Ewolucja Wszechswiata

Fizyka I (B+C)

Wykład XXII:

• Prawo Hubla

• Ewolucja Wszechswiata

• Mikrofalowe promieniowanie tła

• W jakim Wszechswiecie zyjemy

Prawo Hubbla

Przesuniecie ku czerwieniJesli zródło swiatła oddala sie odobserwatora nastepuje wydłuzeniefali:

λ′ = λ

√

1 + β

1 − β≡ λ (1 + z)

z = ∆λλ : przesuniecie ku czerwieni

(ang. “redshift”)

W widmach odległych gwiazdzaobserwowano linie znanych nampierwiastków wyraznie przesunieteku czerwieni.

Linie wegla w widmie kwazara PKS 1232+0815:

Widoczne przesuniecie odpowiada z=2.34(λ′ = 3.34 λ) !

A.F.Zarnecki Wykład XXII 1

Prawo Hubbla

Przesuniecie ku czerwieni

Przesuniecie ku czerwieni w widmachodległych galaktyk zaobserwował po razpierwszy Hubble w 1929 r.

Zauwazył on tez, ze predkosc ’ucieczki’rosnie z odległoscia: (prawo Hubbla)

v = H r

r - odległosc od Ziemi, H - stała Hubbla

Wartosc podana przez Hubbla:

H ≈ 500 km/s/Mpc

prawie rzad wielkosci za duzo :-)

Obecne pomiary: H ≈ 72 km/s/Mpc

A.F.Zarnecki Wykład XXII 2

Ewolucja Wszechswiata

Prawo HubblaObserwacja Hubbla, ze wszystkie obiektyoddalaja sie, nie wyróznia w zaden sposóbnaszego układu odniesienia.

Dowolne dwa obiekty oddalac sie beda wten sam sposób.

⇒ rozszerzanie sie przestrzeni

Czy Wszechswiat bedzie sierozszerzał w nieskonczonosc ?

Przyjumjemy, ze w skalachkosmologicznych Wszechswiat jestjednorodny i izotropowy⇒ materia jest rozłozona równomiernie

Z Ogólnej Teorii Wzglednosci wynika, zeprzyszłosc Wszechswiata wiaze sie scisle zkrzywizna przestrzeni i zalezy od gestosciimaterii we Wszechswiecie.

Gestosc krytyczna:

ρc =3H2

8πG

A.F.Zarnecki Wykład XXII 3

Ewolucja Wszechswiata

Gestosc

materiiρ = ρc

ρ < ρc

ρ > ρc

Krzywizna przestrzeni

k = 0

k = −1

k = +1

Przyszłosc Wszechswiata

asymptotycznie “zatrzyma” sie

bedzie zawsze rozszerzał sie

kiedys zacznie sie zapadac

A.F.Zarnecki Wykład XXII 4

A.F.Zarnecki Wykład XXII 5

Ewolucja Wszechswiata

Gestosc materii we WszechswiecieKrzywizna przestrzeni i charakter ewolucji Wszechswiata zaleza od gestosci materii.Mozna spróbowac ja zmierzyc na rózne sposoby:

• z pomiaru promieniowania gwiazd i materii miedzygwiezdnej⇒ materia “swietlista”

Ωlumi ∼ 0.006

• z pomiaru zawartosci lekkich pierwiastków + model nukleosyntezy (Wielki Wybuch)⇒ materia “barionowa”

Ωb ∼ 0.04

• z pomiaru oddziaływan grawitacyjnych⇒ materia “grawitacyjna” (całkowita ?)

Ωm ∼ 0.3

Ωm Ωb ⇒ ciemna materia !?

A.F.Zarnecki Wykład XXII 6

Ewolucja WszechswiataCiemna materia ?

Znane nam prawa dynamikinie tłumacza rotacji galaktyk.

Ramiona wiruja szybciej niz oczekiwa-libysmy z praw grawitacji i dynamiki

⇒ ciemna materia ?

A.F.Zarnecki Wykład XXII 7

Ewolucja Wszechswiata

Ciemna materia

Znana nam materia bar-ionowa nie wystarczatez do opisu oddziaływangrawitacyjnych na skalachmiedzygalaktycznych

Projekt 2dF ⇒

pomiar 250 000 galaktyk

Ωm ∼ 0.3

A.F.Zarnecki Wykład XXII 8

Promieniowanie tła

OdkrycieMikrofalowe promieniowanie tła (CMB)zostało odkryte w 1965 roku przezA.A.Penazisa i R.W.Wilsona.

Rozkład widmowy promieniowania zgadzasie z widmem promieniowania ciaładoskonale czarnego.

T = 2.725 ± 0.002 K

Wyniki z satelity COBE: (1999)

A.F.Zarnecki Wykład XXII 9

Promieniowanie tła

Rozkład katowyW pierwszym przyblizeniu (∆T ∼ 1K)promieniowanie tła jest izotropowe:

Jednak gdy przyjzymy sie blizej(∆T ∼ 1mK):

widzimy wpływ ruchu Ziemi wzgledem’globalnego’ układu.

A.F.Zarnecki Wykład XXII 10

Promieniowanie tła

Rozkład katowyOdejmujac wpływ efektu Dopplera(∆T ∼ 200µK):

⇒ widzimy promieniowanie naszejgalaktyki (Drogi Mlecznej)...

Odejmujac promieniowanie Galaktyki iinnych znanych zródeł (∆T ∼ 100µK):

⇒ zaczyna byc ciekawie !!!

A.F.Zarnecki Wykład XXII 11

A.F.Zarnecki Wykład XXII 12

Promieniowanie tła

FluktuacjeRozmiary fluktuacji jakie obecnieobserwujemy zalezy tez silnie odkrzywizny Wszechswiata ! Wyniki symulacji:

A.F.Zarnecki Wykład XXII 13

WMAP

Wilkinson Microwave Anisotropy Probe

DetektorSonda kosmiczna wystrzelona 30.06.2001.

Pomiar promieniowania mikrofalowegow 5 przedzialach czestosci:

od 23 GHz (13 mm) do 94 GHz (3.2 mm).

Porównanie pomiarów w róznych zakresachczestosci umozliwia efektywne odjecie tłapochodzacego od Galaktyki.

Aby zminimalizowac tło pochodzace od Ziemii Słonca sonde umieszczono na orbicie wokółtzw. punktu Lagrange’a⇒ quasi-stabilna konfiguracja WMAP-Ziemia-Słonce

A.F.Zarnecki Wykład XXII 14

WMAP

Wyniki

Bardzo precyzyjny pomiarkorelacji katowych wpromieniowaniu tła.

Mozliwe jednoczesne dopa-sowanie wielu parametrówkosomlogicznych

Dominuja fluktuacje o rozmiarach katowych rzedu 0.8 (l ≈ 220)⇒ gestosc całkowita: ρtot = 1.02(±0.02) ρc

⇒ Wszechswiat jest płaski !?... (k = 0)

A.F.Zarnecki Wykład XXII 15

Ewolucja Wszechswiata

Supernowe 1ANa duzych odległosciachobserwujemy niewielkieodstepstwa od prawaHubbla.

Mozemy je wyjasnicjesli przyjmiemy, zeWszechswiat rozszerzasie coraz szybciej !

Swiatło odległych gwiazdjest mniej przesunieta kuczwerwieni, gdyz w chwiliemisji tempo rozszerzaniasie Wszechswiata byłomniejsze.A.F.Zarnecki Wykład XXII 16

Zestawienie pomiarów:

• supernowych 1A

• promieniowania tła

• oddziaływan grawitacyjnychgromad galaktyk

Konsystentny opis mozliwy tylko przyzałozeniu, ze oprócz materii oddziałujacejgrawitacyjnie wszechswiat wypełnia“ciemna energia” !?

Jej cisnienie powoduje,ze Wszechswiat rozszerza siecoraz szybciej...

A.F.Zarnecki Wykład XXII 17

Wyniki

Dopasowanie wszystkich danychOkazuje sie, ze atomy (bariony) wypełniajatylko około 4% Wszechswiata.

23% stanowi tzw. ciemna materia, którejnatury na razie nie znamy (?)...

73% to “ciemna energia”, która opisujemypoprzez stała kosmologiczna (?)

Wszechswiat zdominowany przez stała kosmologiczna rozszerza sie coraz szybciej !!!Wiek Wszechswiata:

T = 13.7 ± 0.2 Gyr ± 1.7 Gyr)

Obecna wartosc stałej Hubbla:

H = 71+4−3 km/(s · MPc)

A.F.Zarnecki Wykład XXII 18