq
c
,
(1)
1.2 Kosmologinis RP - Hablo dėsnis
Galaktikų greičio priklausomybė nuo atstumo iki mūsų.
V  Hr,
km
sMpc
Čia V – galaktikos judėjimo greitis, r – atstumas, kuris grafike abscisės ašyje atidėtas megaparsekais (Mpc).
Parsekas yra atstumas, kai trigonometrinis paralaksas yra lygus 1’’. T.y. lygu 1 pc=3,26 ŠM arba 3,08*1013 km.
H – Hablo konstanta, jos reikšmė nepriklauso nuo atstumo ir krypties iki galaktikos.
Šiuolaikiniais vertinimais šis dydis yra nuo 50 iki 100. Dažniausiai imama vidutinė – 75. Šios konstantos
atvirkštinė dimensija yra laiko dimensija, kuri lygi:
tH 
1
 10  20 mlrd . met ų ,
H
1.3 Gravitacinis RP
Atsirandantis dėl gravitacinio lauko poveikio fotonams.
Erdvėje kurioje
km
sMpc
2. Reliktinis spinduliavimas
km
sMpc
3. Elementų koncentracija Visatoje
Cheminių elementų koncentracija Visatoje:
H
He
–
-
75 %
24 %
Kiti elementai - < 1%
Visi elementai iki Fe (26) formuojasi žvaigždžių branduolyje vykstant branduolinėms reakcijoms.
km
sMpc
Elementai >26 formuojasi sprogstant žvaigždei ir išmetami į kosmosą.
He neišmetamas iš žvaigždės.
Jei Visata būtų statinė ir begalinė, tarp elementų būtų nusistovėjusi pusiausvyra.
Dabartinis H ir He dominavimas rodo, kad tai pirminės materijos liekanos.
He taip pat sintezuojamas Žvaigždžių branduolyje, tačiau jeigu jis būtų sintezuojamas tik žvaigždėse, jo
dabartinė koncentracija Visatoje turėtų būti 15 kartų mažesnė, nei stebima.
Gimusi Visata – istorija
Papildomas ar pagrindinis:
Visatos matymas laike –
iki 13,7 mlrd. metų į praeitį.
km
sMpc
Gimusi Visata – istorija (scenarijus) – Eros:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
km
8.
sMpc
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Planko era
Universaliosios sąveikos era arba
Infliacijos arba de Siterio era
Elektrosilpnosios sąveikos era
Kvarkų era
Hadronų era
Leptonų era
Fotonų era
Rekombinacijos era
Tamsioji era
Rejonizacijos era
Žvaigždžių ir galaktikų formavimosi era
Greitėjančio plėtimosi era
Dabartinė era
0 - 10-43 s,
10-43 -10-35 s,
10-35-10-32 s,
10-32-10-12 s,
10-12-10-6 s,
10-6-1 s,
1-10 s,
10 s – 8000 m,
8000 – 380000 m,
380000 – 150 mln. m.
150mln. - 1mlrd. m,
1- 8 mlrd. m,
~ 8 – 13,7 mlrd. m,
13,7 mlrd. m.
Gimusi Visata – istorija – 1. Planko era 0 - 10-43 s, :
?
km
sMpc
Gimusi Visata – istorija 2. Universaliosios sąveikos era 10-43 -10-35 s,
1.
2.
3.
4.
5.
6.
km
sMpc
Viena sąveika (superunivesalioji),
Visų rūšių materijos masės tankis randasi fizikiniame vakuume – 1096 kg/m3,
Temperatūra > 1032 K,
Krintant T, pradėjo atsiskirti gravitacinė sąveika,
Liko universalioji sąveika, perduodama X ir Y bozonais ir jų antidalelėmis,
Pabaigoje taip pat atsiskyrė stiprioji sąveika.
Gimusi Visata – istorija – 3. Infliacijos era 10-35-10-32 s, :
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
km
sMpc
X, Y bozonai įgavo rimties masę ir po jų anihiliacijos suiro universalioji sąveika.
Tai pažeidė fizikinio vakuumo stabilumą, kurio tankis dar buvo 1079 kg/m3,
Fizikinis vakuumas virsta medžiagos ir laukų materija,
Dėl to visata plečiasi eksponentiškai, žymiai didesniu už c greičiu,
Per labai trumpą laikotarpį visata (-os?) pasiekia beveik dabartinį dydį.
Plėtėsi ne medžiaga erdvėje, bet pati erdvė,
1020 kartų mažesnės už protoną sritelės dėl kvantinių fluktuacijų pasiekė 10 cm.
Gimusi Visata – 4. Elektrosilpnosios sąveikos era 10-32-10-12 s,
1.
2.
3.
4.
5.
6.
km
7.
sMpc
8.
Elektromagnetinė saveika dar neatsiskyrė nuo silpnosios,
Silpnosios sąveikos nešėjai W+, W- ir Z0 bozonai nesiskyrė nuo fotonų, t.y.
neturėjo rimties masės.
Temperatūra nukrito iki 1015 K,
Tankis sumažėjo iki 1029 kg/m3,
Padedami Higso bozonų rimties masę įgijo kvarkai, elektronai, miuonai, tauonai.
Pabaigoje rimties masę įgijo ir silpnosios sąveikos nešėjai W+, W- ir Z0 bozonai,
Dėl to elektromagnetinė saveika atsiskyrė nuo silpnosios.
Fragmentuojantis erdvėlaikiui susidarė hipotetinė kosminės stygos ir sienos, taip
pat daug juodų skylių, šie dariniai manoma turėjo didelę įtaką formuojantis
superklasteriams ir galaktikoms.
Gimusi Visata – istorija – 5. Kvarkų era 10-12-10-6 s,
1.
2.
3.
4.
5.
km
sMpc
Temperatūra nukrito iki 1013 K,
Tankis sumažėjo iki 1022 kg/m3,
Pastoviai vyko kvarkų ir leptonų generacija ir anihiliacija,
X ir Y bozonai, sąveikaudami su kvarkais ir leptonais 1/1 mlrd. santykiu
padidino dalelių skaičių (bariogenezė).
Išnyko visi X ir Y bozonai, bei jų antidalelės.
Gimusi Visata – istorija – 6. Hadronų era 10-6-1 s,
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
km
8.
sMpc
Temperatūra nukrito iki 1012 K,
Tankis sumažėjo iki 1016 kg/m3,
Nuotoliai tarp dalelių išaugo iki 10-16-10-15 m, suskilo “kvarkų jūra”,
Kvarkai ir antikvarkai jau galėjo grupuotis po tris (barionai) ir po šešis (mezonai),
Taip atsirado hadronai – protonai, neutronai, hiperonai, įvairūs mezonai,
Krintant T, mažėjo fotonų energija ir jos nebepakako generuoti hadronų poroms,
Hadronai ir antihadronai sparčiai anihiliavo,
Dėl sutrikusios simetrijos kvarkų eroje, liko 1/1mlrd. hadronų,
Gimusi Visata – istorija – 7. Leptonų era 10-4-10 s,
1.
2.
3.
4.
5.
6.
km
7.
sMpc
Temperatūra nukrito iki 109 K,
Tankis sumažėjo iki 106 kg/m3,
Dėl silpnosios sąveikos lėtumo ir Visatos plėtimosi neutrinai ir antineutrinai
nebespėjo sąveikauti su kitomis dalelėmis, taip pat nespėjo anihiliuoti.
Visata pasidarė skaidri neutrinams ir antineutrinams.
Elektronai ir pozitronai pastoviai atsirasdavo ir anihiliuodavo.
Baigiantis leptonų erai, fotonų energijos nebeužteko e- ir e+ generacijai.
e- ir e+ sparčiai anihiliavo iki pozitronų išnykimo, liko tik elektronų likučiai.
Gimusi Visata – istorija – 8. Fotonų era
1.
2.
3.
4.
km
sMpc
10 s – 380000 m.
Temperatūra nuo 109 K nukrito iki 20000K
Visatos plėtimąsi įtakojo fotonų masė,
Besiplečiant Visatai krito fotonų energija, o tai reiškė ir Visatos masę,
Pasiekus kritinei vertei, kurios metu fotonų masė tapo mažesnė už barionų masę,
Visatos plėtimosi dinamiką pradėjo “valdyti” barionų masė,
Gimusi Visata – 9. Rekombinacijos era
1.
2.
km
sMpc
8000 – 380000 m,
Visatai toliau vėstant, fotonų energijos nebepakako jonizuoti H ir He atomų,
Elektronai “sukritinėjo” į atomus.
Gimusi Visata – 10. Tamsioji era
1.
2.
km
sMpc
380000-150 mln.m.,
Fotonų energija tapo mažesnė nei regimos šviesos,
Vyravo H, He ir infraraudonų fotonų pasaulis.
Gimusi Visata – 11. Rejonizacijos era
1.
km
sMpc
150 mln.-1 mlrd. m.,
Kvazarų atsiradimas, jų spinduliuotės jonizacinis efektas materijai
Gimusi Visata – 12. Žvaigždžių formavimosi era 1 -8 mlrd. m.,
1.
km
sMpc
Žvaigždžių ir galaktikų formavimąsis.
Gimusi Visata – 12. Greitėjančio plėtimosi era ~ 8 – 13,7 mlrd. m,
km
sMpc
km
sMpc
Materija ir jėgų laukai
Materija yra sudaryta iš medžiagos ir jėgų laukų.
km
sMpc
Galima teigti, jog medžiagos sudėtiniai elementai yra fundamentalios (elementarios) dalelės:
6 aromatų (ir trijų spalvų) kvarkai ir 6 rūšių leptonai.
Fundamentalių dalelių įvairi sąveika (jėgų laukų sudėtiniai elementai) aiškinama jų
tarpusavio kaita specifinėmis dalelėmis – 4 sąveikos virtualiais nešikliais:
gliuonais, fotonais, tarpiniais bozonais ir gravitonais.
Nešikliai taip pat yra fundamentalios dalelės.
Žinomos ir nežinomos Visatos sudėtinės dalys
km
sMpc
Vienintelės ir pulsuojančios Visatos scenarijai
km
sMpc
Antropinis principas – paralelinės Visatos
Antropinis principas teigia: Mūsų Visata yra bent iš dalies tokia, kokią ją matome, dėl to, kad mes egzistuojame.
km
sMpc