Kosmologi. Kosmos (grek., världsalltet, världsordningen, världen, god ordning ), i astronomin det samma som världsalltet, universum.

Transkript

1 Kosmologi Kosmos (grek., världsalltet, världsordningen, världen, god ordning ), i astronomin det samma som världsalltet, universum. Kosmogoni (grek. kosmogoni a världens skapelse, av kosmos och grek. goni a, av go nos ursprung, härkomst ), läran om världsalltets uppkomst eller skapelse. Kosmologi (av kosmos och grek. -logi a -lära, -vetenskap, av lo gos ord ), vetenskapen om universums byggnad. I modernt språkbruk innefattar kosmologi även vad som förr kallades kosmogoni, dvs. studiet av universums uppkomst och utveckling. Kosmologi i bred mening världssyn som syftar att förklara världsalltets uppkomst, struktur och utveckling men även dess mening. Varje kultur har en historia som försöker förklara människans ursprung och plats i världen varje kultur har sin egen kosmologi.

2 De stora frågorna Varifrån kommer allt? Vad består allt av och hur fungerar det? Hur kommer allt att sluta? Var är vår plats? Vad är meningen med allt? Tidiga svar myter med antropomorfa inslag. Den moderna naturvetenskapliga kosmologin en följd av en vandring bort från människan, men som i slutändan belyser henne och hennes plats i tillvaron.

3 För att förstå det stora (Universum) så måste man förstå det lilla (naturens byggstenar) och vice versa!

4 Materiepartiklar och kraftpartiklar - 4 Krafter Naturens byggstenar Den starka kraften Den svaga kraften Den elektromagnetiska kraften Den gravitationella kraften Gravitationen är speciell - allt påverkas av den och allt påverkas på samma sätt Allt bygger på likheter och skillnader

5 Kosmologiska modeller 1905: Speciella relativitetsteorin 1915: Den allmänna relativitetsteorin gravitationen som rumtidsgeometri istället för kraft. Materien talar om hur rumtiden kröks och rumtidens krökning talar om hur materien skall röra sig. 1916: Den första kosmologiska modellen. Baserad på den kosmologiska Kopernikanska principen vi befinner oss inte på någon speciell plats i rum och tid en statisk, rumshomogen (lika överallt) och rumsisotrop (lika i alla riktningar) kosmologisk modell. Detta tvingade Einstein att införa en kosmologisk konstant

6 20-talet: Teoretiska modeller utan kosmologisk konstant i tiden föränderliga kosmologiska modeller (d.v.s. modellerna är inte längre statiska). Begränsar den kosmologiska Kopernikanska principen till att vi inte befinner oss på någon speciell plats (rumshomogenitet och rumsisotropi) men att vi är på ett speciellt ställe i tiden.

7 Olbers paradox: Om universum var oändligt och statiskt, med materia (statistiskt) jämt utspridd överallt (vilket krävs av Newtonsk teori), då borde det finnas en stjärna i varje riktning. Men då borde natthimlen vara ljus varför är den då inte det?

8 Standardljus : Cepheidvariabler Standardljus används för att mäta avstånd. Känner man till den inre ljusstyrkan så kan man härleda ljuskällans avstånd med hjälp av den apparenta (skenbara) ljusstyrkan. Ovan Cepheider i spiralgalaxen NGC Henrietta Leavitt ( ): Insåg att det fanns en period-luminocitets relation för Cepheider (ljusstyrka: typiskt gånger starkare än solen).

9 Olika galaxer Under början på 1920-talet etablerade Edwin Hubble att det fanns olika galaxer och att vår var en av dem mätte han avståndet till den förhållandevis närbelägna Andromedagalaxen (2,5 miljoner ljusårs avstånd). Nedan är en klassificering av olika galaxtyper.

10 Universum expanderar! Edwin Hubble ( ) v = H d 0 H 0 = Hubbles konstant. Hubble 1929: Alla (icke-lokalt sammanhållna av gravitation) galaxer avlägsnar sig från varandra Universum expanderar! Einstein: Den kosmologiska konstanten min värsta blunder. Universum förändras och utvecklas!

11 Hubbles upptäckt av galaxers rödskift skall inte tolkas som ett Dopplershift utan som en konsekvens av rummets expansion. Rummet expanderar i huvudsak i tomrummet mellan galaxhoparna detta är en konsekvens av den totala materien inverkan på universums globala geometri. Lokalt bestäms längdskalor av t.ex. lokala massansamlingar och icke-gravitationella krafter. Detta tillåter en jämförelse med den globala längdskalan, som för närvarande ökar.

12

13

14 Vanlig materia (kosmologisk konstant = 0) tenderar att vilja klumpa ihop sig p.g.a. gravitationens attraktiva natur ifall universum innehåller tillräckligt med materia kommer expansionen att upphöra och man kommer därefter få en kontraktion annars inte. Om man går bakåt i tiden så får man en kontraktion, tillräckligt långt bak i tiden blir materien oändligt tätt packad vilket får rum och tid att upphöra! Denna tidpunkt utgör universums födelse och kallas för Big Bang.

15 Konsekvenser av ett expanderande universum: Att gå bakåt i tiden innebär kontraktion, vilket leder till ökad materietäthet; detta i sin tur innebär förändrade förutsättningar för strukturbildning. En liten röd galax sedd med hjälp av Abell 2217 (gravitationslinsning). Möjligen en byggsten till nuvarande galaxer. Galaxer utvecklas!

16 Kolliderande galaxer Galaxernas utveckling är kopplad till deras tidiga våldsamma historia och existensen av svarta hål i deras centra, men även till existensen av mörk materia och mörk energi.

17 Gigantiska svarta hål finns i mitten på de flesta galaxer. Här är ett centralt svar hål i galaxen NGC 4261: Massan = 1,2 miljarder solmassor i ett område stort som solsystemet, omgivet av en ansamlingsskiva med 800 ljusårs diameter med ljusår långa vertikalt riktade jets, som skapas genom växelverkan mellan det svarta hålets rotation och materien utanför det.

18 Det mesta är inte synligt: Mörk materia Det finns ca 7 gånger mer osynlig materia än vanlig synlig materia: avgörande för galaxformation.

19

20 Mörk energi Supernovor av typ 1A som standardljus. Universum expanderar i ökande takt! Väsentligen slut på galaxformation för 6 miljarder år sedan. Mörk energi negativt tryck; en kosmologisk konstant?

21

22 Universums storskaliga struktur 2dF Galax-rödskift kartläggning Fördelning av galaxer

23 2 miljoner galaxer över 10% av himlen. Vita punkter representerar mer än 20 galaxer; blå punkter 1-19 galaxer; svarta punkter innehåller inga galaxer. Galaxerna grupperas i hopar och hopar av hopar (superhopar) som tycks hålla sig till ytan på bubblor med 100 miljontals ljusårs diameter, men på en skala på ca 1 miljard ljusår så tycks universum vara homogent och isotropt.

24 Gå bak i tiden i ett expanderande universum så får man kontraktion. Kontraktion innebär ökad materietäthet ökad värme mikroskopisk strukturbildning. Universum blir genomskinligt då det är år!

25 Den kosmiska (mikrovågs-) bakgrundssrålningen. Upptäcktes Nobelpris 1978 till Arno Penzias och Robert Wilson. Cobe (Cosmic Background Explorer) uppskickad 1989.

26 Små variationer i temperatur svarar mot variationer i täthet vid bortkopplingen. Dessa täthetsfluktuationer ger senare upphov till filament, hopar av galaxer, galaxer. WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) uppskickad 2001.

27 Bortom den optiska horisonten Detektion av andra energiformer än ljus. Nukleosyntes (kärnsyntes). Matematiken som ett extra sinne.

28 Väsentligen bildas endast väte och helium i det tidiga Universum alla andra grundämnen har bildats senare i stjärnor (de första stjärnorna bildas efter några hundra miljoner år efter Big Bang).

29

30 Universum är idag 13,7 miljarder år gammalt. Alltså kan man bara (i princip) se 13,7 miljarder ljusår av Universum. Om 1 miljard år kommer vi att kunna se 14,7 miljarder ljusår bort (om Universum är så pass stort).

31 Några sunt förnuftiga (d.v.s. Newtonska) vanföreställningar. Universum började med att all materia var samlad i en punkt. Därefter skedde en stor explosion, Big Bang, och materian slungades ut och expanderar nu i rummet. Därav följer logiskt att materian i universum har en yttre gräns och att det måste finnas något därutanför (tomrum?). Det måste dessutom ha varit så att det fanns en tid innan den där urklumpen/kosmiska ägget exploderade.

32 Men Big Bang teorin bygger inte på Newtonsk teori utan på allmän relativitetsteori en teori som bättre stämmer överens med empiri. Enligt denna teori så är våra vardagsföreställningar om rum och tid felaktiga och därmed faller det tidigare resonemanget. Saker sker inte i ett passivt rum och tiden är inte opåverkbar; rum och tid är aktiva deltagare rumtiden är plastisk. Att fråga vad som hände före Big Bang är från ett allmänrelativistiskt perspektiv lika tokigt som att fråga om vad som finns norr om Nordpolen. Rum, tid, materia och naturlagar som vi känner dem skapas vid Big Bang, d.v.s. enligt Einsteins teori så fanns det ingen tid (eller rum, materia, ) innan Big Bang. Vårt vardagsspråk räcker inte till för att beskriva situationen ordentligt, men med matematikens språk så går det utmärkt!

33 Big Bang sker överallt och efter ett ögonblick så finns det ett ändligt eller oändligt (vi vet inte vilket) rum där allt är väldigt jämnt utspritt. Det finns inget centrum. Det ser ut ungefär på samma sätt överallt. Med tiden rör sig saker och ting genomsnittligt ifrån varandra trots att materien genomsnittligt ligger still! Det är rummet som expanderar (det är alltså inte så att materia expanderar ut i ett passivt, för alltid på samma sätt existerande, rum). Detta enligt Einstein. Men har Einstein rätt?

34 Spekulationer om det tidiga Universum

35 Multiversum?

36 Obesvarade frågor Vad är mörk materia? Vad är mörk energi? Vilket är Universums slutliga öde? Universums topologi lever vi i ett litet universum? Finns det många universa med olika naturlagar?