Kosmologi. Ulf Torkelsson Teoretisk fysik CTH/GU

Transkript

1 Kosmologi Ulf Torkelsson Teoretisk fysik CTH/GU

2 Program Universums expansion, observationer Universums expansion, teori Universums geometri Universums expansion och sammansättning Exotisk materia

3 Andromedagalaxen

4 Cepheider

5 Cepheider Cepheider är pulserande stjärnor vars pulsationsperiod beror på deras ljusstyrka.

6 Cepheider

7 Cepheider Ju ljusstarkare en cepheid är desto längre är dess pulsationsperiod Detta samband upptäcktes 1908 av Henrietta Swan-Leavitt. Cepheider är tillräckligt ljusstarka för att synas i andra galaxer.

8 Att bestämma avståndet till andra galaxer 1928 upptäckte Edwin Hubble cepheider i Andromedagalaxen och visade därmed att den var en galax utanför Vintergatan. Redan 1919 hade Knut Lundmark uppmätt avståndet till Andromedagalaxen till ljusår genom att studera novor. Det moderna värdet är ljusår.

9 Cepheider i andra galaxer Med Hubble Space Telescope har man studerat cepheider så långt bort som 56 miljoner ljusår.

10 Cepheid i M100

11 Hubbles lag 1929 upptäckte Hubble att ljuset från de flesta galaxer är rödförskjutet, vilket Slipher också hade sett tio år tidigare. Hubble tolkade rödförskjutningen som en Doppler-effekt, så han mätte den som en hastighet.

12 Doppler-effekten

13 Universums ålder De observerade hastigheterna följer Hubbles lag v = Hr Ett modernt värde på Hubbles konstant är H=70 km/s/mpc Hubbles konstant är omvänt proportionell mot universums ålder. Universums ålder blir ungefär 14 miljarder år.

14 Vad menas med universums expansion? Big bang är inte en explosion. Det är avståndet mellan galaxerna som växer med tiden, eller krymper om vi följer expansionen baklänges genom tiden. Vid en viss tidpunkt ser vi att alla avstånden blir noll samtidigt. Big bang infaller vid denna tidpunkt.

15 Den kosmiska rödförskjutningen Galaxernas rödförskjutning är inte en Dopplereffekt. Universum expanderar under den tid som ljuset går från en galax till jorden. Då expanderar ljusets våglängd i samma takt som avståndet mellan galaxerna.

16 Gravitation enligt Einstein Gravitationen är en krökning av rumtiden. Denna krökning orsakas av den materia som finns i universum.

17 Gravitationslins

18 Universums geometri Gravitationen kan därför ge hela universum en krökning som kan vara antingen positiv eller negativ. Krökningen beror på hur mycket materia det finns i universum.

19 Universums geometri

20 Gravitationens effekt Om vi kastar upp en boll, så bromsas den upp av jordens tyngdkraft, och till slut faller den ned igen. Om vi kunde slänga iväg bollen med 11,2 km/s så skulle den lämna jorden för alltid. På samma sätt påverkar universums gravitation dess acceleration. Kommer universum att expandera för alltid eller kommer det en dag att börja kollapsa?

21 Att mäta expansionens förändring Vi behöver mäta sambandet mellan avstånd och rödförskjutning för mycket avlägsna galaxer. Det går lika bra att mäta ljusstyrkan som en funktion av rödförskjutningen. Cepheider är för ljussvaga. Typ Ia-supernovor är tillräckligt ljusstarka och alla har samma ljusstyrka.

22 Jakten på typ Ia-supernovor Under 1990-talet började två grupper att leta efter avlägsna typ Ia-supernovor. High-Z SN Team Supernova Cosmology Project Ariel Goobar i Stockholm deltar i Supernova Cosmology Project

23 En supernova 9 miljarder år från oss

24 Att mäta universums expansion

25 Årets upptäckt 1998 enligt Science Universums expansion accelererar. Gravitationen bromsar inte upp expansionen, utan något skjuter istället på gravitationen. Redan 1917 lade Einstein till en kosmologisk konstant till sina ekvationer för att motverka gravitationskraften. Vid den tiden trodde Einstein nämligen att universum var statiskt.

26 Kvintessens eller mörk energi Gravitationskraften beror på ρ+3p. Densiteten ρ är positiv, men trycket p kan vara negativt. Om vi har p< -ρ/3 så blir gravitationskraften repulsiv. En sådan form av energi kallar vi för kvintessens. En kosmologisk konstant svarar mot p = -ρ, vakuumenergi.

27 Hur länge kommer universum att expandera?

28 Hur mycket kvintessens finns det? Vi kan inte bestämma mängden kvintessens bara genom att mäta accelerationen. Vi måste också bestämma universums krökning. Är universum krökt som ett klot eller som en sadel? Genom att studera mikrovågsbakgrunden kan vi bestämma universums krökning-

29 Mikrovågsbakgrunden Den är en kvardröjande värmestrålning från Big Bang. Genom universums expansion har den svalnat till 3K. Den upptäcktes 1965 av Penzias och Wilson, som 1978 fick Nobelpriset i fysik

30 Fluktuationer i bakgrunden 1992 upptäckte COBE-satelliten fluktuationer i mikrovågsbakgrunden. Genom att bestämma storleken för dessa fluktuationer kan vi bestämma universums krökning Sådana studier har gjorts av flera ballongburna teleskop och av satelliten WMAP.

31 Mikrovågsfluktuationer enligt WMAP

32 Universum är platt Enligt WMAP och andra experiment så saknar universum krökning (krökningen är mindre än mätosäkerheten). Därför gäller Pythagoras sats i universum.

33 Universums krökning och acceleration

34 Universums sammansättning Universum består till 73% av kvintessens och 27% av materia. All denna materia är inte vår vanliga materia. Genom teorin för hur de lätta grundämnena bildas vet vi att bara 4% av universum kan bestå av vanliga protoner och neutroner i olika atomkärnor. 23% av universum är mörk materia som består av något annat.

35 Exotisk materia Man kan i teorin tänka sig materia som är ännu märkligare än kvintessens. Exotisk materia är materia med en negativ energidensitet. Med sådan materia kan man bygga varpdrift och maskhål.

36 Varpdrift Ett rymdskepp med exotisk materia kan skrynkla ihop rumtiden framför skeppen, så att ett långt avstånd blir kort. Sedan kan rymdskeppet i låg hastighet färdas igenom. När rumtiden sedan slätas ut bakom rymdskeppet ser man att man i själva verket har tillryggalagt en lång sträcka i rummet.

37 Maskhål Ett maskhål kan binda ihop två punkter i rumtiden som egentligen ligger långt bort från varandra Därigenom skapas det en genväg mellan de båda punkterna i rumtiden. Om punkterna ligger skilda åt i tiden får man också en tidsmaskin.

38 Maskhål