No Slide Title - Grzegorz Wrochna
advertisement
„Współczesne kontrowersje wokół początków Wszechświata”, 14.12.2007 Początek Wszechświata - najwspanialszy eksperyment fizyczny Grzegorz Wrochna Instytut Problemów Jądrowych im. A.Sołtana Warszawa / Świerk [email protected] G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... 1 Astronomia w minutę Skale odległości w jednostkach świetlnych: Ziemia – Księżyc 1s Ziemia – Słońce 8 min krańce Układu Słonecznego 11 h najbliższa Słońcu gwiazda 4 lata średnica Galaktyki 100 000 lat odl. do gal. w Andromedzie 2.5 mln lat widzialny Wszechświat 14 mld lat G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... 2 Fizyka w 2 minuty We Wszechświecie występują 4 rodzaje sił: grawitacyjne – spadanie, planety, galaktyki elektromagnetyczne – atomy, cząsteczki, tarcie, sprężystość, światło jądrowe słabe – źródło energii gwiazd (Słońca) jądrowe silne – wiąże protony i neutrony w jądra atomowe Struktura materii: cząsteczki atomy G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... jądra elektrony -10 m 10-10 protony neutrony -14 m 10-14 kwarki gluony -15 m 10-15 3 14 mld lat – człowiek 10 mld lat – Ziemia 200 mln lat – galaktyki 380 000 lat – atomy 3 minuty – jądra He miliardowa s – protony a i g y o l t o u ??? - ??? n m i s m o K 3 0 - ?! w ??? - kwarki G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... 4 Skąd my to wiemy? G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... 5 Odtwarzanie ewolucji Wszechświata Ucieczka galaktyk Odległe wybuchy supernowych Rozpowszechnienie pierwiastków G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... Kosmiczne promieniowanie tła 6 Początki nowoczesnej kosmologii Kopernik 1543 – orbity planet Newton 1687 – prawo powszechnego ciążenia z Dynamiczna przyczyna ruchów ciał niebieskich Einstein 1915 – Ogólna Teoria Względności z Teoria grawitacji: równania Einsteina Friedman 1917 – pierwszy model kosmologiczny z zastosowanie równań Einsteina do Wszechświata ⇒ narodziny kosmologii teoretycznej z niestabilne rozwiązania ⇒ Wszechświat musi się rozszerzać lub kurczyć G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... 7 Narodziny kosmologii eksperymentalnej W 1929 r. Edwin Hubble zauważył, że im dalsza galaktyka, tym szybciej się oddala ⇒ Wszechświat się rozszerza ! ⇒ zgodność z modelem Friedmana / równaniami Einsteina G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... 8 14 mld lat – człowiek 10 mld lat – Ziemia 200 mln lat – galaktyki 380 000 lat – atomy 3 minuty – jądra He miliardowa s – protony ??? - kwarki ??? - ??? 0 - ?! G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... 9 Pomiary ekspansji Wszechświata Czy Wszechświat zawsze się rozszerzał? W jakim tempie? z Obserwujemy odległe=wczesne obiekty Czy ekspansja kiedyś ustanie? Odwróci się? z Mierzymy gęstość materii ρ (liczymy galaktyki) ρ < ρ krytyczne ⇒ wieczne rozszerzanie ρ > ρ krytyczne ⇒ zahamowanie ekspansji i zapaść Czy Wszechświat ma skończone rozmiary? z Mierzymy krzywiznę przestrzeni krzywizna > 0 ⇒ skończony krzywizna ≤ 0 ⇒ nieskończony G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... 10 Pomiar geometrii Wszechświata krzywizna zerowa krzywizna dodatnia krzywizna ujemna obwód (liczba oczek) =2πR <2πR >2πR Serwetki wykonała Małgorzata Wrochna: www.wrochna.art.pl G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... 11 Odległe wybuchy supernowych Znaleziono zależność między długością i jasnością wybuchu 1. Mierzymy czas wybuchu ⇒ obliczmy jasność absolutną 2. Mierzymy jasność obserwowaną ⇒ obliczamy odległość Wynik: ekspansja Wszechświata przyspiesza G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... 12 14 mld lat – człowiek 10 mld lat – Ziemia 200 mln lat – galaktyki 380 000 lat – atomy 3 minuty – jądra He miliardowa s – protony ??? - kwarki ??? - ??? 0 - ?! G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... 13 Promieniowanie reliktowe tła Przed powstaniem atomów elektrony i jądra oddziaływały z fotonami ⇒ Wszechświat nieprzeźroczysty dla światła Kiedy jądra wychwyciły elektrony to fotony uzyskały swobodę i podróżują przez Wszechświat do dziś Odkryli je Penzias i Wilson anteną radiową w 1964r Dziś mierzą je satelity COBE, WMAP, Planck G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... 14 Fotografia młodego Wszechświata Pomiary satelity WMAP Mikrofalowe promieniowanie reliktowe powstało kiedy Wszechświat miał 380 000 lat < 3% obecnego wieku G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... 15 14 mld lat – człowiek 10 mld lat – Ziemia 200 mln lat – galaktyki 380 000 lat – atomy 3 minuty – jądra He miliardowa s – protony ??? - kwarki ??? - ??? 0 - ?! G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... 16 Pochodzenie pierwiastków W Wielkim Wybuchu powstały najlżejsze pierwiastki: H, 2H, 4He, 3He, 7Li z Alpher, Bethe, Gamow, 1948 Cięższe, np. azot 14N, tlen 16O, powstają w gwiazdach Cięższe od żelaza – w wybuchach supernowych G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... wodór H 73,9 % hel He 24,0 % tlen O 0,101 % węgiel C 0,046 % neon Ne 0,013 % żelazo Fe 0,011% azot N 0,009 % 17 Rozpowszechnienie pierwiastków Pierwiastki rozpoznajemy po barwie wysyłanego lub pochłanianego światła (linie widmowe) Pierwotne proporcje mierzymy w obszarach mode l sprawdzian z odległych = wczesnych, np. kwazary z ubogich w 14N, 16O = słabo ewoluujących, np. Galaktyki karłowate ↓ pomiar parametr modelu = #γ / #p,n G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... 18 14 mld lat – człowiek 10 mld lat – Ziemia 200 mln lat – galaktyki 380 000 lat – atomy 3 minuty – jądra He miliardowa s – protony ??? - kwarki ??? - ??? 0 - ?! G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... 19 Pierwsza miliardowa sekundy Warunki panujące we wczesnym Wszechświecie odtwarzamy zderzając cząstki rozpędzone w akceleratorach Detektor rejestrujący cząstki Odtworzone tory cząstek 20 Akcelerator LHC 27 km obwodu G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... CERN Genewa 21 Akcelerator LHC w CERN (Genewa) Obwód = 27 km G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... 22 Wszechświat na dłoni Kosmologia z dziedziny czysto spekulatywnej przerodziła się w naukę eksperymentalną. Znamy wiek Wszechświata Odtworzyliśmy jego historię od 0,000 000 001 sekundy z W tej epoce nie dokonujemy już odkryć, tylko walczymy o precyzję pomiarów Zagadką pozostaje ta pierwsza nanosekunda z czas w jaki światło przebiega 3 cm … G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... 23 14 mld lat – człowiek 10 mld lat – Ziemia 200 mln lat – galaktyki 380 000 lat – atomy 3 minuty – jądra He miliardowa s – protony ??? - kwarki ??? - ??? 0 - ?! G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... 24 Podróż do początku Wszechświata 10 sekundy od „początku” 9 8 7 skala liniowa 10 skala logarytmiczna • 13 mld lat, • 200 mln lat, • 380 tys. lat, • 3 minuty, • miliardową sekundy, •… 1 0.1 6 5 4 0.01 0.001 a w każdej dzieje się tyle co w poprzedniej. 3 2 1 0 0.0001 0.00001 Cofając się wstecz kolejne epoki trwają coraz krócej: … ↓ „początek” G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... Ile jeszcze takich epok odkryjemy? Czy ta hierarchia ma kres? 25 Pytanie o początek Wszechświata 10 sekundy od „początku” 9 8 7 skala liniowa 10 skala logarytmiczna 1 Trzecia odpowiedź: 0.1 6 5 4 ma skończony wiek (14 mld lat), 0.01 0.001 3 2 1 0 0.0001 0.00001 Wszechświat jest odwieczny czy miał początek? … ↓ „początek” G.Wrochna, Począ Początek Wszechś Wszechświata - najwspanialszy eksperyment ... ale jego początek wymyka się nam w ciągu kolejnych, coraz krótszych epok, gdzie samo pojęcie początku traci sens. 26
