Transcript zgodovina vesolja 97

ZGODOVINA
VESOLJA
Stane Arh
»Operacijo delno financira Evropska unija iz Evropskega socialnega sklada ter Ministrstvo za
izobraževanje, znanost, kulturo in šport. Operacija se izvaja v okviru Operativnega programa razvoja
človeških virov za obdobje 2007–2013, razvojne prioritete: Razvoj človeških virov in vseživljenjskega
učenja; prednostne usmeritve: Izboljšanje usposobljenosti posameznika za delo in življenje v družbi
temelječi na znanju.«
delavnica
• Model našega Osončja
Veliki pok
Začetek vesolja je nam težko razumljiv, vendar imamo veliko
opazovalnih dejstev, ki podpirajo teorijo o velikem poku:
o Razmerje med zastopanostjo vodika in helija v vesolju
o Mikrovalovno sevanje ozadja.
o Hubblov zakon.
o Gravitacijsko lečenje.
o Razvoj galaksij.
o Nočno nebo je črno, ker je vesolje še mlado in naš pogled
ne seže dovolj daleč. Vesolje se še širi. V starem vesolju bi
nebo bilo posejano z enakomerno svetlobo, svetlo kot
Sonce.
Razmerje vodika in helija
Pri temperaturi 10 milijard K delci in antidelci niso bili enako
zastopani. Na vsako milijardo antinevtronov je bil en nevtron
presežka, kar izračunamo iz današnjega razmerja med
gostoto sevanja ozadja in gostoto snovi. Tudi protonov je bilo
nekoliko več.
Okoli minute po poku je bilo vesolje že prehladno za
rekombinacijo materije in antimaterije, vendar je milijarda K
bila dovolj za eksplozivni nastanek helija.
Ker je bilo protonov 5 krat več od nevtronov z računi pridemo
do razmerja He : H = 1 : 12. To pa je dejansko razmerje.
Mikrovalovno sevanje
Vodik postane neprozoren pri temperaturi približno 4
000 K (primer Sonce).
Ko se je vesolje ohladilo na okoli 4000 K je postalo
prozorno. Zaradi širjenja ima danes vesolje
temperaturo le 2,725 K in valovna dolžina davnih
fotonov je v območju mikrovalovnega sevanja
radijskih valov. Sevanje je šibko in prihaja iz vseh
strani, ker vesolje nima središča.
Vesolje se je povečalo za 1500 krat, od trenutka, ko
je postalo prozorno.
Satelit COBE, 1989
• Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/File:COBEDiagram.jpg
Spekter prasevanja
• Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang
Mikrovalovno ozadje
(COBE)
http://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_Background_Explorer
Temperaturne fluktuacije
Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/WMAP
Rdeče – toplejše
Modro - hladnejše
Hubblov zakon, 1929
- Vesolje se ne spreminja – prepričanje astronomov do 1930.
- Bolj ko so galaksije oddaljene, hitreje se oddaljujejo od nas
Oddaljenost galaksije in njena hitrost sta povezani z enačbo:
v=H.R
Obratna vrednost Hubblove konstante nam da čas preleta
svetlobe. Natančnost meritev se izboljšuje (VMAP), zato tudi
točnost za vrednost H:
H = 71 km/s/Mpc
Iz te vrednosti pa se izračuna starost vesolja (1/H).
- Zaradi gibanja izvora svetlobe stran od nas se valovna
dolžina daljša in frekvenca zmanjša. Dobimo premik k
rdečemu delu spektra. Iz premika dobimo hitrost izvora.
Hubblov diagram
Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Hubble%27s_law
Gravitacijsko lečenje
- V splošni teoriji relativnosti telesa z maso privlačijo svetlobo.
- Pri močnem lečenju je slika zelo popačena. Slika je manj
popačena, če je leča oddaljena od zveznice med Zemljo in
opazovanim telesom.
- Gravitacija je enaka za barionsko in za temno snov.
- Porazdelitev barionske snovi se ujema z poraz. temne snovi.
- Temna snov in barionska snov se ne pokrivata v „Iztrelku“, kjer
sta dve jati šli pred kratkim (100 milijonov let in sat od nas
oddaljeni 5 milijard s.l.) druga skozi drugo. Oblaka plazme
(naelektreni barioni) sta se odtrgala od nevtralne barionske in
temne snovi. Šest krat več temne snovi od barionske.
Gravitacijsko lečenje
Vir: Gregor Vek, Gravitacijske leče, seminar
Močno gravitacijsko
lečenje
Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_lens
Glej simulacijo!
Gravitacijsko lečenje
http://sl.wikipedia.org/wiki/Gravitacijska_le%C4%8Da
Einsteinov križ
Gravitacijsko lečenje kvazarja
Gravitacijsko lečenje
Hubblov pogled skozi jato Able 1689 (rumene galaksije) na
oddaljene galaksije (13 milijard let), ki so popačene zaradi
lečenja (leča 2 milijona let).
Nastanek galaksij
• Ne vemo, ali so bile prvo zvezde ali prvo galaksije.
• Galaksije so nastale iz zgoščin v prvotnem vesolju. Kako?
• Neznatna odstopanja v temperaturi, ki sta jih izmerila
satelit COBE in VMAP, nam bosta preko modelov odgrnila
pogled na velikost in rast spremembe gostote snovi, ki so
pripeljale do nastanka galaksij.
Potek velikega poka
 < 10-43 s, T = 1032 K, Energija delca 1019 Gev
Plankov čas, ko se je dogajalo karkoli – kvantna fluktuacija
(nedoločenost časa in energije). Vesolje si je sposodilo lahko vso
mirovno energijo in jo „pozabilo“ vrniti. Nismo sposobni opredeliti
dogajanja, ker v tem območju nimamo merilnih rezultatov in ne
razvite teorije (kvantna teorija gravitacijskega polja in velike enotne
teorije). Vse štiri interakcije so bile enekovredne, enako močne.
 10- 43 s,
- odcepila se je gravitacijska sila
 10- 43 s – 10- 35 s
– kozmološka inflacija. V času 10- 38 s se je
odcepila močna sila in se je sprostilo pri tem ogromno energije.
Eksponentno širjenje vesolja od velikosti protona do velikosti
pomaranče. Zgladile so se neenakomernosti v sevanju in snovi.
Razpadli so mezoni X in Y. Leptoni in kvarki niso več prehajali
drug v drugega. Magnetni monopoli so postali redki, in jih danes
ni mogoče zaznati.
Potek velikega poka
 10- 35 s – 10- 32 s - T = 1027 K, energija delca 1014 Gev
inflacija je preprečila sesedanje vesolja vase (črna luknja) in ga je
razgnalo navzven. Vesolje se je povečalo za 1027 krat.
 10- 32 s – 10- 12 s - T = 1025 K, energija delca 100 Gev
Asimetrija pri pojavljanju materije in antimaterije (zlom zakona o
ohranitvi barionskega števila) – pojavi se višek kvarkov (eden na 109
).
 10- 12 s – 10- 6 s - T = 1015 K. Ločita se EM in šibka sila.
Pojavijo se prvi leptoni. Premer vesolja je že 1014 m.
 10- 6 s – 10- 4 s
- izginili antikvarki. Kvarki se združujejo v
hadrone (protoni in nevtroni).
 10- 4 s – 1 s
- izginili antileptoni. Nevtrini in antinevtrini se
razvijajo odslej neodvisno od snovi in sevanja.
Potek velikega poka
 1 s – 100 s
- T = 109 K, energija delca 0,3 Mev.
Dovolj hladno za nastanek jedr (75 % H, 25 % He in malo
Li). Vezani nevtroni ne razpadajo več. Imamo še plazmo.
 3 – 20 min
- vesolje se je razširilo in ohladilo, da
so prenehala nastajati atomska jedra. Zato ni težjih jedr.
 Do 10 000 let
- obdobje sevanja. Večina energije je
bila v fotonih, snov je bila v manjšini.
 Po 10 000 letih
- začelo se je obdobje snovi
Razvoj vesolja
• 380 000 let
- T = 3000 K.
• Vesolje se je dovolj ohladilo, da so nastali prvi atomi H in He. Ker
ni bilo več prostih elektronov, se je zaprto kozmološko sevanje
sprostilo po vesolju. Tu je izvor prasevanja. Med nevtralnimi atomi
ni več delovala električna sila, zato je prišla do izraza šibkejša
gravitacijska sila.
• Do 400 milijonov let - temačno obdobje, ker še ni bilo zvezd.
Zvezde nastanejo iz oblaka medzvezdnega plina, ki se začne
zaradi motnje krčiti pod vplivom lastne gravitacijske sile. Velike
zvezde so hitro končevale svoj življenski cikel.
• Zvezde so združene v kopice ali galaksije. Galaksije so združene
v jate ali v grupe galaksij.
Razvoj vesolja
Kemijski elementi
Masni deleži elementov v bližnjem vesolju:
73 % H, 25 % He, 2 % težjih elementov
Masni deleži v našem telesu:
50 % C, 20 % O, 11,5 % H, 8,5 % N, 10 % težji elementi,
Naše telo je iz zvezdnega pepela.
Sestav vesolja
Opazovanja, merjenja in izračuni so dali sestav vesolja:
74 % temne snovi
22 % temne energije
4 % običajne, nam poznane snovi
Temna snov? Svojo prisotnost izdaja le z gravitacijsko silo.
Temna energija? Povzroča, da se vesolje širi pospešeno.
Temna snov
• Zvezde v krakih krožijo okoli središča galaksije s hitrostjo, ki
je skoraj neodvisna od razdalje od osi. Isto velja za jate.
Vzrok je temna snov, ki ne seva in ne sipa svetlobe. Delci so
nam neznani.
• Temno snov zaznamo le preko gravitacijske sile.
• Razmerje med (barionsko) snovjo in temno snovjo je 1 : 6.
• Neenakomernosti porazdelitve barionske in temne snovi v
današnjem vesolju so se razvile iz majhnih odmikov
povprečne temperature prasevanja.
Temna energija
• Temna energija povzroča pospešeno širjenje vesolja.
Življenje v vesolju
• Enocelična bitja.
• Drugačne molekule in snovi.
(Titan – tekoči amoniak, tekoči metan in etan)
(v globinah Atlantika, 2 km pod površino v bazaltnih skalah,
bakterije v gejzirih, v Romuniji – ekosistem v votlini 5,5
milijona let ločen od zunanjega sveta)
• Onesnaženje z zemeljskimi oblikami življenja bi lahko
iztrebilo prvotne organizme (Mars, Evropa, Ganimed,
Kalisto)
• Življenje na Zemljo so prinesli meteoriti
(1996 NASA, meteorit iz Marsa, ki so ga našli na Antarktiki)
Iskanje civilizacij
• Iskanje komunikacijskih signalov razvitih civilizacij –
radio,TV, brezžični telefon, razsvetljava
• Oddajanje naših signalov (80 let – ni odgovora)
• program SETI , radijski teleskop v Arecibu– (50 let)
neuspešen
• Program SETI (2012)– 350 radijskih teleskopov Allen
Telescope Array namenjen iskanju stikov z nezemljani.
• Največja ovira so razdalje. Na potrditev prejetega signala
lahko čakamo tisočletja (ali jih omo preživeli?). Mi
uporabljamo komunikacijsko tehnologijo šele 100 let.
Sporočilo Pioner 10, 11
• Vir:http://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraftDisplay.do?i
d=1972-012A
Sporočilo Voyager 1, 2
Vir:http://en.wikipedia.org/wiki/File:Voyager_Golden_Record_f
x.png
Zlati plošček: slike,
glasovi, muzika
Hvala za pozornost !
Astrofizika
• S fizikalnimi zakoni poskuša razumeti in razložiti naša
opažanja v vesolju.
• Opazujemo zvezde, meglice, galaksije.
• Meritev ne moremo ponoviti.
• Ne moremo eksperimentirati.
• Uporabljamo matematično fizikalno modeliranje.