Universum. en symfoni i skönhet och elegans

Transkript

1 Universum en symfoni i skönhet och elegans Claes Uggla Hubble deep field

2

3

4

5 Vibrationer i universum en symfoni i tre satser 1:a satsen: Vibrationer/strukturer i den kosmiska bakgrundsstrålningen. 2:a satsen: Vibrationer hos svarta hål. 3:e satsen: Vibrationer i rumtiden = gravitationsvågor.

6 Preludium: Einstein och universum Einsteins speciella relativitetsteori (1905) (= mekanik utan gravitation) Minkowski (1907) från absolut tid och Euklidiskt rum till plan rumtid. Albert Einstein Hermann Minkowski Absolut kausal struktur i det plana Minkowskirummet. Minkowski: Från och med nu kommer rummet i sig och tiden i sig att vara dömda till att blekna till skuggor, endast en slags förening av de två kommer att bibehålla en oberoende realitet

7 Einsteins allmänna relativitetsteori (1915) (mekanik med gravitation). Gravitationen är speciell: Den påverkar allt och allt påverkas på samma sätt. Ekvivalensprincipen: Lokalt finns inte gravitation lokalt är rummet platt. Globalt är gravitation krökt rumtid rumtiden är plastisk. Rumtidens krökning talar om hur materien rör sig (1907); materien talar om hur rumtiden kröks (1915). Hubble 1929: Universum expanderar!!! Gravitation: Misner, Thorne, Wheeler

8 Den första satsen: Den kosmiska bakgrundsstrålningen Upptäcktes Nobelpris 1978 till Arno Penzias och Robert Wilson. Svartkroppsstrålning med temperaturen 2,725 K ( mikrovågor).

9 Gå bak i tiden i ett expanderande universum så får man kontraktion. Kontraktion ökad materietäthet ökad värme annorlunda villkor för materiella strukturer Materien var ett ogenomskinligt hett plasma då vårt 13,7 miljarder år (± 1%) gamla universum var yngre än år gammalt. Varning: Historiskt har systematiska fel systematiskt underskattats!

10 Den kosmiska bakgrundsstrålningen = Det ljus som blev kvar då de första atomerna bildades (H och He) och universum blev genomskinligt (materia och ljus bortkopplades från varandra vid rekombinationen ; den tidpunkt då universum blev så pass svalt att elektroner kunde bindas till väte- och heliumkärnorna i universum).

11 Variationer i den nästan helt jämna kosmiska bakgrundsstrålningen Cosmic Background Explorer Uppsänd Nobelpris COBE, NASA, Two-Year Sky Map, Feb. 1998

12 Täthetsfluktuationer (ifrån kvantfluktuationer i det mycket tidiga universum?) i framförallt mörk materia plasma oscillationer (akustiska oscillationer) med max storlek på ca ljusår, p.g.a. ljudhastigheten i plasmat var 0,6c och att universum var år vid bortkopplingen grunden för storskalig strukturbildning: protogalaxer galaxer och gigantiska svarta hål hopar av galaxer och superhopar av galaxer - filament.

13 WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) uppskickad WMAP Science Team

14 Planck (och Herschel) sändes upp den 14:e maj Detaljstudie av den kosmiska bakgrundsstrålningen. 1 års mätdata av mikrovågor från Planck (ESA)

15 Den andra satsen: Vibrerande svarta hål Ett svart hål är en förutsägelse av Einsteins allmänna relativitetsteori. Vid extrem ansamling av materia kröker sig rumtiden att ett område med en horisont det svarta hålets gräns bildas. Ingenting, inte ens ljus, kan ta sig ut ifrån detta område det går inte att se bortom horisonten.

16 Svarta hål: 4 typer av kandidater Ursprungliga (primordial) svarta hål: Varierande storlek. Bildas i det tidiga universum. Stellära svarta hål: Bildas då stora stjärnor (> ca 10 solmassor ) dör i supernovaexplosioner. Svarta hål med mellanstor massa, d.v.s. med en massa ca gånger större än solen. Bildas genom sammanslagning av stellära svarta hål och/eller stjärnor? Supermassiva svarta hål: Svarta hål med miljontals miljardtals solmassor. Finns i flertalet galaxer. Antas bildas genom sammanslagning av protogalaxer bestående av gas och den första generationens jättestjärnor i det tidiga universum.

17 Indirekt detektion av svarta hål genom deras inverkan på deras synliga omgivning

18 Hubble bild av 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.

19 Stjärnor som rör sig kring Vintergatans centrala svarta hål som är ca 4 miljoner gånger mer massivt än solen.

20 Subrahmanyan Chandrasekhar, Svarta hål de enda perfekta makroskopiska objekten i universum! Massa och rotation (och elektrisk laddning) ger en fullständig beskrivning. Det svarta hålets massa och rotation bestämmer dess vibrationer som entydigt karakteriserar det svarta hålet.

21 Den tredje satsen: Gravitationsvågor Vad är en gravitationsvåg? En gravitationsvåg är en krusning/vibration i rumtidens krökning. Förutsågs existera av Einstein Gravitationsvågor från ett par inspiraliserande svarta hål. K. Thorne & T. Carnahan

22 Hur skapas gravitationsvågor och vilka möjliga detekterbara källor finns det? Accelererade elektriska laddningar ger upphov till elektromagnetiska vågor. Accelererade massor ger upphov till gravitationsvågor. 1. Oväntade källor! 2. Stokastisk gravitationsvågsbakgrund. 3. Roterande kompakta stjärnor. 4. Utbrott (bursts): Supernovor, gammablixtar, 5. Periodiska källor: Inspiraliserande binära system (SH- SH, SH-NS, NS-NS, ), vibrerande svarta hål,

23 Hur detekteras gravitationsvågor? Indirekt detektion via energiförluster hos binära system: Binärpulsarer (två neutronstjärnor roterande kring varandra). PSR : Upptäcktes 1974 av Taylor och Hulse som fick 1993 års Nobelpris

24 Direkt detektion: Mycket svårt varför? Gravitationell växelverkan är mycket svagare än all annan fundamental växelverkan (t.ex. är den elektromagnetiska kraften mellan elektronen och protonen i en väteatom gånger större än gravitationskraften mellan dem). Det finns bara en typ av gravitationell laddning (= tung massa); allt påverkas av gravitation och allt påverkas på samma sätt ekvivalensprincipen: Svårare att detektera: Endast skillnader i gravitationsfältet kan detekteras. Svårare att generera: Det finns ingen s.k. dipolstrålning (den dominanta strålningen inom elektromagnetism) s.k. kvadrupolstrålning är den dominerande strålningsformen.

25 Detektion som mäter hur avstånden ändras mellan fria partiklar p.g.a. en förbipasserande gravitationsvåg uppskattas kräva att man mäter hur en meter ändras med mindre än en miljontedels protondiameter!

26 Bredbandsdetektorer = laserinterferometrar Problem: Laser frekvensintensitetsbrus; shot noice (problem att räkna fotonerna); brus från gasrester (ej perfekt vakuum); termiskt brus hos massorna, trådar, tak; seismiskt brus, dataanalys algoritmer,

27 Tre stora Jordbaserade laserinterferometrar. Högfrekvensdetektionsområde, 10 Hz Hz: LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory): 1. LIGO Hanford Observatory i staten Washington (en med 2 km och en med 4 km armar) 2. LIGO Livingston Observatory i staten Louisiana (en med 4 km armar). Virgo, nära Pisa (en med 3 km armar). Avancerade LIGO, påbörjad konstruktion 2011, observationer 2015.

28 Rymdbaserad laserinterferometer (ESA & NASA): LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Lågfrekvensdetektionsområde, ca 10 4 Hz - 0,1 Hz LISA Pathfinder/ST-7 (ESA/NASA, uppskjutning 2012), test. Augusti 2010 uppgraderades LISA till hög prioritet bland NASAs stora rymdprojekt.

29 Inspiraliserande par av svarta hål de senaste 5 åren p.g.a. stora teoretiska och numeriska framsteg.

30 Vibrerande svarta hål sänder ut gravitationsvågor som unikt beskrivs av det svarta hålets massa och rotation, de rena tonerna. Svarta hål kan inte ses med ljus, men de kan ses med gravitationsvågor.

31 Gravitationsvågsastronomi Nytt kvalitativt och kvantitativt fönster mot universum. Ostörd helhets genererad information om materiebaserade källor (i kontrast mot elektromagnetiska vågor som byggs upp av individuella accelererade laddningar), eller svarta hål. Information om materiens egenskaper vid extrema tätheter. Binära svarta hål som nya standardljus avstånd kan fås från vågform och förändring av vågform. Nästan alla extrema fenomen i universum är optiskt dolda, men de kan ses med gravitationsvågor förvänta det oförväntade!