of 26 /26
Prve zvezde Prve supernove Prve crne rupe Wednesday, 28 September 2011

Prve zvezde, prve supernove, prve crne rupe

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Lecture by dr Misoslav Micic (Astronomical Observatory Belgrade, Serbia) on September 29, 2011 at the Faculty of Science and Mathematics, Nis, Serbia.

Text of Prve zvezde, prve supernove, prve crne rupe

  • 1. Prve zvezde Prve supernove Prve crne rupeWednesday, 28 September 2011

2. Nezaobilazni kosmoloki uvodcrveni pomak (redshift) ~ starost UniverzumaHablovo irenje prostora (milijardi godina, Gyrs)10000.0005100 0.02300.1 --------------------------------------10 0.5 interval koji nas interesuje6 1.0 --------------------------------------32.22 3.31 6.00 13.6Wednesday, 28 September 2011 3. Nezaobilazni kosmoloki uvodcrveni pomak (redshift) ~ starost UniverzumaHablovo irenje prostora (milijardi godina, Gyrs)10000.0005100 0.02300.1 --------------------------------------10 0.5 interval koji nas interesuje6 1.0 --------------------------------------32.22 3.31 6.00 13.6 Pria o prvim objektima formiranim u naem Univerzumu je smetena u posmatrakoj i eksperimentalnoj slepoj taki izmedju redshifta 30 i 6.Wednesday, 28 September 2011 4. Eksperimentalna zika na visokim energijamaO Univerzumu iznad redshifta1000 (kada je bio star svega400 hiljada godina) sve toznamo je zasnovano naekperimentalnoj zici visokihenergijaStandardniModelelementarnih estica namgovori ta e se dogoditi akona odreenoj energijisudarimo dve estice.Kroz neprestano poveanjeenergije u eksperimentima uCERNu mi se pribliavamouslovimo kakvi su vladaliodmah nakon Velikog Praska, Na osnovu standardnog modela mi moemo da pretpostavimo kako je izgledao Univerzum pre redshifta 1000.Wednesday, 28 September 2011 5. Pozadinsko Mikrotalasno ZraenjeOd momenta Velikog Praska pa na daljeUniverzum se iri i hladi. Sve do redshifta 1000(~400 000 godina nakon Velikog Praska)Univerzum je uarena lopta plazma subatomskihestica koje se neprestano sudaraju(rasejavaju).Tek nakon ovog redshifta Univerzum postajedovoljno mlak (ispod 13.6 eV) da dozvolivezivanje elektrona za atome. Zbog toga se ovajredshift i zove redshiftom poslednjeg rasejanjajer je to poslednji put da se elektron rasejao najezgru atoma.To je ujedno bio i neophodan uslov da fotonimogu slobodno da putuju izmedju atoma. Prvifotoni emitovani odmah nakon poslednjegrasejanja nose informaciju o osobinama napovrini poslednjeg rasejanja odnosno napovrini uarene lopte plazme neposredno prenego to e se raspasti.Ti fotoni predstavljaju Pozadinsko MikrotalasnoZraenje (CMB). Oni su zatim proveli 13.6milijardi godina lutajuci svemirom hladei se do2.7 K poto se Univerzum nastavio iriti. I to sufotoni koje su detektovali COBE i WMAP.Wednesday, 28 September 2011 6. Pozadinsko Mikrotalasno Zraenje COBE WMAP Cosmic Background Explorer Wilkinson Microwave Anisotropy ProbeWednesday, 28 September 2011 7. Pozadinsko Mikrotalasno Zraenje Ova dva teleskopa su pokupili prve fotone, iz svih pravaca, i ustanovili da je temperatura svuda izuzetno ujednaena to je znailo da je povrina poslednjeg rasejanja bila izuzetno glatka, a to je opet znailo da Univerzum mora biti homogen na velikim skalama (materija u Univerzumu je organizovana na isti nain gde god da uperite teleskop). To je neto to znamo iz posmatranja. Takoe je otkriveno da ta povrina nije savreno glatka. Nadjene su uktuacije u temperaturi prvih fotona na petoj decimali. Te uktuacije u temperaturi se mogu direktno prevesti u gomilanje materije. I ma koliko sitno to gomilanje materije bilo, bilo je dovoljno da tokom daljeg irenja Univerzuma gravitacija privue ostatak materije ka najguim od njih. Tako su se prve strukture u Univerzumu formirale upravo tamo gde je bilo najgue da bi vremenom narasle u galaksije i klastere galaksija. To je u potpunosti odgovaralo injenici da na malim skalama imamo nehomogene strukture (klastere galaksija, galaksije...). Takodje su na ovaj nain otvorena vrata da se poetni uslovi u ranom Univerzumu programiraju u superkompjutere koji su u stanju da iz njih evoluiraju itav Univerzum.Wednesday, 28 September 2011 8. Vidljivi Univerzum S druge strane, direktno posmatranje struktura u Univerzumu monim teleskopima dosee najdalje do redshifta 6. Sve zvezde, galaksije, kvazari i aktivna galaktika jezgra koje vidimo danas, vidimo na redshiftu manjem od 6. Tako da postoji jedna rupa u naem znanju o Univerzumu izmeu redshifta 30 i 6 jer za sada ne postoje direktna posmatranja koja mogu da prodru u taj interval. Sve to nam ostaje su teoretska i numerika astrozika.Wednesday, 28 September 2011 9. Jo malo kosmologije No da se vratimo na uktuacije u spektru pozadinskog zraenja. Ove uktuacije je precizno izmerio WMAP i ustanovio da neto obeshrabrujue za sve astronome koji su mislili da razumeju Univerzum. To je saznanje da je Univerzum ravan ...... ........odnosno da je gustina Univerzuma u materiji i energiji takva da Univerzum mora biti sainjen od 27.6 % materije i 72.4 % tamne energije. to je znailo da imamo 72.4 % neega to ne znamo ta je. Da stvari budu jo gore od 27.6 % materije, 23 % je tamno. Dakle sve to znamo i vidimo je 4.6 %.Wednesday, 28 September 2011 10. Tamna Materija No to ostavljamo kosmolozima da se brinu. Nama jeMi sumnjamo u njeno postojanje jos od tridesetih potpuno dovoljno da znamo koliko ima materije i tamnegodina prolog veka kada je nemaki astronom Fric energije da bi evoluirali Univerzum. Za znanje o postojanjuCviki skovao ovaj termin nakon to je primetio da se tamne materiju nama i nisu potrebni kosmoloki rezultati.galaksije u klasterima kreu mnogo bre nego to bito oekivali na osnovu koliine materije koju vidimo. To je otkrie bilo ignorisano sve do esdesetih godina kada je Vera Rubin izmerila rotacionu krivu nae galaksije.Ona je jednostavno izmerila brzinu zvezda na razliitim udaljenostima od centra galaksije iustanovila da su zvezde u galaktikom halou daleko bre nego to je to bilo oekivano kad seizrauna gravitacioni potencijal Galaksije na osnovu celokupne materije koju vidimo. Rezultat jegovorio o postojanju ogromne koliine dodatne materije izvan unutranjih deset kiloparseka.Wednesday, 28 September 2011 11. Wednesday, 28 September 2011 12. Tamna Materija Dakle tamna materija dominira nad vidljivom. U ranom Univerzumu, tek nekih desetak miliona godina nakon Velikog Praska, ona je prva koja odgovara na delovanje gravitacije tako to kolapsira u prve strukture, sferine haloe tamne materije.Vidljiva materija koja je u tom trenutku u ranom Univerzumu sainjena odgasa (uglavnom vodoninog), prati gravitacioni potencijal u haolima tamnematerije i takoe kolapsira. Celokupna pria o kolapsu gasa i formiranjuzvezda se svodi na pojam Dzinsov kriterijum.Wednesday, 28 September 2011 13. Formiranje Prvih Zvezda Dzinsov kriterijum kae da se oblak gasa odrava u ravnotei tako to je unutranji pritisak gasa balansiran sa gravitacijom gasa. Ukoliko doe do gubljenja unutranje energije, pritisak poputa, gravitacija nadvladava, i gas poinje da kolapsira. Ukoliko je kolaps dovoljno brz, gas poinje da se fragmentira u sve manje oblake sve dok se njegova gustina toliko povea da se upale nuklearne reakcije i zvezda je roena.Wednesday, 28 September 2011 14. Formiranje Prvih Zvezda Dakle od presudnog znaaja za formiranje zvezda je kolaps oblaka gasa. A od presudnog znaaja za kolaps gasa je gubljenje unutranje energije koje je u astronomiji poznato kao hlaenje gasa. Najekasniji nain hlaenja gasa je kroz atomske ekscitacione linije. Prvo mora da se dogodi jedan veoma neekasan proces koji se zove sudarna ekscitacija.Kada se atom sudari sa elektronom (ilikada se dva atoma sudare), elektronprenese energiju i podigne atom na viienergetski nivo. Pri povratku atoma uosnovo stanje, emituje se foton kojiodnosi energiju iz atoma.Ukoliko je gas dovoljno prozraan, fotone napustiti oblak gasa i tako smanjitiunutranju energiju. Da bi ovaj gubitakbio znaajan potreban je veliki brojsudara atoma a za to je potrebnadovoljno velika gustina gasa i ogromnakoliina vremena.Wednesday, 28 September 2011 15. Formiranje Prvih ZvezdaNa ovakav nain se zvezde formiraju danas. Meutim u ranomuniverzumu su uslovi bili potpuno drugaiji nego danas.Nije bilo metala jer nije bilo zvezda koje bi ih napravile niti jebilo supernovih koje bi ih rasprile kroz intergalaktiki prostor.Gas se sastojao gotovo iskljuivo iz molekula vodonika. Jedininain za hlaenje gasa je bio kroz neekasne molekularneprelaze.Tako da je fragmentacija gasa bila veoma slaba pa senuklearne reakcije pale veoma rano jo u fragmentima kojiimaju nekoliko stotina pa i hiljadu solarnih masa.Na taj nain se formiraju prve zvezde ili zvezde Populacije IIIkoje su skoro potpuno sainjene od vodonika.Wednesday, 28 September 2011 16. Mala digresija je da prve zvezde proizvode prve metaleodnosno prve tee elemente. Ti metali e kasnije obogatitiintergalaktiki gas iz kojeg e se formirati zvezde Populacije IIa kroz jos jedno recikliranje gasa formiraju se i najmlaezvezde Populacije I.Poto kroz svako recikliranje sesve vie metala pravi, i gas je svebogatiji metalima, hlaenje jeekasnije, samim tim jefragmentacija ekasnija i zvezdekoje se iz takvog gasa formirajusu manje masivne.Bitan podatak je da se iz svegagore reenog jasno vidi da jekoliina metala u gasu ilizvezdama korelisana sa njihovomstarou. Ukoliko vidite manjemetala znai da je objekat star.Wednesday, 28 September 2011 17. Prve Supernove Jo jedna injenica koju znamo iz prouavanja zvezda II i I populacije je da masivnije zvezde krae ive. To je zato to bre sagorevaju svoje gorivo u nuklearnim reakcijama. Tako da zvezde Populacije III ive najkrae, svega tri miliona godina. Za poreenje Sunce je staro pet milijardi godina i ivee jos toliko.Ubrzo nakon formiranja, prve zvezdesagore nuklearno gorivo, kolapsirajueksplodiraju u supernove i ukoliko jenjihova poetna masa u pravomintervalu, kao ostatak te eksplozijemogu da se formiraju prve crne rupe.Zvezde sa poetnim masama ispod ~30 sunevih masa formiraju belepatuljke i neutronske zvezde.Izmeu 30 i 150 se formiraju crnerupe.Od 150 d0 270 zvezda eksplodirapotpuno a preko 270 solarnih masa seformira masivna crna rupa.I te crne rupe su nam posebnozanimljive zato to je njihovaoekivana masa u stotinama ako ne i uhiljadama solarnih.Wednesday, 28 September 2011 18. Ono to predstavlja velik problem je to ne znamo koliko prvihzvezda se formira iz jednog oblaka gasa. Tri su razloga za to:1.Ne znamo tano kako se i koliko se oblaci gasa fragmentiraju.2.Tokom svog kratkog ivota, prve zvezde zrae ogromnekoliine UV zraenja koje greje gas i ne dozvoljava formiranjenovih zvezda Populacije III.3.Eksplozija supernove raspruje ogromne kolicine metala uokolni gas. Taj gas obogaen metalima poinje da stvarazvezde Populacije II.Wednesday, 28 September 2011 19. U svakom sluaju, nakon to je prve zvezde nastale u jednom oblaku gasa eksplodiraju i obogate gas novim metalima, ulazi se u eru Populacije II objekata.Taj novi po sastavu oblak gasaponovo kolapsira, ali ovaj put sametalima, ekasnije se hladi ifragmentira i stvara zvezde ispod 100solarnih masa, gde dominiraju zvezdetipa Sunca ili sline.Poto svaki halo tamne materije isvaki oblak gasa se formira sapoetnim spinom, energija se izsistema izvlai du ose rotacije pa sekolaps odigrava u ravni i iz poetnesferne raspodele formira se disk.Vremenom i spiralne grane tako dana kraju ovaj sistem nije nita drugodo spiralna galaksija.Wednesday, 28 September 2011 20. Formiranje Prvih Crnih RupaOno to smo zaboravili da pomenemo je da se sve tovreme u centru ovog sistema nalazi bar jednamasivna crna rupa.I ako smo imali samo jednu prvu zvezdu iz oblakagasa, mogue je da emo imati iz te zvezde i jednumasivnu crnu rupu.Kroz dinamike procese ta crna rupa e doi docentra novonastale galaksije a usput e konzumiratiogromne koliine gasa.Ukoliko smo imali vise zvezda, i neka je svaka od njihproizvela masivnu crnu rupu, onda emo imati i viecrnih rupa koje nalaze put do centra galaksije. Tako da je za oekivati da se u jednom trenutku formira klaster masivnih crnih rupa u centru nove galaksije. Ovo je u poetku bila dobra vest jer se oekivalo da to bude vrlo jednostavan mehanizam formiranja supermasivnih crnih rupa veoma rano u prvim galaksijama.Wednesday, 28 September 2011 21. Formiranje Prvih Crnih Rupa Po tom mehanizmu sve crne rupe u klasteru akretuju gas i meusobno se sudaraju i spajaju u sve vee crne rupe sve dok se ne formira jedna supermasivna.Wednesday, 28 September 2011 22. Formiranje Prvih Crnih Rupa A onda su se pojavili radovi iz oblasti numerike relativnosti. Numerika relativnost se bavi kodiranjem ajntajnovih jednaina koje opisuju prostor i vreme oko crne rupe. Cilj je da se efekti opte teorije relativnosti izprogramiraju u realnim astrozikim situacijama kakvi su na primer orbita zvezde oko crne rupe, ili dve crne rupe u binarnom sistemu, ili crna rupa i neutronska zvezda u binarnom sistemu. Ovo je ubedljivo najkompleksnije programiranje sa kojim se moete susresti u nauci tako da se napredak u ovom polju odigravao veoma sporo. Najvei problem za recimo kodiranje dve crne rupe u orbiti je bio to to se pokazalo neizvodljivo da se ta orbita uini stabilnom. I tako sve do pre 5 godina kada je dolo do revolucioranog programerskog reenja!Wednesday, 28 September 2011 23. Formiranje Prvih Crnih Rupa Ono to nas interesuje su posledice. Nakon to su binarne crne rupe uspeno kodirane uz sve efekte opte teorije relativnosti, prvo je uoeno neto to je i bilo predvieno iz analitikih radova a to je intezivno zraenje gravitacionih talasa koje se pojavi nakon to se binarni sistem formira.Gravitacioni talasi odvlae ogromnu koliinuenergije iz orbite tako da se rastojanje izmeucrnih rupa smanjuje sve dok se ne sudare iformiraju novu crnu rupu.Simulacije su sada pokazale tano kako seovaj proces odigrava, koji je gubitak mase priovom procesu i kolika je masa novoformiranecrne rupe.Jedan veoma zanimljiv dodatni efekta je otkriven koji jepretstavljao lou vest za astronome a to je da prisudaru dve crne rupe, novoformirana crna rupa mozdeda dobije gravitacioni uzmak od ak nekoliko hiljadakm/s. Kolika je tano vrednost tog uzmaka zavisi ododnosa masa crnih rupa, ekscentrinosti orbite,amplitude i orijentacije njihovog spina.Wednesday, 28 September 2011 24. Formiranje Prvih Crnih RupaNa slici je prikazana amplituda uzmaka u zavisnosti od Ispostavlja se da je verovatno najrealniji upravo ovajq (odnos masa crnih rupa). U ovom sluaju smosluaj jer se oekuje da kako crne rupe prolaze krozizbacili ekscentritet orbite odnosno pretpostavili smo gas kreui se ka centru galaksije, njihov spin sekrunu orbitu. polako poravnava sa osom rotacije cele galaksije a sam tim i medjusobno. Ovaj efekat dramatino sputaPrvo to vidimo sa graka je da je najvei uzmak kadavrednost uzmaka na najvie 200 km/s.su mase crnih rupa problino istih vrednosti. Crnekrive pokazuju interval uzmaka za razliite vrednostiZato je ovo vano? Zato to prve galaksije pri svomspina crnih rupa. Tako da je najvei uzmak za jednuformiranju imaju izuzetno slabe gravitacionevrlo neobinu orbitalnu konguraciju kada se crnepotencijale. Za takve galaksije brzina dovoljna darupe kotrljaju po orbiti. Crvena kriva pokazuje jedanobjekat pobegne iz centra je oko 30 km/s. Znai daspecijalan sluaj kada su ose rotacije poravnate jedna ak i u sluaju pretstavljenom crvenom krivom,sa drugom. novoformirana crna rupa e biti izbaena iz galaksije.Wednesday, 28 September 2011 25. Formiranje Prvih Crnih RupaOvo je veliki problem za formiranje supermasivnih Ovaj problem je poznat kao Black hole seed IMFcrnih rupa. odnosno poetna funkcija mase za prve crnerupe.Od presudnog znaaja za njihovo formiranje je da seu centrima prvih galaksija formira seme koje e Kao reenje ovog problema se namee njegovoakretovati gas i narasti u supermasivnu crnu rupu.potpuno zaobilaenje kroz alternativni pristup ukojem se prve zvezde uopte i neformiraju, veZbog toga je razumevanje fragmentacije oblaka gasaoblak gasa kolapsira direktno u supermasivnuod presudnog znaaja, odnosno razumevanje tano crnu rupu.koliko se prvih crnih rupa formira u tipinoj ranojgalaksiji i koje su njihove mase i spinovi.Sve dok se ne lansiraJWST neemo znatikoja teorija je tana.Wednesday, 28 September 2011 26. Wednesday, 28 September 2011