Big Bang L ars Bergström Oskar K lein-centrum för kosmopartikelfysik F ysikum, Stockholms universitet

Transkript

1 Big Bang L ars Bergström Oskar K lein-centrum för kosmopartikelfysik 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 2010 efter ett par år med tekniska problem - 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 att mäta halten av giftiga ämnen i Stockholmsluften. 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 som galaxen rör sig bort med, v H d v Varje punkt representerar en galax Avstånd till galaxen, 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 Den djupaste bilden med H ubble-teleskopet:

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. Här var temperaturen c:a 3000 grader Ljusvågorna sträcks ut under färden blir mikrovågor Utveckling enligt Einsteins (Nobelpriset 1921) allmänna relativitetsteori, testad bl a genom dubbelpulsaren (Hulse and Taylor, Nobelpriset 1993). Samband mellan inhomogeniteter och temperaturvariationer: Sachs och Wolfe, 1967 Ill: Hans Nilsson/Lars Bergström 13,7 miljarder år (WMAP 2003) 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, och 2008 kom 5-årsdata. Ny satellit skickades upp: W M AP Wilkinson M icrowave A nisotropy Probe

33 W M AP, 2008

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 Superdatorberäkningar av galaxfördelningen stämmer perfekt med observationerna men bara om det finns mörk materia! Springel, F renk & White, 2006

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

40 Galaxhopar böjer av ljuset från bakomliggande galaxer gravitationslins beräkningar visar att minst 80 % av massan måste vara mörk (dvs osynlig)

41 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!

42 Genom gravitationlinsning går det att ge en bild av hur den mörka materien fördelar sig i rymden (området omfattar miljoner galaxer!) COSMOS-projektet, Hubbleteleskopet,NASA, 2008

43 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?

44 Samarbete USA-F rank rike-italien- Sverige-Japan, sk jöts upp juni 2008 Datorgenererad fördelning som förväntas om den mörka materien utgörs av supersymmetriska partiklar. (Data tas just nu, kan presenteras om något år.)

45 Fermi fist light map

46 Via Lactea simulation (J. Diemand & al, 2006) 46

47 I de flesta modeller för mörka materia kan både partiklar och antipartiklar bildas när 2 mörkmateria-partiklar träffas på varandra (annihilation). Eftersom universum bara tycks bestå av materia, kan detta vara ett bra sätt att söka mörk materia: Det borde uppstå ett (litet) flöde av antimateria, t ex av positroner, som är antipartikel till elektronen. Oktober 2008: Experimenten PAMELA (med deltagande här ifrån AlbaNova) och ATIC tycker sig se en sådan signal! Den vetenskapliga metoden: Acceptera inte experimentella data omedelbart. Oberoende bekräftelser krävs. Sådana kommer, t ex från Fermi-satelliten (inom några månader). Om resultaten står sig, finns det eventuella andra tolkningar?

48 Nature, November 19, 2008 ATIC: Ballongexperiment som mäter summan av elektroner och positroner HESS, Nov. 24, 2008 Är detta tecknet på den efterlängtade mörka materian?

49 Neutriner från solen

50

51