7 Kosmologi Kosmologin söker svar bl.a. på: • Hur uppkom
Transcription
7 Kosmologi Kosmologin söker svar bl.a. på: • Hur uppkom
7 Kosmologi Kosmologin söker svar bl.a. på: • Hur uppkom universum? • Hur gammalt är universum? • Hur är materian och energin fördelad? • Hur uppkom elementarpartiklarna? • Hur uppkom grundämnena? • Hurdan är universums framtid? Kosmologiska principen: Universum är homogent och isotropiskt ⇒ Universum ser ∼ likadant ut oberoende av observationspunkten. Observationer av galaxer och galaxhopars fördelning ⇒ kosmologiska principen gäller. 135 Vägen till den moderna kosmologin: • Olbers’ paradox (H. W. Olbers, 17571840): Om universum är oändligt och materian är jämt fördelad ⇒ En stråle i vilken som helst riktning träffar alltid en stjärna ⇒ Hela natthimmelen borde lysa lika klart som solen. Hur kan natthimmelen vara mörk? Lösning på paradoxen: Universum har en ändlig ålder. • Albert Einstein (1920-talet): Ett statiskt universum kollapsar av gravitationen ⇒ Kosmologiska konstanten (Λ). • Georges Lemaitre (1927): Expanderande universum ⇒ Behövs ingen Λ. • Edwin Hubble (1929): Galaxernas rödförskjutning större ju mer avlägsna de är ⇒ Universum expanderar. • Fritz Zwicky (1934): Mörk materia 136 • George Gamow (1948): Big-bang modellen. • Arno Penzias och Rober Wilson (1964): Upptäckt av den kosmiska bakgrundstrålningen • Stephen Hawking, Steven Weinberg, Alan Guth mm. (1960-80 -talen): Nogrannare beskrivning av Big-bang -händelseförloppet, inflationsteorin mm. • Saul Perlmutter, Adam Riess, Brian Schmidt mm. (1998): Accelererande utvidgning av universum ⇒ mörk energi? • COBE, WMAP och Planck -satelliterna (1990-2010 -talen): Noggranna uppskattningar för universums ålder och andra parametrar. Nuvarande standardmodellen: Λ-CDM, dvs. kosmologisk konstant (Λ) & mörk materia (Cold Dark Matter.) 137 Den moderna kosmologins observationer: 1. Universum utvidgas enligt Hubbles lag z = (H/c)r, där z är rödförskjutningen och H ≈ 70 kms−1Mpc−1. 2. Överallt finns en termisk 2.7 K bakgrundsstrålning. 3. Materien och strålningen är isotropisk. 4. Inga stjärnor är äldre än 13-14 miljarder år. 5. Väte- och helium förekommer i ungefär lika stora mängder överallt i universum. 6. De äldsta radioaktiva isotoperna är mindre än ca 14 miljarder år gamla. 7. Galaxernas fördelning verkar vara lika överallt i universum. 8. Evolutionseffekter syns på galaxer på stora avstånd (dvs. bakåt i tiden). 138 7.1 Universums geometri För att beskriva universums geometri krävs (minst) fyra dimensioner, dvs. rymd- och tidskoordinater. Geometrin beror av densitetsparametern ρmedel Ω0 = . ρkritisk Universum kan vara (Friedmanns modeller): • sfäriskt, Ω0 > 1 • hyperboliskt, Ω0 < 1 • euklidiskt ("platt"), Ω0 = 1 Ett platt och hyperboliskt universum är öppet (oändligt) medan ett sfäriskt universum är slutet.(Bild: NASA) 139 Kosmologisk test för att avgöra om universum är öppet eller slutet: 1. Medeldensitet: Om densiteten överstiger den kritiska densiteten är universum slutet. 2. Magnitud - rödförskjutning: I ett slutet universum verkar galaxer med stor rödförskjutning att lysa starkare. 3. Vinkeldiameter - rödförskjutning: I ett slutet universum ser avlägsna galaxer större ut. 4. Halten av deuterium: Liten halt av deuterium ⇒ större kosmologisk densitet. 5. Ålder: Ett slutet universum är yngre. 6. Fluktuationer i bakgrundsstrålningen: Vinkelstorleken på fluktuationerna ⇒ modell för universums struktur. 140 Nuvarande observationer (bl.a. WMAP): • Universum är öppet • Universums densitet ≈ kritiska densiteteten • Universums utvidgning accelerar • Universums energi består av: – mörk energi (74 %) – mörk materia (22 %), – "vanlig" materia (4 %) Öppna frågor: • Vad är mörk materia?: Galaxernas rörelser visar att det finns stora mängder materia som inte strålar. Är den mörka materian svagt växelverkande icke-baryoniska partiklar (WIMP)? • Vad är mörk energi?: Observationer antyder att universums utvidgning accelererar, vilket man i teorier åstadkommer med att den kosmologisk konstanten Λ 6= 0, dvs. mörk energi. 141 7.2 Universums uppkomst Den fortfarande gällande teorin är Big bang (= ursmällen), som dock ständigt modifieras. • Universums ålder är ca 13.7 miljarder år. • Universum utvidgas ⇒ om man räknar bakåt i tiden till för ca 14 miljarder år sedan var universum enormt komprimerat och hett. ⇒ Big bang -teorin: Universum uppkom för ca 14 miljarder år sedan och har sedan dess utvidgats. Teoretiska beräkningar sträcker sig till tiden 10−43 s efter ursmällen. Unversums uppkomst från tiden t = 0: • 10−43 s, Planck-tiden: Vad som hände före denna tid är inte möjligt att beskriva ⇐ Heisenbergs osäkerhetsrelation. 142 • 10−35 − 10−31 s: Symmetribrott ⇒ ett litet överskott av materia jämfört med antimateria. Inflation: Fasförändring ⇒ mycket snabb utvidgning. Lokala inhomegeniteter ⇒ grunden för uppkomsten av galaxer. • 10−12 − 10−6: Kvark-epoken: Temperaturen sjunkit så att kvarkar består. • 10−6−10−1s: Protoner och neutroner består. 99.9999999 % av materian annihileras, 10−7 % kvar. • ca 1 s: Temperaturen har sjunkit så att elektroner kan bestå. • ca 200 s: He-kärnor uppkommer. Heliumhalten bestäms av mängden neutroner som sönderföll innan de blev fångade i heliumkärnor ⇒ väte och B−b nukleosyntes helium förekommer i förhållandet 3:1. 143 • Ca 380 000 år: – Universums temperatur ca 3000 K, väteatomer bildas ⇒ strålningen absorberas inte effektivt ⇒ universum blir "genomskinligt". – Bakgrundsstrålningen "frisläpps" – Materian klumpar sig kring "gjutfel" som uppkom vid inflationen ⇒ förstadier till galaxer. (Bild: Nasa) 144 Bakgrundsstrålningen observerad med ↓COBE och WMAPց. – Bakgrundsstrålningen är inte helt homogen: Små fluktuationer visar var materian var mera koncentrerad. Kring dessa koncentrationer uppkom galaxerna. • Ca 100 miljoner år: Galaxerna bildas. De första stjärnorna bestående endast av väte och helium (samt lite litium) uppkommer. Övriga grundämnen bildas i stjärnorna och sprids genom supernovor. • Ca 2 miljarder år: Massiva svarta hål, som samlar materia, har bildats i centrum av galaxerna ⇒ kvasarer. • "Nutid": Stjärnproduktionen har minskat. I de flesta stora galaxer har aktiviteten i kärnan minskat. 145 Tids-schema för universums utveckling (NASA/WMPA) 146 Mera öppna frågor: • Kan man sammanföra gravitationen, den elektromagnetiska kraften och kärnkrafterna (stark och svag växelverkan) i en universalteori? • Hur många dimensioner behövs för att förklara universum? • Gäller naturlagarna lika överallt? • Är vi en del av ett multiversum? Sex-dimensionella Calabi-Yau former, från Rick Groleau: "Imagining Other Dimensions" (The elegant universe) 147 7.3 Universums framtid Universums framtid bestäms av dess densitet, dvs. om universum är öppet eller slutet: • Om densiteten skulle vara tillräckligt stor skulle universum dra ihop sig i en "big crunch" (= stora krossen). • I annat fall kommer utvidgningen att fortsätta i all oändlighet. • Nuvarande observationer antyder att universums utvidgninig fortsätter och accelererar. • Ett öppet universum passar även bäst in i vår uppfattning om universums uppkomst (inflations-teorin mm.). 148 Ett expanderande universum: • Alternativ I “värmedöden” – Stjärnproduktionen minskar: Efter 1014 år har alla stjärnor brunnit slut ⇒ universum blir mörkt – Efter 1027 år har massiva svarta hål bildats i galaxerna – Efter 1090 − 10150 år har de svarta hålen "avdunstat" p.g.a. Hawkingstrålningen 26 10 år bara strålning kvar – Efter 10 • Alternativ II “stora rivet” (big rip) – Om universums expansion accelererar tillräckligt fort kommer allt till slut att rivas sönder – Processen går gradvis, först splittras galaxhoparna, sedan galaxerna, solsystemet och till sist atomerna – Om och när det händer beror på kosmologiska parametrar, vars värden inte är kända 149 7.4 Sammanfattning av universums historia (expanderande men utan “big rip”) Tid 0 < 10−43 s 10−35 − 10−31 s 10−6 − 10−1 s ca 1 s 200 s 380000 år Händelse Ursmällen Planck-tiden, alla 4 krafter en? Inflation Protoner och neutroner bildas Elektroner bildas Nukleosyntes Universum blir genomskinligt, bakgrundstrålningen uppkommer 1 · 108 år Första stjärnorna bildas 9 · 109 år Solsystemet bildas 9 · 109 år Utvidgningen av universum börjar accelerera 14 · 109 år Nutid 1011 år Nuvarande stjärnor brunnit slut 1014 år Stjärnornas tidevarv slut 1027 år Massiva svarta hålens tidevarv 1036 år Protonernas halveringstid (?) 1040 år Inga protoner mera 1090 − 10150 år Svarta hålen har "avdunstat" 26 > 1010 år Bara strålning kvar 150 Bilaga 1. WWW-sidor: Institutionen för fysik, HU Tuorla observatorium Finlands ESO-Centrum Meteorologiska institutet Tähtitieteellinen yhdistys Ursa Astronomi vid Uppsala universitet Nordic Optical Telescope European Southern Observatory Hubble Space Telescope European Space Aganecy NASA 151 www.physics.helsinki.fi www.astro.utu.fi finca.utu.fi www.fmi.fi www.ursa.fi www.astro.uu.se www.not.iac.es www.eso.org www.stsci.edu www.esa.int www.nasa.gov