Big Bang L ars Bergström G ruppen för K osmologi, partikelastrofysik och strängteori F ysikum, Stockholms universitet

Transkript

1 Big Bang L ars Bergström G ruppen för K osmologi, partikelastrofysik och strängteori F ysikum, Stockholms universitet

2 Genom alla tider har människor intresserats sig för universums och materiens uppbyggnad + kanske ett femte element, kvintessensen? Empedokles f Kr

3

4 G runden för den moderna fysiken: kvantmekanik och relativitetsteori Bohr Einstein Vid partikelkollisioner nyskapas materia! (E = mc 2 )

5 Standardmodellen för partiklarna resultatet av 100 års experimenterande och tankemöda

6 Den ledande idén är att nästa nivå utgörs av strängar med en storlek av m (Planck-längden). Strängarna lever i fler dimensioner än de vi människor kan uppfatta. (En idé som föddes redan på 1920-talet av den svenske teoretiske fysikern Oskar K lein.) Förutsägelse: det borde finnas nya, supersymmetriska partiklar. De kan ha skapats vid Big Bang och kan utgöra universums s k mörka materia!

7 AT L AS-experimentet vid C E RN kommer år 2008 att kunna återskapa förhållandena i universum en hundramiljarddels sekund efter Big Bang. Sverige och Stockholm är med! AT L AS-detektorn under uppbyggnad

8 Lite kvantmekanik: Max Planck 1899: Ljus skickas ut i energipaket, kvanta. Louis De Broglie 1924: Partiklar har också vågegenskaper. Erwin Schrödinger 1926: Vågekvation för partiklar, Schrödingerekvationen. Heisenberg 1927: Läge och hastighet kan inte samtidigt mätas! (Osäkerhetsrelationen.)

9 Lösningar till kvantmekanikens Schrödingerekvation för en partikel instängd i en låda E 2 Förklarar bl a: E nergins kvantisering A tomernas stabilitet M ateriens inkompressibilitet E 1 Linjespektrum E 0

10 E 1 E 2 E 3 E 4 V äteatomen: Coulomb-potentialen Q1Q2 V ( r) r ger E n 13.6 ev 2 n

11 Olika grundämnen ger olika fingeravtryck (linjespektrum). K an användas bl a för miljödiagnostik. Gaslågor får olika färg om olika salter tillsätts (Bunsenbrännare). Detta är också principen bakom fyrverkeriets olika färger!

12

13

14

15 Hubbles fantastiska upptäckt på 1920-talet: Spektrallinjerna för avlägsna galaxer är rödförskjutna, och rödförsk jutningen ökar med avståndet till galaxen

16 kort våglängd: blått ljus lång våglängd: rött ljus Bästa förklaringen (byggd på Einsteins allmänna relativitetsteori) är att universum expanderar och ljusvågorna dras ut när de färdas. Rödförskjutningen är då lika med universums storlek vid observationen dividerat med universums storlek vid utsändandet av ljuset.

17 Hubbles lag Hastighet, v v H d Avstånd till galax, d Värde på H: 20 km/sek per miljon ljusår Modern tolkning (byggd på Einsteins allmänna relativitetsteori): Hela universum sväller (expanderar)

18

19

20

21

22 Tyngre grundämnen (kol, kväve, syre, kalcium, järn,..) sätts ihop i det inre av stjärnor fusion Men de utgör bara någon procent av massan Vissa tunga stjärnor exploderar som supernovor (ju tyngre desto snabbare en stjärna med 25 solmassor efter ungefär 10 miljoner år) Av gasen, berikad med tyngre grundämnen, kan nya stjärnor och planeter bildas vi är alla gjorda av stjärnstoft!

23

24 Big Bang-modellen är falsifierbar (viktigt för en naturvetenskaplig teori) E xempel: Universums ålder Hubble-expansionen baklänges ger Å = miljarder år Radioaktiv datering ( kol-14- metoden men med andra isotoper uran och torium) stämmer med detta Åldern hos de äldsta stjärnorna är ungefär miljarder år N. Dauphas, Nature, 2005

25 mars, 2004:

26 C O B E-satelliten (1992) Osäkerheten i mätpunkterna är mindre än den teoretiska kurvans tjocklek! Ljuset från Big Bang! Planck-kurvan (temperaturstrålning, T = K) är ett bevis för att universum har varit upphettat och hoppressat.

27 Nobelpriset i fysik 2006 John M ather G eorge Smoot C O B E för upptäckten av den kosmiska bakgrundsstrålningens svartkroppsform och dess anisotropi.

28 Kosmiska bakgrundsstrålningen ekot från Big Bang COBE FIRAS T = 2.73 K Planckkurvan (Max Planck, Nobelpriset 1918) Planck-kurvan betyder att universum har varit upphettat och hoppressat ljuset från Big Bang!

29 Observationer i ett expanderande universum: Tiden = 0, Big Bang. Detta ögonblick kan vi inte behandla vetenskapligt (behöver kvantgravitation) Ljusvågorna sträcks ut under färden blir mikrovågor Utveckling enligt Einsteins (Nobelpriset 1921) allmänna relativitetsteori, testad bl a genom dubbelpulsaren (Hulse and Taylor, Nobelpriset 1993). 13,7 miljarder år (WMAP 2003) Samband mellan inhomogeniteter och temperaturvariationer: Sachs och Wolfe, 1967 Ill: Hans Nilsson/Lars Bergström Under de första minuterna bildades lätta grundämnen (76 % väte, 24 % helium, spår av deuterium och litium)

30 Bilden på universum som baby ( år efter Big Bang) Universum var då i stort sett en homogen (jämn) ursoppa Ett dipolmönster uppstår på grund av vår rörelse genom rymden! Små ojämnheter (någon del på hundra tusen) kan vara fröna till våra galaxer! C O B E-satelliten 1992

31 Från föredrag av George Smoot 1997: Finns det struktur i bakgrundsstrålningen? Inte lätt att se med de data som fanns då

32 Tog data från januari 2002 första datamängden presenterades i februari I mars 2006 kom 2:a och 3:e årets data. Ny satellit skickades upp: W M AP Wilkinson M icrowave A nisotropy Probe

33 W M AP, mars 2006

34 Med data från W M AP går det att fastställa värdet på många parametrar: Det finns 4-5% Vanlig materia Det finns % mörk materia Det finns % mörk energi Universum är 13,7 miljarder år gammalt Universum genomgick troligen en epok av inflation första bråkdelen av en sekund efter Big Bang

35 Nytt januari 2008: Nya data från ACBAR (markbaserat instrument)

36

37 år efter Big Bang: rödförsk jutningen = 1100 De mörka åren, rödförsk jutningen stör re än 20 De första stjärnorna och små galaxer, rödförskjutningen = 5-15, många supernovor Stora galaxer och galaxhopar, rödförskjutningen = 1-3, aktiv stjärnbildning Dagens universum, rödförskjutningen = 0. Stjärnbildningen har avtagit.

38 Mysteriet med den mörka materian i universum Rotationskurva för galaxer Röntgenstrålande galaxhopar NED/STScI; E. Corbelli & P. Salucci (1999) Galaxhop 3C295 (Chandra)

39 Två kolliderande galaxhopar. Bilden tagen med Chandra-teleskopet (Röntgenbild!). Det blåa är mör k materia, det röda vanlig materia Nytt augusti 2006: Bildbevis på mörk materia!

40 Vad är den mörka materian? Neutriner? Har massa (visat av experimentet Super-K amiokande i Japan), men den är inte tillräckligt stor för att förklara mer än någon procent av den mörka massan. Svarta hål? K an observeras indirekt. Den samlade massan räcker inte alls. Axioner? Endast en smalt massintervall möjligt experiment pågår. Supersymmetriska partiklar? M est lovande experiment pågår och planeras. Något helt annat?

41 Samarbete USA-F rank rike-italien- Sverige-Japan, uppsk jutning okt 2007 Datorgenererad fördelning som förväntas om den mörka materien utgörs av supersymmetriska partiklar.

42 GLAST instrumentet Spårdetektor Antikoincidensdetector e + e Kalorimeter

43 GLAST-kalorimetern Samarbete mellan USA, F rank rike och Sverige 1536 CsI kristalldetektorelement 18 moduler

44 Neutriner från solen

45

46