Ewolucja Wszechswiata

1
Ewolucja Wszechswiata

• Wyklad 2

2
Program Wykladu

• Literatura

• Modele Wszechswiata
• Inflacja
• Poczatek Wszechswiata a fizyka czastek
  elementarnych
• Nukleosynteza
• Promieniowanie reliktowe
• Galaktyki
• Ewolucja gwiazd
• Supernowe
• Gwiazdy neutronowe
• Czarne dziury
• Kwazary
• Ciemna materia, ciemna energia
• ...

• J. Barrow, Poczatek Wszechswiata
• F. Adams, G. Laughlin, Ewolucja Wszechswiata
• D. Goldsmith, Najwieksza pomylka Einsteina
• R. Penrose, Makroswiat, mikroswiat i ludzki
  umysl
• S. Hawking, Wszechswiat w skorupce orzecha
• K. Thorne, Czarne diury i krzywizny czasu
• A. Liddle, An introduction to modern cosmology

www.if.pw.edu.pl/wosinska/dydak
3
Koniec XIX wieku (prawie) kompletny opis
wszechswiata Hipoteza eteru osrodka, w którym
rozchodza sie fale elektromagnetyczne.
Doswiadczenie Michelsona-Morleya (1987) - pomiar
predkosci swiatla.
Wynik swiatlo ma stala predkosc niezalezna od
predkosci obserwatora!
4

• 1905 Szczególna Teoria Wzglednosci
• Istotny jest tylko ruch wzgledny
• Skoro nie mozna stwierdzic, ze ktos sie porusza w
  przestrzeni, to pojecie eteru zbedne
• Prawa fizyki sa jednakowe w kazdym ukladzie
  inercjalnym, w szczególnosci predkosc swiatla
  jest stala

5

• Konsekwencje tych zalozen
• Nie istnieje czas absolutny kazdy obserwator ma
  swój wlasny czas
• Dlugosc w kierunku ruchu ulega skróceniu
• Czas w ukladzie poruszajacym sie ulega wydluzeniu

6

• Masa ciala poruszajacego sie wzrasta
• Masa i energia sa równowazne
• Zadne cialo o masie spoczynkowej wiekszej od zera
  nie moze osiagnac predkosci swiatla

7

• 1915 Ogólna Teoria Wzglednosci
• Równowaznosc sily grawitacji i sily bezwladnosci
  w ukladzie nieinercjalnym
• Pole grawitacyjne równowazne zakrzywieniu
  czasoprzestrzeni

Przestrzen i czas dotad uwazane za pasywna scene
zdarzen w istocie tworza czasoprzestrzen, która
jest dynamicznym uczestnikiem wszystkich procesów.
8
Geometria Wszechswiata
model dwuwymiarowa plaszczyzna

• Geometria euklidesowa

Suma katów w trójkacie równa jest 1800
Linie równolegle nie przecinaja sie
9
Geometria Wszechswiata
model powierzchnia kuli- krzywizna dodatnia

• Geometria Riemanna

Suma katów w trójkacie równa jest wieksza niz 1800
Linie równolegle przecinaja sie
(przykladpoludniki)
10
Geometria Wszechswiata

• Geometria Riemanna

model powierzchnia siodlowa- krzywizna ujemna
Suma katów w trójkacie równa jest mniejsza niz
1800
Linie równolegle rozchodza sie
11
Zakrzywienie czasoprzestrzeni oznacza, ze
najkrótsza linia laczaca dwa punkty jest linia
krzywa swiatlo w poblizu duzej masy nie porusza
sie po prostej!
Doswiadczalne potwierdzenie Ogólnej Teorii
Wzglednosci W 1919 r. zaobserwowano w czasie
zacmienia Slonca ugiecie promieni swietlnych
biegnacych od odleglej gwiazdy.
12
Równanie Friedmana opisujace globalna ewolucje
Wszechswiata

• H - stala Hubblea (v Hr)
• G stala grawitacji
• - gestosc materii Wszechswiata
• c predkosc swiatla
• k zakrzywienie przestrzeni
• R czynnik skali mierzy srednie oddalenie
  dwóch punktów (np. gromad galaktyk)

13
Wszechswiat zawsze bedzie sie rozszerzal
Jesli k lt 0 (krzywizna ujemna), to H bedzie
zawsze dodatnie.
Jesli k 0 (Wszechswiat plaski), to H bedzie
asymptotycznie malalo do zera
Wszechswiat bedzie sie rozszerzal, ale coraz
wolniej.
14
Jesli k gt 0 (krzywizna dodatnia)
Gestosc odwrotnie proporcjonalna do objetosci
Pierwszy wyraz maleje szybciej niz drugi
poczatkowo H2 jest dodatnie, ale w koncu spadnie
do zera.
Wszechswiat przestanie sie rozszerzac.
15
Gestosc krytyczna ?k odpowiada wartosci k 0
Równanie Friedmana mozna przeksztalcic do postaci
Jesli ? gt ?k , to k gt 0, Jesli ? lt ?k , to k lt
0,
16
? ? /?k
Ten parametr wyznacza przyszlosc Wszechswiata
? lt 1
? 1
? gt 1
W miare rozszerzania sie Wszechswiata maleje
zarówno gestosc rzeczywista, jak i krytyczna.
Stosunek tych gestosci ? jest staly.
Jesli wyznaczymy ?, odkryjemy przyszlosc
Wszechswiata
17
Einstein dodal do równania stala kosmologiczna ?,
aby ratowac plaski i statyczny Wszechswiat.
? - reprezentuje sile odpychajaca, równowazaca
przyciaganie grawitacyjne dzieki niej pojawia
sie rozwiazanie równania opisujace statyczny
Wszechswiat.
W 1922 r. Aleksander Friedman znalazl wszystkie
rozwiazania równania i wykazal, ze nawet dodanie
stalej kosmologicznej nie zapewni stalosci
Wszechswiata.
Einstein nazwal dodanie stalej kosmologicznej
swoja najwieksza pomylka, jednak obecnie wcale
nie jest oczywiste, ze wynosi ona zero!
18
Odkrycie Hubblea w 1929 r. rozstrzygnelo spór.
.
v Hr
Parametr (i jego zmiany w czasie) wyznacza
wiek Wszechswiata
19
Poznamy dzieje Wszechswiata, jesli wyznaczymy
trzy parametry
20
Pomiar stalej Hubblea
Supernowe typu 1A stanowia doskonale obiekty do
pomiaru odleglosci galaktyk swiece standardowe
Znamy dokladnie ich jasnosc absolutna. Jasnosc
obserwowana wyznacza odleglosc.
Predkosc ucieczki galaktyk wyznaczona z
obserwowanego przesuniecia linii widmowych ku
czerwieni.
21
Obecna wartosc stalej Hubblea
22
Pomiar gestosci materii Wszechswiata
Od gestosci zalezy krzywizna Wszechswiata

• Pomiar promieniowania swiecacych gwiazd i materii
  miedzygwiazdowej materia swietlista

• Pomiar zawartosci lekkich pierwiastków powstalych
  w pierwszych 3 minutach po Wielkim Wybuchu -
  materia barionowa

• Pomiar oddzialywan grawitacyjnych rotacja
  galaktyk - materia grawitacyjna

23
Obserwowana gestosc wydaje sie byc duzo mniejsza
od gestosci krytycznej.
Ciemna materia?
24
Rotacja galaktyk ciemna materia?
Obserwowana zaleznosc
Prawa dynamiki Newtona
Galaktyki wiruja szybciej niz pozwalaja na to
prawa dynamiki i grawitacji
Musza zawierac wiecej materii niz widac!