Na počeku bejaše...Veliki prasak!

Na počeku bejaše...Veliki prasak!Na počeku bejaše...Veliki prasak!

Prof. Dr Tijana ProdanovićPMF Novi Sad

Astronomsko društvo Novi Sad

26.03.2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, [email protected] 1

KosmologijaKosmologija

• Oblast astronomije• O poreklu, evoluciji i sudbiji Kosmosa


POČETAK KRAJ?


Veliki PrasakVeliki Prasak• Teorija o nastanku svemira iz jedne vrele, guste tačke koja je počela da se širi• 1949. Sir Fred Hoyle je nazvao ovu teoriju “Veliki prasak” (“Big Bang”)

– u stvari, hteo je da je ismeje– ali je ime ostalo

• Naučnici nemaju i neće imati sva objašnjenja o Velikom prasku

• Ali sve više prosmatranja potvrđuje da je svemir zaista tako nastao


Nije eksplozija!Nije eksplozija!• Ne postoji centar i nema

razbacivanja stvari svuda okolo • Desilo se svuda u isto vreme• Svemir je od jednom bio

ispunjen energijom – vreo i gust

• Početak prostora i vremena, materije i energije

• Kako se prostor-vreme širilo svemir se hladio i razređivao

• I na kraju su se formirale zvezde i galaksije koje danas vidimo

Stubovi kosmologijeStubovi kosmologije

• Glavni posmatrački dokazi teorije vrelog Velikog praska1. Važne vesti: svemir se širisvemir se širi! Hablov zakon2. Svemirska kuhinja: prvi elementi prvi elementi H, He, D, Li3. Eho velikog praska: kosmičko mikrotalasno pozadinsko kosmičko mikrotalasno pozadinsko

zračenjezračenje

26.03.2014. @ Radio Cafe 5Tijana Prodanovic, [email protected]

July 28th, 2006 Astronomy 100 6

Galaksije se udaljavaju od nasGalaksije se udaljavaju od nas!!

• 1928, Edwin Hubble • Većina galaksija se

udaljava od nas– Izuzetak su galaksije iz

“komšiluka” (na pr. Andromeda)

• Što je dalja neka galaksija to se brže udaljava od nas – Hablov zakon

v=Hodv – brzina

d – rastojanjeHo – Hablova konstanta

26.03.2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, [email protected]

July 28th, 2006 Astronomy 100 7

InterpretacijaInterpretacija: : Pogled na SvemirPogled na Svemir

• Egoista – Mi smo centar svemira!

• Einstein – Svemir se širi, i ne postoji centar!


1. Mišljenje egoiste1. Mišljenje egoiste• U principu moguće!• Ali! Mnogo razloga zašto ne valja

biti “Egoista”– Nije filozofski

• Nije kopernikanski!– Nije ono što vidimo

• Mlečni put ni komšiluk galaksija ne izgledaju kao standardni centri eksplozija (npr. kao neutronska zvezda i supernova ostatak)

05.03.2013. Evolucija elemenata i cesticna astrofizika 8

2. Mišljenje Ajnštajna2. Mišljenje Ajnštajna• Svemir se širi!

– *Mada mi se ne širimo• Sve galaksije se međusobno udaljavaju!• Isto vidimo iz bilo koje tačke • Ne postoji centar, ni posebno mesto

05.03.2013. Evolucija elemenata i cesticna astrofizika 9

Širenje Svemira...kao...Širenje Svemira...kao...


... naduvavanje balona:2D površina balona kao 3D SvemirSve tačke se udaljavajuKonačan a bezgraničanI svetlost se “širi”

...kolač koji raste dok se peče...3D širenjeGrožđice se udaljavaju ali se ne šire

Ali mi se ne širimo!Ali mi se ne širimo!• Druge sile nas drže i opiru se širenju

– Atomi – nuklearne sile– Molekuli i živa bića – elektromagnetna sila – Planete, zvezde, galaksije, jata galaksija –

gravitacija• Ali superjata galaksija se šire!

– širenje jača sa rastojanjem (više prostora se širi)

– gravitacija slabi sa rastojanjem


Starost SvemiraStarost Svemira

• Širenje Svemira opisujemo tzv. Hablovom konstantom H0 = 68 km/s/Mpc*

• Hablov zakon v=Hod• Brzina v=d/t• Dakle Ho=1/t

– Procenjujemo starost SvemiraVreme = 1/Ho=1/(68 km/s/Mpc) = 14 milijardi

godina26.03.2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, [email protected] 12

*Mpc = Mega (milion) parsekparsek = 3,2 svetlosne godine = 3x1013 km


• Posmatrački dokazi na kojima počiva cela teorija vrelog velikog praska1. Važne vesti: svemir se širisvemir se širi! Hablov zakon2. Svemirska kuhinja: prvi elementi prvi elementi H, He, D, Li3. Eho velikog praska: kosmičko mikrotalasno pozadinsko kosmičko mikrotalasno pozadinsko

zračenjezračenjeTijana Prodanović 13Petnica 2007.26.03.2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, [email protected]

Sastav svemiraSastav svemira


Nutritivna vrednostPorcija… 100 g proizvodaBroj porcija u Svemiru… gomila!

100 g proizvoda sadrži

Vodonik …………....…………... 75 gHelijum ………...………………. 25 gDeuterijum …………………... 0,01 gLitijum ….........……...………... 10-8 g

Ove količine merimo!Ove količine merimo!Ali odakle??Ali odakle??

Kratka istorija vremena...Kratka istorija vremena...


t = 0 Danas

0 -100 -10-43-43 sekundi ... sekundi ...Temperatura =10Temperatura =103232 K K

• Plankovo vreme • Pre toga …nemamo pojma!• Teorije koje imamo ne rade• Sve 4 osnovne sile ujedinjene• Fali nam TEORIJA O SVEMU da

ujedini gravitaciju i kvantnu teoriju

• Gravitacija se odvaja... ostale 3 sile i dalje ujedinjene



Razjedinjenje silaRazjedinjenje sila

Primordijalna supa...Primordijalna supa...

• Vrela primordijalna supa – mešavina najosnovnijih

čestica, antičestica i zračenja• Čestice i antičestice se

poništavaju i stalno rađaju iz zračenja

• Svemir se širi, hladi i razređuje


1010-35-35- 10- 10-33-33sekundi sekundi nakon VPnakon VP...... Temperatura =10 Temperatura =102727 K K

• Jaka nuklearna sila se odvaja• Inflacija! Svemir naglo raste!• Uveća se 1035 puta!


Inflacija rešava probleme!Inflacija rešava probleme!

Objašnjava zašto nam svemir izgleda ravanObjašnjava zašto nam svemir izgleda ravan


Inflacija rešava probleme!Inflacija rešava probleme!

Objašnjava zašto daleka mesta u svemiru Objašnjava zašto daleka mesta u svemiru izgledaju istoizgledaju isto

• Suprotni krajevi svemira izgedaju slično• Kao da su se usaglasili (putem svetlosti)• A nije bilo vremena• Morali su biti zajedno u nekom momentu


3 minuta 3 minuta nakon VPnakon VP...... Temperatura =1 milijarda K Temperatura =1 milijarda K

• Svemir se dovoljno ohladio da zračenje više ne može da rastura protone i neutrone

• Konačno prva jezgra!• Neutron+proton= DEUTERIJUM (težak vodonik)• Počinje “zakuvavanje”...fuzija vodonika u teže elemente


Nukleosinteza i prvi elementiNukleosinteza i prvi elementi

26.03.2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, [email protected] 2323.10.2007.

(proton) (2 protona+2 neutrona)

Takođe: Deuterijum(proton+neutron)

• Temperatura ~ 109 K• Fuzija najlakših elemenata

3 minuta i 30 sekundi 3 minuta i 30 sekundi nakon Vnakon Velikog elikog praska...praska...

• Svemir se ohladio za dalje “kuvanje” težih jezgara

• Kraj nukleosinteze• Primordijalni (prvi elementi) – H, He, D, 7Li• Sve ostalo kasnije napravile zvezde• Svemir počeo bez ugljenika i metala • Posmatranja elemenata u starim zvezdama to

potvrđuju

Tijana Prodanović Petnica 2007. 2426.03.2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, [email protected]


• Posmatrački dokazi na kojima počiva cela teorija vrelog velikog praska1. Važne vesti: svemir se širisvemir se širi! Hablov zakon2. Svemirska kuhinja: prvi elementi prvi elementi H, He, D, Li3. Eho velikog praska: kosmičko mikrotalasno pozadinsko kosmičko mikrotalasno pozadinsko

zračenjezračenjeTijana Prodanović 25Petnica 2007.26.03.2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, [email protected]

Narednih 380.000 godina...Narednih 380.000 godina...• Atomi još ne mogu da se formiraju – čim se elektron veže za

jezgro, zračenje ih rastavi (jonizacija)• Zračenje se odmah utroši na sudar sa elektronima ili na

jonizaciju• Narednih ~380.000 godina

– svemir se širi i hladi– materija i zračenje – status quo – svemir nevidljiv


380.000 godina 380.000 godina nakon VPnakon VP......Temperatura = 3000 KTemperatura = 3000 K

• Zračenje i sudari nemaju više dovoljnu energiju da jonizuju

• Elektroni se spajaju sa jezgrima – ATOMI!• Preostalo zračenje nesmetano prolazi pored atoma ...

i prolazi i dan danas ispunjavajući svemir• Eho velikog praska!• Kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje


Kosmičko pozadinsko zračenjeKosmičko pozadinsko zračenje• Zračenje vrelog gasa ranog svemira• Kada je emitovano zračenje je bilo

vidljivo (380.00 godina nakon velikog praska)

• Usled istezanja (širenja) svemira, i samo zračenje se isteže

• Sad ga vidimo kao mikrotalasno zračenje na temperaturi od 2,73 K (kad je emitovano bilo je ~3000 K)

• Otkriveno slučajno 1965. – Arno Penzias i Robert Wilson – Nobelova nagrada 1978.

• Konačan dokaz teorije vrelog velikog praska

Tijana Prodanović 28Petnica 2007.26.03.2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, [email protected]

Tijana Prodanović Petnica 2007. 29

Kosmološke varijacije – na malim Kosmološke varijacije – na malim skalamaskalama

• Svemir isto izgleda u svim pravcima na velikim skalama• Na malim skalama varijacije u temperaturi na 100.000-

tom delu stepena!• Nobelova nagrada 2006.




Pre inflacije

Posle inflacije

10-25 cm

1025 cm = 3 Mpc = 107 sv. god.

Inflacija rešava problemeInflacija rešava probleme

• Rani svemir: more čestica i energije• Gustina je konstantno varirala na mikroskopskom

nivou• Inflacija: uvećava mikroskopske fluktuacije na veličinu

galaksija Male nepravilnosti Male nepravilnosti

postaju začetak velikih postaju začetak velikih struktura (galaksija i struktura (galaksija i

jata)jata)

Poreklo fluktuacija pozadinskog Poreklo fluktuacija pozadinskog zračenjazračenja

Potvrda inflacije!Potvrda inflacije!• BICEP2 eksperiment, Antarktik -17.03.2014!• Meri mikrotalasno pozadinsko zračenje• Detektovani primordijalni gravitacioni talasi

uzrokovani inflacijom!• Pogled u najraniji trenutak Svemira!


Sudbina SvemiraSudbina Svemira• Večita borba: gravitacija vs. inercija?• Brzina lansiranja vs. prva kosmička brzina?• Svemir

– Gravitacija: gustina svega u Svemiru– Inercija: širenje – kritična gustina

• Sudbina– Ako večito širenje– Ako zaustavljanje i kolaps


krit

krit

krit

Geometrija proriče sudbinu!Geometrija proriče sudbinu!• Geometrija - gravitacija vs. širenje

– Materija zakrivljuje prostor– Širenje – Hablova konstanta

• Tri moguće geometrije:– Zatvoren – gravitacija materije je dovoljno jaka da se prostor zakrivi sam na sebe Veliko sažimanjeVeliko sažimanje– Ravan – gravitacija i širenje su izjednačeni, širenje se zaustavlja u beskonačnosti– Otvoren – Svemir će se zauvek širiti Veliko hlađenjeVeliko hlađenje


Pozadinsko zračenje i geometrija Pozadinsko zračenje i geometrija SvemiraSvemira


A ostalo je istorija...A ostalo je istorija...• 9 milijardi godina

kasnije– Sunce i Zemlja

• 13,7 milijardi godina kasnije– Homo sapiens


Hvala! Pitanja?Hvala! Pitanja?


Petnica 2007.

Merenja primordialnog D• U oblacima siromašnim metalima na velikom

crvenom pomaku – apsorpcioni sistemi kvazara– kvazar u pozadini “obasjava” oblak gasa gde ima D– pošto se D posle Velikog praska samo uništava i ništa ga

više ne stvara ova merenja su donja granica primordialnog D

38Tijana Prodanović26.03.2014. @ Radio Cafe 3823.10.2007.Tijana Prodanovic, [email protected]

Petnica 2007.

Merenja primordialnog 7Li• U halo zvezdama sa malo metala u našoj galaksiji

– zvezde u halou Mlečnog puta – tzv. Pop II zvezde– stare zvezde, malo metala– plato (tzv. “Spite plato”) u odnosu na metaličnost (vreme)

– znači postoji neka “startna” količina 7Li

količ

ina

Li

količina metala

količina metaladanas

Spite plato

39Tijana Prodanović26.03.2014. @ Radio Cafe 3923.10.2007.Tijana Prodanovic, [email protected]


Materija i antimaterijaMaterija i antimaterija• U ranom svemiru, fotoni su imali toliku veliku

energiju da su mogli da se pretvaraju u parove čestica-antičestica

• Nastale čestice/antičestice bi se brzo poništile i vratile natrag u energiju (zračenje)

• Na početku je bilo skoro ista količina materije i antimaterije


Formiranje galaksijaFormiranje galaksija• Nakom ~800 miliona godina formirale su se galaksije• Zgušnjenja gasa mase nekoliko miliona mase Sunca kolapsirala su i načinila supermasivne crne rupe• Začetak galaksija• Mnoge mlade galaksije bile su aktivne galaksije

26.03.2014. @ Radio Cafe 4123.10.2007.Tijana Prodanovic, [email protected]

14 sekundi 14 sekundi nakon VP…nakon VP… Temperatura =3 milijarde K Temperatura =3 milijarde K

• Svemir se dovoljno ohladio da fotoni više ne mogu da prave parove elektron-pozitron

• Elektron-pozitron anihilacija• 1.000.001 čestica na svakih

1.000.000 antičestica• Na kraju ostaju u glavnom

čestice a sve što se poništi odlazi kao zračenje



Svemir je od materijeSvemir je od materije• Kako možemo biti sigurni?• Vi, ja, Zemlja smo od materije a ne

od antimaterije• Mesec je od materije a ne od

antimaterije• Lokalni “komšiluk” u Mlečnom

putu je materija, gas između zvezda

• Svemir je od materije

Sastav materije...Sastav materije...• Atom

– elektroni– jezgro

• neutroni i protoni– kvarkovi

• Hemijski element – broj protona– na pr. 1 proton = vodonik 1H– 3 protona = litijum 7Li

• Izotop – broj neutrona– na pr. 1 proton i 1 neutron =

izotop vodonika = deuterijum– 3 protona i 3 neutrona = izotop

litijuma = 6Li



Elementarne česticeElementarne čestice

• Tri vrste elementarnih (nedeljivih) čestica u prirodi

• Kvarkovi - materija– grade protone i neutrone

• Leptoni - materija– Elektroni i neutrini

Materija i antimaterijaMaterija i antimaterija • Svaka čestica ima antičesticu

– Antielektron=pozitron, antikvark, antineutrini• Antimaterija je stabilna kao obična materija!

– Mogu postojati antiprotoni, antiatomi, antikamenje, antiljudi, antizvezde, antigalaksije

• Ali kad se materija i antimaterija ukrste..– Anihilacija – materija se pretvori u energiju– E=mc2

– Oslobođena energija kao iz male atomske bombe!


Fantastična četvorkaFantastična četvorka• Gravitacija – dominira na velikim

daljinama (drži planete u orbiti oko sunca)

• Elektromagnetizam - drži atome i molekule na okupu

• Slaba nuklearna sila – upravlja nuklearnim reakcijama (pretvara jedan kvark u drugi)

• Jaka nuklearna sila – drži atomsko jezgro na okupu



Prve zvezdePrve zvezde• Mislimo da su prve zvezde

nastale ~400 miliona godina nakon velikog praska

• Tad još nije bilo galaksija• Tzv. hijerarhijsko formiranje

struktura – prvo se formiraju mali objekti pa onda veliki

• Nastale su u protogalaktičkim oblacima

• Donele svemiru prvu isporuku težih elemenata



Kvantne fluktuacije u vreme GUT

ere(pre 10-35 s)

Inflacija rasteže

fluktuacije na veličinu galaksija

(pre 10-32 s)

Nakon rekombinacije

gravitacija gušćih oblasti

privlači mežusobno

čestice

Začeci galaksijaZačeci galaksija

Pre rekombinacije

čestice su suviše brze da bi se zgusnule


Documents

Na počeku bejaše...Veliki prasak!