(a kozmológia alapjai)horvath/talks/2010/telki2010jan14.pdf · ix. fejezet: sem a mennyország,...
Post on 13-Jan-2020
2 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Osrobbanás: a Világ teremtése?(A kozmológia alapjai)
Horváth Dezso
horvath@rmki.kfki.hu
MTA KFKI Részecske– és Magfizikai Kutatóintézet, Budapest
és MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 1/37
Vázlat
Táguló világegyetem, kozmológiai elv.
Kozmikus háttérsugárzás.
Osrobbanás, infláció.
Osrobbanás és vallás.
Sötét anyag és sötét energia.
COBE, WMAP
Hubble-teleszkóp
Forrás:http://hu.wikipedia.org/wiki/ Osrobbanás
Stephen Hawking: Az ido rövid történeteTalentum Kiadó, Budapest, 1998
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 2/37
Eloszó
A fizika egzakt tudomány (képletgyujtemény!)
Pontos matematikai formalizmuson alapszik.
Elmélet érvényes, ha kiszámítható, és eredményegyezik kísérlettel.
Az igazi fogalmak mérheto mennyiségek, a szavakcsak mankók.
Szavak mögött pontos matematika és kísérleti tapasztalat
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 3/37
Mi a kozmológia?
Világegyetem egészével foglalkozik.
Hogyan jött létre? Nem miért?
Statikus vagy táguló?
Lapos, nyitott vagy zárt?
Anyaga, összetétele?
Múltja, jövoje?
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 4/37
A Hubble-állandóDoppler-hatás: z = (λv − λ0)/λ0 λv: hullámhossz v sebességnél
Közeledo motor hangja magasabb, távolodóé mélyebb
William Huggins, 1868: csillagokban z > 0: vöröseltolódás
Tolünk távolodó objektum fényhullámhossza no ⇒ vörösebb
Henrietta S. Leavitt, 1920:
Változócsillagok (cefeidák) periódusa ∼ abszolút fényessége ⇒
távolságuk levezetheto
Edwin Hubble, 1929: Cefeidák galaxisokban távolodnak tolünk
v = Hr sebességgel
Hubble-konstans:
H = 70 km/s/Mpc (1 Mpc ≈ 3 × 1022 m ≈ 3 × 106 fényév)
(1 parsec = távolság, ahonnan 2× d(Nap-Föld) 1 szögmp alatt látszik)
A Világegyetem kora: H−1
0∼ 14 × 109 év
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 5/37
Táguló világegyetem
Kozmológiai elv: Ha a tágulás lineárisv(B/A) = v(C/B) ⇒ v(C/A) = v(B/A) + v(C/B) = 2v(B/A)
homogén világegyetem, nincs kitüntetett pont
A világegyetem tágulása a téré, táguló koordinátáktömegek között vonzás, lokális inhomogenitás
Valamikor minden közelebb volt: osrobbanás (Big Bang)
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 6/37
Kozmikus háttérsugárzásArno Penzias és Robert Wilson, 1964
(Nobel-díj, 1978)Kiszurhetetlen mikrohullámú háttérsugárzás
Modell: T=3 K kozmikus sugárzás (CMB)
COBE: COsmic Background ExperimentT = 2, 728 K, pontos homérsékleti görbén
eredetileg 3000 K-es fotonok lehülése(1000-szeres!) táguláskor
Helyi irány-anizotrópia: magok galaxisokkialakulásához
Megerosítés, sokkal pontosabban:WMAP: Wilkinson Microwave Anisotropy Probe
John C. Mather és George F. Smoot (COBE):Nobel-díj, 2006
A COBE urszonda
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 7/37
A COBE anizotrópiája
Vörös = 2,721 K kék = 2,729 KDipól: Nap mozgása
Tejútrendszer
Maradék anizotrópia
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 8/37
A WMAP anizotrópiája, 2001-2003
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 9/37
Osrobbanás (Big Bang)
Látható anyag: ∼ 75% hidrogén, ∼ 25% hélium, < 1% másHidrogénbol hélium csak csillagokban, nem lenne ennyi
⇒ forró korai Univerzum kiadja
Kozmikus háttérsugárzás eredete:Big Bang után 30 perc: plazma, T = 300 000 000 K.
Sugárzás dominál, fotonok halmaza átlátszatlan közegben
380000 év: lehülés 3000 K-re, semleges atomok,fotonoknak átlátszó
Mostanra: tágulás, fotonok lehultek
Galaxisok eredete:Térbeli anizotrópia
⇒ sötét anyag gravitációs gödrei⇒ barionos anyag surusödése
⇒ csillagok begyulladnakHorváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 10/37
Osrobbanás, felfúvódás, sugárzás
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 11/37
Osrobbanás, evolúció és vallás
Osrobbanás értelmezéséhez az evolúció a fo kérdés
Protestantizmus általában elveti. Vatikán flexibilis.
XII. Pius beletörodött az evolúcióba és 1951-ben üdvözölteaz Orobbanást, mint a Világ teremtését
II. János Pál, Pontifical Academy of Sciences, 1996:Mára ... új tudásunk elfogadja, hogy az evolúció elméletetöbb, mint hipotézis. Valóban figyelemre méltó, ahogy a
kutatók a tudomány különbözo területein tett felfedezésekhatására, fokozatosan elfogadták ezt az elméletet. Afüggetlenül végzett munka eredményeinek sem nem
keresett, sem nem fabrikált konvergenciája önmagában isjelentos bizonyítéka az elméletnek.
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 12/37
Evolúció és vallás
2009. február: G. Ravasi bíboros, a Pontifical Academy ofSciences elnöke, abból az alkalomból, hogy a Vatikán
konferenciát szervezett Charles Darwin: A fajok eredetemegjelenésének 150. évfordulójára:
Habár a Vatikán korábban ellenséges volt a darwinizmussalszemben, soha nem vetette hivatalosan el. ... Az evolúció
ötlete már Szent Ágoston és Aquinói Szent Tamásmüveiben is fellelheto.
Szent Ágoston (354–430): Isten a semmibol osanyagotteremtett, észcsirákat helyezett el benne, abból fejlodött ki a
Világ (ezt kettos és folytonos teremtésnek hívta)
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 13/37
Osrobbanás és vallásII. János Pál, Pontifical Academy of Sciences, 1996:
... úgy tunik, hogy a modern tudománynak sikerült megtalálnia azelsodleges fiat lux (legyen világosság) pillanatát, amikor a semmibol az
anyag mellett fény és sugárzás tengere tört elo, az elemek meghasadtakés kavarogtak és galaxisok millióivá váltak. ... Tehát megtörtént ateremtés. Kijelentjük: tehát létezik Teremto. Tehát Isten létezik!
Állítólag a kollégái viccelodésére Edwin Hubble kifakadt, hogy nem érti,miért volt az elméletére szükség Isten létének bizonyításához.
Stephen W. Hawking, miután beszélt II. János Pállal,aki azt tanácsolta, ne feszegessék az Osrobbanás pillanatát, mert az
Isteni beavatkozás volt:Örültem, hogy nem ismerte a konferencián éppen elhangzott eloadásom
témáját — a lehetoségét annak, hogy a tér-ido ugyan véges, de nincshatára, kezdete sem, tehát a Teremtésnek sincs idopontja.
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 14/37
Szent Ágoston vallomásai, XI. könyvIdézetek az idorol (Dr. Vass József fordítása)
V. fejezet: Isten a világot semmibol teremtette
VI. fejezet: A teremto ige nem lehetett valami idoben elhangzó
parancs. Akárminek képzelem ugyanis azt a teremtést
megelozo valamit, ami hordozója lett volna parancsodnak,
biztosan nem volt, hacsak azt is meg nem teremted vala.
X. fejezet: Muködött-e Isten a világ teremtése elott?
XI. fejezet: Isten örökkévalóságához nincs köze idonek.
XII. fejezet: A teremtés elott Isten kifelé, vagyis teremto
módon semmit nem cselekedett.
XIII. fejezet: A teremtés elott nem volt ido, mert ez maga a
teremtmény.
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 15/37
Szent Ágoston vallomásai, XII. könyvVII. fejezet: Semmibol lett az osanyag, az osanyagból az
egész világ.
IX. fejezet: Sem a mennyország, sem az osanyag
megteremtése nem idoben történt.
XIII. fejezet: Kezdetben teremté Isten a mennyországot és az
osanyagot ... a mennyet én szellemi égnek tartom, amelyben
a megismerés nem "rész szerint", nem "tükör által és
homályban" (1Kor 13,12) történik, hanem egyenlo a teljesen
megvilágosított: a színrol színre való látással. Nem hullámzik
egyszer erre, egyszer arra; hanem, amint említettem,
egyszerre és együtt való látás, idobeli változás nélkül.
XXIV. fejezet: Úgy vélekedik, hogy e szó "kezdetben" az Igét
jelenti, de vallja, hogy más magyarázat is lehetséges.
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 16/37
A Hubble-teleszkóp
Fellove: 1990.04.24Tömeg: 11110 kgKözel körpálya,
magassága: 559 kmKeringés: 96–97 perc
Átméro: 2,4 mFókusztáv: 57,6 m
Érzékenyhullámhosszak:Közeli infravörösoptikai (látható)
ultraibolya
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 17/37
A Hubble-teleszkóp muködése
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 18/37
A Hubble-teleszkóp javítása az urben
1993 óta több javítási akció:tükörkorrekció, giroszkópcsere (6!), muszerek cseréje
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 19/37
Hubble-teleszkóp: a Világegyetem mélye
250 nap megfigyelés egy sötét ponton ⇒
> 10000 tízmilliárd évnél régebbi galaxis
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 20/37
Hubble-teleszkóp: eredmények
A galaxisok kialakulása már azOsrobbanás után 500-800millió évvel megkezdodött
Korai galaxisok kisebbek éskevésbé szimmetrikusak ⇒
gyorsabb formálódás
A galaxisok centrumábanáltalában fekete lyuk van
A legtávolabbi felvételekennyomon követheto csillagokképzodése
Az ultramély felvételkis része kinagyítva1010 évvel fiatalabb
galaxisok
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 21/37
Általános relatívitáselméletNewtoni gravitáció + állandó fénysebesség (Einstein, 1916)
Görbült térido (t, x, y, z)
Görbület tömegtol
Szabadesés geodéziai vonalak mentén
Gravitációs potenciál ⇒ görbületi tenzor
Friedmann-Lemaitre megoldás:általános relatívitáselmélet homogén univerzumra
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 22/37
Gravitációs lencse: tér görbülete
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 23/37
A Világegyetem jövoje
Ha nincs kozmológiai állandó, Λ = 0:
k ≤ 0: nyílt univerzum, állandó, lassuló tágulás
k > 0: zárt univerzum, big crunch
Ha Λ > 0:
örökös, gyorsuló tágulás (∀k)
Jelenlegi kép: Λ > 0; k = 0:
Lapos, gyorsulva táguló Univerzum
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 24/37
Osrobbanás (Big Bang) idorendje
Esemény ido homérséklet ρ1/4
Planck-ido (infláció ↓?) 10−36 s 1018 GeVNagy egyesítés 10−32 s 1016 GeVElektrogyenge ↑?
(bariogenezis) 10−6 s 1015 K 100 GeVKvark → hadron 10−4 s 1012 K 100 MeVNukleonok 1–1000 s 109 − 1010 K 0,1 – 1 MeVLecsatolódás 105 év 2500 K 0,1 eVSzerkezet kialakulása > 105 évMai helyzet 14 G év 2,7 K 3 · 10−4 eV
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 25/37
Sötét energia??
Kozmológiai állandó: Λ > 0
Einstein legnagyobb tévedése, mégis létezik
Vákuum gravitáló energiája, összes tömeg 70%-a!
Osrobbanás után nagy, korai univerzumban sokkal kisebb,térrel no
Ma dominál. Igazából micsoda?
Nem vákuum-energia: 10−120-szor kisebb(Elmélet és kísérlet eltérésére világrekord :-)
Rengeteg modell, spekuláció: inflaton, kvintesszencia...
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 26/37
Sötét anyag
Spirálgalaxisoksebessége kifelé
nem csökken,
pedig Kepler II:v = GM(r)
r
Sokkal többgravitáló anyag,
mint látható
Micsoda?WIMP...
SUSY??
Látható tömegsuruség ∼ luminozitás:ρlum(r) ∼ I(r)
De ρM (r) 6= ρlum(r)!
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 27/37
Fekete lyukak, sötét anyagGalaxisok magjában fekete lyukak (black hole, BH):
MBH > 3 naptömeg, RBH pár km
Einstein-kereszt:
10 milliárd fényévre levo pulzárttöbb pontba nagyít és fókuszál 1
milliárd fényévre levo galaxisfekete lyukkal a közepén
(ESO, Very Large Telescope,Chile, 2008)
Többszörös kép: nemegyenletes tömegeloszlásFekete lyuk + sötét anyag
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 28/37
Anyagegyensúly ma
Jelenleg: lapos, anyag-dominálta (ΩM >> ΩR)
Kozmológiai paraméterek: ΩR, ΩM = ΩB + ΩCDM, ΩΛ, H0
Barionos anyag (csillagok, fekete lyukak, por, gáz):ΩB ∼ 4%
Csomósodó, nem-barionos, hideg sötét anyag:ΩCDM ∼ 26%
Gyorsuló tágulás: sötét energia ΩΛ ∼ 70%
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 29/37
Antianyag az Univerzumban?CPT-invariancia: legalapvetobb elméleti tétel
Töltés (C), térkoordináták (P), ido (T) tükrözése nemváltoztat fizikát ⇒ anyag = antianyag
De: nincsenek antianyag-galaxisok (nincs dicsfény)Sugárzási idoszak után 10−9-nel több anyag (bariogenezis).
Magyarázható CPT-sértés nélkül?Andrej Szaharov, 1967: Igen, 3 feltétel mellett:
bariontöltés megmaradásának sértése
CP-szimmetria sértése
gyorsabb tágulás, mint barion-antibarion keltése ⇒
azonnali annihiláció kisebb valószínuséggel.
CP-sértés igen, tágulás talán, barionszám-sértés nem.Kísérleti ellenorzés: LHCb a CERN-ben
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 30/37
Az LHCb kísérlet a CERN-ben
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 31/37
A történet eddig
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 32/37
Köszönöm a figyelmet
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 33/37
A WMAP eredménye, 2001-2003
Akusztikusspektrum: rezgési
módusok
Csúcsok helye:sötét anyag nem
barionos
Lapos Univerzum,Λ 6= 0
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 34/37
Távolságskála görbült téridobenEgyüttmozgó koordináták: (t, r, Θ, Φ)
Euklideszi távolság: dℓ2 = dr2 + r2(dΘ2 + sin2 ΘdΦ2)
Görbült térben: dℓ2 = a2(t)[
dr2
1−kr2 + r2(dΘ2 + sin2 ΘdΦ2)]
a(t): 2D térido-görbület k: 3D térgörbület
k = 0 k > 0 k < 0lapos univerzum zárt univerzum nyílt univerzum
Galaxisok távolsága ∼ a(t) ⇒ tágulás
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 35/37
A Friedmann-törvénySkála-
tényezováltozása:
(
aa
)2≡ H2 = 8πG
3c2 ρR + 8πG3c2 ρM − kc2
a2 + Λ3
∼ a−4 ∼ a−3 ∼ a−2 ∼ a0
Sugárzás anyag görbület vákuum
Dominancia idorendje(némelyik elmaradhat)
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 36/37
Anyagegyensúly ma
Friedmann-egyenletbol (X0: mai érték, /H20 )
8πG3H2
0c2
(ρR0 + ρM0) − kc2
a2
0H2
0
+ Λ3H2
0
≡ ΩR + ΩM − Ωk + ΩΛ = 1
Univerzum lapos, ha Ω0 = ΩR + ΩM + ΩΛ = 1
Jelenleg: lapos, anyag-dominálta (ΩM >> ΩR)
Kozmológiai paraméterek: ΩR, ΩM = ΩB + ΩCDM, ΩΛ, H0
Barionos anyag (csillagok, fekete lyukak, por, gáz):ΩB ∼ 4%
Csomósodó, nem-barionos, hideg sötét anyag:ΩCDM ∼ 26%
Gyorsuló tágulás: sötét energia ΩΛ ∼ 70%
Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 37/37
top related