Tamna materija, tamna Tamna materija, tamna energija i nova slika energija i nova slika

vasionevasioneMilan MijićMilan Mijić

CSULA & ADRBCSULA & ADRB

Kolarac, 1Kolarac, 17. 7. jun 2008jun 2008

Buduća svemirska misijaBuduća svemirska misija

SNAPSNAP

Od Velikog praska do Velike hladnoće ili do Velikog sažimanja?Od Velikog praska do Velike hladnoće ili do Velikog sažimanja?

Otvorena, ravna, ili zatvorena geometrijaOtvorena, ravna, ili zatvorena geometrija

Koliko ima materije u svemiru? Šta je vrednost Omega parametra?Koliko ima materije u svemiru? Šta je vrednost Omega parametra?

Važno: naša vasiona ne odgovara ni jednom od ovih slučajeva!Važno: naša vasiona ne odgovara ni jednom od ovih slučajeva!

Klasično pitanje:Klasično pitanje:

Време

РастојањеΩΩ << 1 1

ΩΩ == 1 1

ΩΩ >> 1 1Фридман (1922)

Фридман (1924)

Ајнштајн и де Ситер (1932)

_____________ Кинетичка енергија

Ω =׀Потенцијална енергија ׀

Posmatračka evidencija za tamnu Posmatračka evidencija za tamnu materijumateriju

Vasiona?Vasiona? Tamna materija?Tamna materija?

Tamna materija je Tamna materija je prozirna materijaprozirna materija,,nešto što ne vidimo nešto što ne vidimo ali ima ali ima gravitacioni gravitacioni efekatefekat na okolinu na okolinu

Drži u orbiti zvezde i Drži u orbiti zvezde i gas na obodu gas na obodu galaksijagalaksija

Drži na okupu galaksije Drži na okupu galaksije u jatuu jatu

TAMNA MATERIJA TAMNA MATERIJA (“nedostajuća masa”)(“nedostajuća masa”)

Kako možemo da “vidimo” tamnu Kako možemo da “vidimo” tamnu materiju?materiju?

Gravitaciona interGravitaciona interaakcijakcija Gravitaciona sočiva!Gravitaciona sočiva! Ajnštajnov efekatAjnštajnov efekat

“Masa odredjuje kako se prostor krivi,Geometrija odredjuje kako se materija kreće”

VremeProstor

Svetlost Svetlost napuštanapuštazvezduzvezdu

Svetlost stižeSvetlost stižedo Zemljedo Zemlje Zvezda je

u stvari ovde

Mi vidimo zvezdu u ovompravcu!

Svetska linijaSunca

Kako možemo da “vidimo” tamnu Kako možemo da “vidimo” tamnu materiju?materiju?

MikrosočivaMikrosočiva Slučajna zvezda neko vreme postanesjajnija gledano kroz svaki filter...

... usled prolaza manje zvezde, planete ill crne crne ruperupe izmedju nas i posmatrane zvezde.(6 Ms crna rupa u ovom slučaju!)

Kako možemo da “vidimo” tamnu Kako možemo da “vidimo” tamnu materiju?materiju?

Galaksije i tamna materija između nas i dalekih galaksija efektom gravitacinog sočiva deformiše likove dalekih galaksija!

Jako gravitacino sočivo

Likovi dalekih galaksija su povećani i rastegnuti za oko 2%.

Kao i optička, gravitaciona sočiva imaju najveći efekat ako su na pola puta izmedju daleke galaksije i posmatrača

zposmatrač=0

zgalaksija

≈1

zsočivo≈0.3–0.5

Kako možemo da “vidimo” tamnu Kako možemo da “vidimo” tamnu materiju?materiju?

Slabo gravitaciono sočivoSlabo gravitaciono sočivo

Šta astronomi vide kao slabo Šta astronomi vide kao slabo gravitaciono sočivogravitaciono sočivo

Prividni prečnici i sjaj galaksija (povećanje)

Orijentacija galaksija (rotacija)

Oblik galaksija (deformacija)

Efekat slabog gravitacinog sočiva je slab i Efekat slabog gravitacinog sočiva je slab i statističke je prirode!statističke je prirode!

Original Lik kroz gravitaciono sočivo

Šta astronomi vide kao efekat slabog Šta astronomi vide kao efekat slabog gravitacionog sočiva:gravitacionog sočiva:

Poenta: suptilan, statistički efekat, zahteva posmatranje velikog broja galaksija

Projekat CosmosProjekat Cosmos Traganje zaTraganje za

slabim sočivimaslabim sočivima

sa HST u izabranomsa HST u izabranom

polju od 2 kv. st.polju od 2 kv. st.

Rastojanja galaksijaRastojanja galaksija

u polju sa velikimu polju sa velikim

teleskopima i drugimteleskopima i drugim

svemirskim teleskopimasvemirskim teleskopima

10% HST vremena10% HST vremena

u toku 2 godineu toku 2 godine

GEMS UDF

GOODS

COSMOS

ACS Parallel Survey

Zašto je neophodan Hablov svemirski Zašto je neophodan Hablov svemirski teleskop?teleskop?

•Veća tačnost u merenju oblika galaksija

• Veći površinski sjaj galaksija

Fotometriska rastojanjapreko sjaja na različitim talasnim dužinama

Projekat Cosmos: šta su našliProjekat Cosmos: šta su našli

Prva trodimenzionalnaPrva trodimenzionalna

mapa tamne materije!mapa tamne materije!

3D dark matter map3D dark matter map

z=0.5

z=0.7

z=1

z=0.3Right ascension

Dec

linat

ion

NASA, ESA and R. Massey (California Institute of Technology)

z=0

Mass reconstruction using the method of Bacon & Taylor (2003)

z=0.3

z=0.5

z=0.7

3-D 3-D raspodela tamne materije raspodela tamne materije evoluira u vremenu!evoluira u vremenu!

Tamna materija gnezdi galaksije!Tamna materija gnezdi galaksije!

Konture raspodele mase dobijenekroz efekat slabog gravitacionog sočiva (HST)

Ne-tačkasti izvori rendgenskogzračenja (XMM-Newton)

Gustina galaksija (Subaru/CFHT)

Masa zvezda u Galaksijama (Subaru/CFHT)

• Prvi put jasno vidjena trodimenzionalna raspodela “nevidljive” tamne materije

• Prvi put izmereno gravitaciono sažimanje tamne materije u toku širenja svemira.

• Prvo sistematsko uporedjenje raspodela tamne i “obične” (barionske) materije: galaksije (i zvezde i planete) se formiraju unutar koncentracija tamne materije!

Rezultati projekta Rezultati projekta COSMOSCOSMOS

Uzeti zajedno, ovi rezultati potvrdjuju teorijsku sliku

o ključnoj ulozi tamne materije u evoluciji svemira.

Šta je tamna materija?Šta je tamna materija? Sada kada znamo da tamna materija postoji i gde je, Sada kada znamo da tamna materija postoji i gde je,

Šta je? Zašto je “prozirna”?Šta je? Zašto je “prozirna”?

Prema posmatranjimaPrema posmatranjimagravitacionih efekata, gravitacionih efekata, gustina tamne materije je oko gustina tamne materije je oko

ΩΩ ≈ 0.25 - 0.3 ≈ 0.25 - 0.3..

Svemir dakle ima otvorenu geometriju i širiće se zauvek?Svemir dakle ima otvorenu geometriju i širiće se zauvek?

Šta je tamna materija?Šta je tamna materija? Sada kada znamo da tamna materija postoji i gde je, Sada kada znamo da tamna materija postoji i gde je,

Šta je? Zašto je “prozirna”?Šta je? Zašto je “prozirna”?

Hladni gas? Da, ali nema ga mnogo, i nije tako raširen.Hladni gas? Da, ali nema ga mnogo, i nije tako raširen. Vreli gas? Da, ali ga takodje nema mnogo.Vreli gas? Da, ali ga takodje nema mnogo. Patuljaste zvezde (crvene ili smeđe)? Jupiteri?Patuljaste zvezde (crvene ili smeđe)? Jupiteri? MACHO... bez zaključka, izgleda ne mnogoMACHO... bez zaključka, izgleda ne mnogo

Sve skupa, Sve skupa, prema posmatranjimaprema posmatranjima, “obične” barionske materije (sastavljene , “obične” barionske materije (sastavljene od protona i neutrona) nema više od od protona i neutrona) nema više od ΩΩ ≈ 0.02 - 0.05 ≈ 0.02 - 0.05..

Svemir dakle ima otvorenu geometriju i širiće se zauvek?Svemir dakle ima otvorenu geometriju i širiće se zauvek?Šta je “ne-barionska” tamna materija koja sačinjavaŠta je “ne-barionska” tamna materija koja sačinjava

ΩΩ ≈ 0.30 – 0.05 = 0.25? ≈ 0.30 – 0.05 = 0.25?

Šta je tamna materija?Šta je tamna materija? Sada kada znamo da tamna materija postoji i gde je, šta je? Zašto je “prozirna”?Sada kada znamo da tamna materija postoji i gde je, šta je? Zašto je “prozirna”?

Primordijalna nukleosinteza: Primordijalna nukleosinteza: Vodonik i deuteriujum, helijum i litijum su sintetisani u toku prvih ~ 1 sec do ~ 3 min evolucije Vodonik i deuteriujum, helijum i litijum su sintetisani u toku prvih ~ 1 sec do ~ 3 min evolucije svemira.svemira.(Teži elementi su sintetisani u zvezdama.)(Teži elementi su sintetisani u zvezdama.)

Količina, npr. deuterijuma zavisi od toga koliko protona i neutrona je bilo u svemiru → iz izmerene Količina, npr. deuterijuma zavisi od toga koliko protona i neutrona je bilo u svemiru → iz izmerene količine deuterijuma u sadašnjem svemiru sledi da,količine deuterijuma u sadašnjem svemiru sledi da,

Prema teorijiPrema teoriji nukleosinteze, postoji maksimalno Omega za barionsku (običnu) materiju: nukleosinteze, postoji maksimalno Omega za barionsku (običnu) materiju:

ΩΩ ≈ 0.05! ≈ 0.05!

Teorija i posmatranja se dakle slažu: mora da postoji ne-barionska tamna materija saTeorija i posmatranja se dakle slažu: mora da postoji ne-barionska tamna materija sa

ΩΩ ≈ 0.25! ≈ 0.25!

+

++

++

++

Sada kada znamo da tamna materija postoji i gde je, šta je? Zašto je “prozirna”?Sada kada znamo da tamna materija postoji i gde je, šta je? Zašto je “prozirna”?

Primordijalna nukleosinteza: Primordijalna nukleosinteza: Vodonik i deuteriujum, helijum i litijum su sintetisani u toku prvih ~ 1 sec do ~ 3 min evolucije Vodonik i deuteriujum, helijum i litijum su sintetisani u toku prvih ~ 1 sec do ~ 3 min evolucije svemira.svemira.(Teži elementi su sintetisani u zvezdama.)(Teži elementi su sintetisani u zvezdama.)

Količina, npr. deuterijuma zavisi od toga koliko protona i neutrona je bilo u svemiru → iz izmerene Količina, npr. deuterijuma zavisi od toga koliko protona i neutrona je bilo u svemiru → iz izmerene količine deuterijuma u sadašnjem svemiru sledi da,količine deuterijuma u sadašnjem svemiru sledi da,

Prema teorijiPrema teoriji nukleosinteze, postoji maksimalno Omega za barionsku (običnu) materiju: nukleosinteze, postoji maksimalno Omega za barionsku (običnu) materiju:

ΩΩ ≈ 0.05! ≈ 0.05!

Teorija i posmatranja se dakle slažu: mora da postoji ne-barionska tamna materija saTeorija i posmatranja se dakle slažu: mora da postoji ne-barionska tamna materija sa

ΩΩ ≈ 0.25! ≈ 0.25!

++

Sferna raspodela oko galaksija, nema disipacije i zagrevanjaSferna raspodela oko galaksija, nema disipacije i zagrevanja Ne zrači i ne absorbuje ikakvo elektromagnetno zračenjeNe zrači i ne absorbuje ikakvo elektromagnetno zračenje

Tamna materija = nove česticeTamna materija = nove čestice

Tamna materija (nebarionska) se sastoji od električki Tamna materija (nebarionska) se sastoji od električki neutralnih čestica, koje osim gravitacije interaguju neutralnih čestica, koje osim gravitacije interaguju možda samo kroz neku slabu interakciju, slabiju od možda samo kroz neku slabu interakciju, slabiju od elektromagnetne!elektromagnetne!

Ne! Da!

q+ ili q-

q+ ili q-

γ

q0

q0

X

Nema kandidata za tamnu materiju Nema kandidata za tamnu materiju među poznatim česticama!među poznatim česticama!

Neutron? Nije stabilan!Neutron? Nije stabilan! Neutrino? Suviše je lagan, tako da se ne Neutrino? Suviše je lagan, tako da se ne

gnezdi dovoljno.gnezdi dovoljno.

Najbolji kandidati: Najbolji kandidati:

Supersimetrični partneri poznatih čestica!Supersimetrični partneri poznatih čestica!

QuickTime™ and aTIFF (Uncompressed) decompressor

are needed to see this picture.

Laboratorijsko traganje za tamnom Laboratorijsko traganje za tamnom materijom!materijom!

Excl

ud

ed

b

y

Acc

ele

rato

rs LH

C

ILC

TeV

25 kg of Ge (Xe, I, W) (100 kg Ar, 200 kg Ne)

1000 kg of Ge

Excluded by

Direct

Detection

Teorijski modelipredvidjaju zakonultra slabe interakcijeizmedju tamne iobične materije!

Eksperimenti tragajuza efektima teinterakcije!

Prognoza:Prognoza:

Za 1-5 godina mi ćemo saznati od kakvih se Za 1-5 godina mi ćemo saznati od kakvih se čestica sastoji tamna materija!čestica sastoji tamna materija!

Najverovatniji metod otkrića:Najverovatniji metod otkrića:LHC LHC (Velika mašina za hadronske sudare), počinje sa radom 2008.(Velika mašina za hadronske sudare), počinje sa radom 2008.

GLAST GLAST (novi NASA satelit sa teleskopom za gama zračenje), lansiran (novi NASA satelit sa teleskopom za gama zračenje), lansiran 11. juna 2008! 11. juna 2008!

Laboratorijski eksperimenti Laboratorijski eksperimenti sa Germanijumom (već u toku)sa Germanijumom (već u toku)

Koliko u stvari ima tamne materKoliko u stvari ima tamne materiije? je? DaDa li zatvara svemili zatvara svemirr??

Do sada znamo...Do sada znamo... Obična, barionska materija Obična, barionska materija ΩΩ ≈ 0.05 ≈ 0.05 Tamna, nebarionska materija Tamna, nebarionska materija ΩΩ ≈ 0.25 ≈ 0.25 Ukupno Ukupno ΩΩ ≈ 0.30 ≈ 0.30 što znači da će se svemir širiti sve sporije, ali bez kraja.što znači da će se svemir širiti sve sporije, ali bez kraja.

Teorijski model inflacione kosmologije Teorijski model inflacione kosmologije ΩΩ = 1 !!! = 1 !!!Šta je onda “ostatak” Šta je onda “ostatak” ΩΩ ≈ 0.7 ≈ 0.7

Rešimo to jednom za svagda!Rešimo to jednom za svagda! Projekat posmatranja Supernovih na velikim rastojanjima i merenjProjekat posmatranja Supernovih na velikim rastojanjima i merenjaa kako njihov sjaj kako njihov sjaj

zavisi od rastojanja: SCP i HZT.zavisi od rastojanja: SCP i HZT. http://http://AstroMm.calstatela.eduAstroMm.calstatela.edu

Ta zavisnost je određena sa Ta zavisnost je određena sa o ukupnom količinom “materije” u svemiru, ukupnom količinom “materije” u svemiru, o ““vrstom” te materijevrstom” te materije

MyUniverseMyUniverse

ZaključakZaključak

Nova slika svemira...Nova slika svemira...

Barionska materija

Tamna materija

TAMNAENERGIJA

Tamna energija:0.73

Tamna materija(hladna): 0.23

Oblaci vodonika iheliuma: 0.04

Zvezde: 0.004

Masivni neutrini (toplatamna materija): 0.003

Sadržaj naše Vasione

Tamna energija: “fluid” sa anti-gravitacionim svojstvima.Kosmološka konstanta, striktno pritisak = (-) gustina, bez promene u vremenu; ili,Fluid sa pritiskom ~ (-) gustina, ali sa koeficijentom ne tačno jednakim jedinici; ili,Vakumska energija koja se sporo menja sa vremenom.

96% sadržaja svemiranam je potpuno nepoznato,osim što po gravitacionimefektima znamo da je “tu”!

Ω parametri

Vasiona se širi ubrzano,bez kraja.

Ω=1, Ωm=0,3, ΩΛ=0,7

Izvori animacija:

Dr. Jason Rhodes (JPL): COSMOS, SNAP i opis slabog gravitacionog sočiva

Dr. Richard Schnee (Syracuse)Laboratorijsko traganje za tamnom materijom

MyUniverse: http://sci-vi.calstatela.edu