astronomy at its best

12/11/2014

1

1

ASTROFIZIKA

Vladas Vansevičius

VU Astronomijos observatorija

Čiurlionio g. 29

[email protected]

ASTROFIZIKA 22014-12-11

GALAKTIKOS

Galaktikų tipai

• Diskinės – didžioji dalis šviesio sutelkta ploname besisukančiame žvaigždžių diske. Diske kartais matomos spiralinės vijos, todėl vadinamos ir spiralinėmis.

• Elipsinės – bestruktūrės, ovalo formos su apytiksliai elipsinėmis izofotomis; sukimasis neišreikštas.

• Netaisyklingosios – dažniausiai diskinės galaktikos, neturinčios apibrėžtos formos,nesimetriškos. Žymimos Irr.


GALAKTIKŲ ĮVAIROVĖ


Hubble kamertono diagramaTradicinė galaktikų klasifikacijos schema

Elipsinės

Spiralinės

Skersėtosios

spiralinės

Normalios

spiralinės

Netaisyklingosios


Galaktikų klasifikacija

•Elipsinės galaktikos – E (E0 – E7)

•Lęšinės galaktikos – S0

•Normaliosios spiralinės galaktikos – S (Sa – Sc)

•Skersėtosios spiralinės galaktikos – SB (Sba–SBc)

•Netaisyklingosios galaktikos – Irr

•Aktyviosios galaktikos – AGN, QSO, etc.

12/11/2014

2


Elipsinės galaktikos

• Apskritimo arba elipsės formos, neturi struktūros,

žvaigždžių koncentracija link centro.

• Masės nuo milijonų iki tūkstančių milijardų Saulės

masių.

• Skersmuo nuo kelių tūkstančių iki šimtų tūkstančių

šviesmečių.

• Nykštukinės – milžiniškosios elipsinės galaktikos.

• Dominuoja senos II populiacijos žvaigždės. Jose

paprastai yra mažiau sunkiųjų elementų negu

Saulėje.



Nuo E0 (apvalios) iki E7 (labai elipsiškos).

Žvaigždžių

tankis didėja

link centro.

Jokios

struktūros.

Daugiausia

senos

žvaigždės.

Beveik nėra

dujų ir dulkių.


E NGC 3998 dE -NGC 147

Kamuoliniai spiečiai Atskiros žvaigždės

V filtras, WIYN teleskopas ASTROFIZIKA 102014-12-11

Nykštukinės sferoidinės galaktikos

Leo I Masė

~10 mln.

Saulių;

skersmuo

~5 kpc


Spiralinės galaktikos

• Galaktikos, turinčios iš žvaigždžių ir tarpžvaigždinių dujų ir dulkių debesų sudarytas spiralines vijas.

• Masės nuo milijardo iki ~500 milijardų saulės masių (žvaigždės ir tarpžvaigždinė medžiaga).

• Tamsioji medžiaga sudaro didesnę galaktikos masės dalį.

• Skersmuo nuo 10 iki 500 tūkst. šviesmečių.

• Galaktikų diskuose ir spiralinėse vijose daugiausia yra jaunų žvaigždžių, kuriose sunkiųjų elementų kiekis artimas Saulei (I populiacijos žvaigždės).

• Spiralinėse vijose telkiasi tarpžvaigždinių dujų ir dulkių debesys ir formuojasi naujos žvaigždės.


Spiralinės galaktikos• Dvi spiralinių galaktikų rūšys:

– Normalios spiralinės galaktikos (žymimos Sa, Sb, Sc). Jose spiralinės vijos išsivynioja iš sferiško arba elipsoido formos centrinio telkinio.

– Skersėtosios spiralinės galaktikos (žymimos SBa, SBb, SBc). Jose centrinis telkinys - tiesi skersė, nuo kurios galų prasideda spiralinės vijos.

• Sa, SBa tipo galaktikų dideli centriniai telkiniai ir silpnai išreikštos spiralinės vijos.

• Sc, SBc tipo galaktikų maži centriniai telkiniai ir labai išreikštos spiralinės vijos.

12/11/2014

3


Sa ir SBa galaktikos

Didelis centrinis telkinys, tolygus diskas, silpnos spiralinės vijos.


Sb ir SBb galaktikosCentrinis telkinys ir diskas išreikšti. Diske spiralinė struktūra aiškiai matoma. Yra H II sričių.


Sc ir SBc galaktikos

Mažas arba visai nepastebimas centrinis telkinys, ryškus

diskas ir spiralės. Spiralėse daug H II sričių.

Paukščių Takas ???

Serge Brunier


Lęšinės galaktikos (S0 ir SB0)S0 ir SB0 galaktikos. Diskinės galaktikos, bet jose nėra žvaigždėdaros, spiralinių vijų, mažai tarpžvaigždinės medžiagos.


Netaisyklingosios galaktikos

• Galaktikos, kurių forma netaisyklinga ir kuriose

matomos netaisyklingų formų žvaigždžių ir

tarpžvaigždinių dujų ir dulkių debesų samplaikos.

Neturi aiškaus centro.

• Žymimos Irr (irregular).

• Vidutiniškai mažesnės už spiralines galaktikas.

• Palyginus su spiralinėmis galaktikomis jose yra

daugiau tarpžvaigždinių dujų ir dulkių debesų.

Vyksta intensyvus žvaigždžių formavimasis.

• Vyrauja jaunos žvaigždės.

http://www.sergebrunier.com/

12/11/2014

4


Netaisyklingosios galaktikos

Žvaigždžių populiacija jauna. Daug tarpžvaigždinės

medžiagos. Nėra reguliarios spiralinės struktūros.


Nykštukinė galaktika Leo A


Modifikuota Hubble schema


Galaktikų parametrai

Parametras Elipsinės Spiralinės Netaisyklingos

Masė (Saulės vnt.) 107 – 1013 1010 – 1012 107 – 1010

Skersmuo (kpc) 1 – 1000 10 – 100 1 – 10

Dominuojanti

žvaigždžių

populiacija

senos jaunos ir

senos

daugiausia

jaunos

Tarpžvaigždinės

dujos ir dulkės nėra yra yra daug


Atstumai iki galaktikų

Standartiniai šaltiniai:

– Cefeidės (periodo ir M sąryšis)

– Supernovos (spindesio maksimumo M)

– Novos (spindesio maksimumo M)

– ----------------------------------------------------------------------

– Raudonųjų milžinių sekos viršūnės šviesis

– Planetiškųjų ūkų šviesio funkcijos riba

– Kamuolinių spiečių šviesio funkcijos maksimumas

– H II sričių skersmuo

Nustatomi matuojant standartinius šaltiniusTikrasis atstumo modulis


12/11/2014

5

Atstumų nustatymo metodai

ASTROFIZIKA 252014-12-11 ASTROFIZIKA 262014-12-11

M 104

X-ray: NASA/UMass/Q.D.Wang et al.;

Optical: NASA/STScI/AURA/Hubble Heritage;

Infrared: NASA/JPL-Caltech/Univ. AZ/R.Kennicutt/SINGS Team


Tamsiosios medžiagos vainikas


Galaktikų prigimtis


Galaktikos VisatojeMorfologijos kitimas laike


12/11/2014

6

Morfologijos kitimas laike






Galaktikų kilmė ir raida

• Didysis sprogimas

• Po keliolikos milijonų metų (kosmologinio

debesies temperatūra nukrito iki 500–200 K)

smarkiai sustiprėjo atsiradę tankio fluktuacijos

• Dar po 100 milijonų metų didesnio tankio sritys

pradėjo atitikti Džinso kriterijų, nustojo plėstis ir

ėmė trauktis. Taip kosmologinis debesis suskilo į

daugybę gabalų

Galaktikų formavimasis

Visatoje yra didesnio nei vidutinis tankis (virš brūkšninės

linijos) sritys, iš kurių tankiausios (virš horizontalios

linijos) kolapsuoja.

Galaktikų formavimasis

Medžiagos gniužulai sąveikauja, susiduria, ima suktis

Skalės faktorius: z + 1

12/11/2014

7

Progalaktika – tamsiosios medžiagos

debesis (CDM, WDM, HDM), kurio centre

yra vandenilio ir helio dujų, sudarančių

~10% progalaktikos masės


• Progalaktikų viduje medžiaga traukėsi ir

atskiros progalaktikos sritys ėmė atitikti

Džinso kriterijų. Susidarė medžiagos

gniužulai, kurie traukėsi atskirai.

• Besitraukdami ir toliau skildami, jie virto

žvaigždžių spiečiais, kuriuose ir formavosi

žvaigždės. Būsimose galaktikose prasidėjo

žvaigždėdara.


Metagalaktikos struktūra


• Medžiaga Visatoje

buvo pasklidusi

beveik tolygiai

• Tankesnių sričių

gravitacija sutraukė

aplinkos medžiagą

Kaip susidarė galaktikos


Iš tankesnių sričių

susidarė

progalaktiniai

debesys

Pirmosios

žvaigždės susidarė

iš H ir He dujų


ASTROFIZIKA 422014-12-11Galaktikų susidūrimai turi didelės įtakos galaktikų evoliucijai

Galaktikų susidūrimai ir susiliejimai

12/11/2014

8


Dažni supernovų

sprogimai stabdė

žvaigždėdarą

Dujos nusėdo į

besisukantį diską

Judesio kiekio

momento tvermės

dėsnis



Hierarchinis galaktikų formavimasis


M87NGC 4414

Kodėl galaktikos skirtingos?


Skirtingos sąlygos progalaktiniame

debesyje:

Skirtingas sukimosi greitis – greitai

besisukančiuose debesyse susiformavo

diskinės galaktikos.

Skirtingas tankis – elipsinės galaktikos

susidarė tankesniuose debesyse, kur

kolapsas vyko sparčiau.

Kodėl galaktikos skirtingos?




“Sombrero”, M 104 (Sa)

LV ≈ 8 × 1010 Lsaul d ≈ 10 Mpc

12/11/2014

9


NGC 2903

R. Jay GaBanyASTROFIZIKA 502014-12-11

NGC 1672

L. Jenkins (GSFC/U. Leicester)


NGC 1365

SSRO-South PROMPT (D. Reichart)


Sąveikaujančios ir susiduriančios

galaktikos


S. Beckwith (STScI) Hubble

Heritage Team, (STScI/AURA),

ESA, NASA

M51 – Verpeto galaktika


Galaktikų susidūrimas realybėje labai dažnas reiškinys

http://www.cosmotography.com/images/biography.html

http://www.nasa.gov/centers/goddard/

http://www.le.ac.uk/physics/index.shtml

http://www.starshadows.com/aboutus/

http://www.stsci.edu/resources/

http://heritage.stsci.edu/commonpages/infoindex/ourproject/moreproject.html

http://www.aura-astronomy.org/

http://www.esa.int/

http://www.nasa.gov/home/index.html

12/11/2014

10


NGC 4676 – “Pelės”

HST/NASAASTROFIZIKA 562014-12-11

•

Vežimo rato galaktika

“Cartwheel” / “Vežimo ratas”

ASTROFIZIKA 572014-12-11 Galaktikų susidūrimai sužadina žvaigždėdarą

“Antennae” / “Ūsai”


“Antennae” – centrinė dalis

HST/ESA/NASA


Modeliavimo rezultatai: iš dviejų susiduriančių

spiralinių galaktikų gali susidaryti elipsinė galaktika

Galaktikų susidūrimai ir susiliejimai


Galaktikos telkiasi į

spiečius.

Mažesni spiečiai

vadinami grupėmis.

Mūsų Galaktika +

Andromedos gal. +

mažesnės galaktikos

sudaro

Vietinę galaktikų

grupę.

Vietinė Grupė

12/11/2014

11


Vietinė galaktikų grupė

Galaktikos telkiasi į

grupes ir spiečius.

Mūsų Galaktika kartu su

aplinkinėmis galaktikomis

sudaro Vietinę grupęASTROFIZIKA 622014-12-11

Vietinė Grupė


M31, Leo A, M33


Leo A centrinė ir išorinė sritys

< 3.5 ir 3.5-7 .0


M31 – didelė spiralinė galaktika

MM31 > MMW disko polinkis 78° atstumas 750 kpcASTROFIZIKA 662014-12-11

M33 – nykštukinė spiralinė galaktika

MM33 ~ 0.1 MMW disko polinkis 54° atstumas 850 kpc

12/11/2014

12


Stebėjimų duomenys M33

R.A. = 01h32m58s.5, Decl. = 2952'03'' (J2000.0)

atstumas nuo M33 centro 48'.4.


Gravitaciniai lęšiai







• Galima nustatyti objekto-lęšio masę

nenaudojant virialo teoremos –

nepriklausomas metodas

• Iškreipta šviesa eina tolimesnį kelią, todėl

vėluoja – iš to galima nustatyti objekto

nuotolį

12/11/2014

13


Gravitacinio lęšio schema

Masės M, esančios taške L, gravitacinis laukas iškreipia šviesą sklindančią iš šaltinio S link stebėtojo O, todėl stebėtojui atrodo, kad šaltinis yra taške I.


Gravitacinio lęšio schemaEinšteinas numatė, kad

šviesa praeidama

atstumu b pro masę M

užlinks kampu:

Čia RS – Schwarzschild’o spindulys 2GM/c2, kuris Saulės

masės kūnui yra apie 3 km. Lygtis tinka, kol << 1.


Vaizdų didinimas gravitaciniu lęšiu


Einšteino kryžius

G. Lewis (IOA), M. Irwin (RGO), William Hershel Telescope


Galaktikos centre – Einšteino kryžius

J. Rhoads (ASU) ir kt., WIYN, AURA, NOAO, NSFASTROFIZIKA 782014-12-11

Einšteino

žiedas –

ypatingai

retas

reiškinys

http://www.ast.cam.ac.uk/IoA/

http://www.ast.cam.ac.uk/RGO/

http://sese.asu.edu/FACULTY/rhoads/

http://sese.asu.edu/

http://www.noao.edu/wiyn/wiyn.html

http://www.aura-astronomy.org/

http://www.noao.edu/

http://www.nsf.gov/

12/11/2014

14


Gravitaciniai

lęšiai

galaktikų

spiečiuose



Gravitaciniai lęšiai – dar vienas tamsiosios medžiagos įrodymas


Galaktikųspiečius

CL0024+17

Galaktikų spiečius

CL0024+17


Tamsiosios medžiagos žiedas apie CL0024+17

12/11/2014

15


Tamsiosios medžiagos žiedas apie CL0024+17

http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap070516.htmlASTROFIZIKA 862014-12-11

raudona = rentgeno spinduliuotė mėlyna = materija


Aktyviosios galaktikos

Seyfert’o galaktikaASTROFIZIKA 882014-12-11

Aktyviosios galaktikos

Kai kurios galaktikos turi neįprastai didelio šviesiocentrinius šaltinius – labai kompaktiškus

branduolius

Ypatumai:

• labai didelis šviesis – spinduliuoja daug energijos

• pasižymi greitu spindesio kitimu – maži matmenys

• dideli medžiagos judėjimo greičiai centrinėje dalyje– didelė masė

• medžiagos čiurkšlės iš galaktikų centrų – poveikis aplinkai dideliais atstumais

Galaktikų aktyvumas

• Mažiau nei 10% galaktikų yra aktyvios

• Vienas aktyvumo epizodas trunka iki ~20 mln. m.

• Galaktika per visą savo gyvenimą būna aktyvi –

iki 1 mlrd. metų

• Aktyvumo priežastis – centre esanti

“besimaitinanti” supermasyvi juodoji skylė (SJS)


Centrinė SJS

Pirmasis tiesioginis

juodosios skylės

egzistavimo

įrodymas

Ford ir kt. (1994).

12/11/2014

16


Centarus A


Radio galaktika 3C31

raudona = radijo spinduliuotė mėlyna = regimoji šviesa


Kvazarai --- QSOs

• Didžiausią energiją generuoja aktyviosios

galaktikos – kvazarai (kvazižvaigždiniai

objektai; quasistellar objects – QSOs)

• Kvazarų SJS masė >109 Mʘ

• Jų SJS pakankamam maitinimui būtinas

galaktikų susiliejimas


Kvazarai, QSOs


Supermasyvios juodosios skylės (SJS), prigimtis

• Tolimiausi kvazarai aptikti (z ~ 7; arba praėjus

mažiau nei 1 mlrd. m. po Didžiojo Sprogimo

• Dvi SJS atsiradimo hipotezės:

– gimė masyvios (>105 Saulės masių)

– užaugo nuo žvaigždinių masių

• Atsakymo kol kas nėra...

12/11/2014

17

Kvazarų skaičiaus evoliucija


Kvazarų skaičiaus evoliucija

Galaktikos --- kvazarai (SDSS)


Aktyvių galaktikų branduoliuose yra supermasyvios juodosios skylės, į kurias krinta medžiaga iš

akrecinio disko

Supermasyvios juodosios skylės (SJS)

SJS augimas

12/11/2014

18


Kvazarų energetika

• Kvazaro šviesis 1040 W

• Kvazaro akyvumo trukmė ~106 metų: ~108 s

• Kiek masės sunaudotų kvazaras generuodamas energija:

– cheminės reakcijos... >1012 Mʘ

– branduolių sintezės reakcijos... ~109 Mʘ

– medžiagos akrecija į SJS... ~108 Mʘ

– anihiliacija... ~107 Mʘ

• Tinkamiausia – akrecija, nes antimedžiagos galaktikose

labai mažai

SJS ir galaktikos sąryšis


SJS ir centrinė greičių dispersija SJS ir galaktikų parametrai


M-

sąryšis


SJS ir galaktikos žvaigždžių masėAGN


12/11/2014

19

AGN


Aktyvaus galaktikos branduolio schema

Seyfert 2 galaktikos ir BAL QSO:

vaizdas iš briaunos – matomos

tik dujos virš/po dujų-dulkių toru

Seyfert 1 galaktikos ir QSO:

pasviręs diskas – karštos dideliu

greičiu judančios dujos

BL Lac (Driežo BL) objektai –

blazarai: žiūrim išilgai čiurkšlės –

didelis šviesis ir greitas kitimas, h

Kvazarai – labai energingos

aktyviosios galaktikos –

dauguma jų susiliejančios

AGN



QSO, pirmasis (1963), artimiausias(z=0.158) ir ryškiausias (V=12.9)


12/11/2014

20


QSO spektras (su raudonuoju poslinkiu)QSO spektras (be raudonojo poslinkio)


Kvazarų evoliucija


Spektrai


AGN


AGN


12/11/2014

21

Aktyviosios ir normaliosios galaktikos


Galaktikos AGN

Emisinės linijosX-

rays

EkscesasStipri

radio

Čiurk

-šlės

Kin-

tama

Radio

loudSiauros Plačios UVFar-

IR

Normaliosios ne silpna ne silpna ne ne ne ne ne ne

Žvaigždėdaros ne taip ne dalis ne taip dalis ne ne ne

Seyfert 1 taip taip taip dalis dalis taip mažai ne taip ne

Seyfert 2 taip taip ne dalis dalis taip mažai taip taip ne

Kvazarai taip taip taip dalis taip taip dalis dalis taip 10%

Blazarai taip ne dalis taip taip ne taip taip taip taip

Radio taip dalis dalis dalis dalis taip taip taip taip taip

Mūsų Galaktikos centras

Diskas

Centrinis

telkinys

Tamsiosios

materijos

halas

Saulė

Kamuoliniai

spiečiai

Centrinis

telkinysSkersė

Dujų srautaiSupermasyvi

juodoji skylė

Mūsų Galaktikos centras

1 laipsnis atitinka ~150 pc

Galaktikos centro struktūra• Centrinė molekulinė zona,

CMZ ~100 pc

• Centrinis diskas ~5 pc

• Mini-spiralė ~2 pc

• Jaunų žv. diskas ~0,5 pc

• SJS Šaulio A* ~0,1 AU

masė 4 mln. Saulės masių

šviesis ~300 Saulės šviesių

12/11/2014

22

Mūsų Galaktikos centrasŠaulio A* kintamumas

• Žybsniai keletą kartų per dieną:

– Rentgeno ir infraraudonieji žybsniai susiję

tarpusavyje

– kartais matomi radijo žybsniai

– žybsnio šviesis 10-100 kartų viršija

ramybės būseną

• Ilgalaikis nušvitimas iki 1032 W rentgeno

diapazone prieš ~100 metų

Ar Galaktikos branduolys buvo aktyvus?

• Prieš 6 mln. metų MW centre susiformavo

žvaigždės: ~104 Saulės masių

• Maždaug tiek pat dujų suvalgė ir SJS

• Maitinimas truko: ~1 mln. metų

• Vidutinis Šaulio A* šviesis buvo: 6∙1036 W

Paukščių Tako galaktika


Fermi burbulai

• Gama ir rentgeno spinduliuotė

• Aukštis ~10 kpc nuo centro, plotis ~8 kpc

• Ties Galaktikos centru susiaurėja

• Kelių milijonų metų amžiaus

• Galimai suformavo SJS aktyvumas

Galaktikos centro struktūra

• Centrinė molekulinė

zona suspaudžia

sferiškai simetrišką

tėkmę

• Stebėjimai paaiškinami,

jei SJS buvo aktyvi bent

300000 metų ir prarijo

~20000 Saulės masių

medžiagos

12/11/2014

23

Galaktikos SJS aktyvumas

• Šaulio A* buvo aktyvus Galaktikos branduolys

prieš ~6 mln. metų

• Aktyvumas truko ~1 mln. metų

• Fermi burbulai yra to aktyvumo pėdsakas

• Panašūs pėdsakai turėtų egzistuoti ir kitose

galaktikose

• Tačiau tik ateityje bus įmanoma juos aptikti

K O S M O L O G I J A



Kas tai yra kosmologija?

Visatos kaip visumos

sandaros ir raidos

tyrimas

Nuo laiko pradžios

iki dabar... ir toliau

iki laiko pabaigos...


Kosmologijos postulatai

• Nagrinėjant stambiu mastu Visatoje

galaktikos ir jų spiečiai yra pasklidę tolygiai

– Visata homogeniška

• Visomis kryptimis Visatos savybės vienodos

– Visata izotropiška


Jei Visata begalinė, kodėl dangus tamsus? (1823)

Olbers’o paradoksas

12/11/2014

24


DIDYSIS SPROGIMAS

Visata (erdvė, laikas, masė, energija, …)

atsirado per Didįjį Sprogimą

ir

patyrė staigų išsipūtimą (infliacijos era)

Big Bang


DIDYSIS SPROGIMAS

Faktai apie Visatą

(paremti stebėjimais)

• Visata plečiasi (homogeniška, izotropiška)

• Kosminė mikrobanginė foninė spinduliuotė

• Cheminių elementų kiekis po BB sintezės

• Stambaus masto Visatos struktūra

Big Bang


c

vz

Raudonasis poslinkis

Objekto, judančio tolyn nuo Žemės, spektro linijos rodo

raudonąjį poslinkį, kuris stebimas dėl Doplerio reiškinio.

Reliatyvistinis

atvejis, kai

galaktika juda

dideliu greičiu

Nereliatyvistinis

atvejis

Galaktikos greitis

šviesos greitis


Georges Lemaitre

1927

Edwin Hubble

1929

Visatos plėtimasis


Lemaitre-Hubble dėsnis

Kuo tolimesnė galaktika, tuo

greičiau ji tolsta nuo

mūsų. Tolimo greitis v

proporcingas atstumui d.

v = H0 dHubble konstanta

H0 = 70 km/s/Mpc

L-H dėsnis taikomas tik

tolimų galaktikų

atstumams nustatyti


L-H dėsnisKuo tolimesnė galaktika, tuo

greičiau ji tolsta. Tolimo greitis

v proporcingas atstumui d.

v = H0 dHubble konstanta

H0 = 70 km/s/Mpc

Galaktika, turinti didžiausią raudonąjį

poslinkį, z=10.

d c

H0

z 1 2 1

z 1 2 1for z 2

12/11/2014

25


Lemaitre-Hubble dėsnis

1929 m.


H0 pagal supernovas SN IaWMAP H0=71; Planck H0=67


L-H dėsnio taikymas

• L-H dėsnis negalioja artimoms galaktikoms:

pekuliarūs (savieji) galaktikų greičiai didesni už Hubble greitį

• L-H konstantos dimensija yra s-1, taigi, iš jos galima

apskaičiuoti Visatos amžių:

(milijardų metų)


Atgrąžos laikas

• Kadangi šviesos greitis baigtinis, iš galaktikų šviesa iki mūsų sklinda baigtinį laiko intervalą

• Iš galaktikos, esančios už 400 milijonų šviesmečių (~120 Mpc), šviesa mus pasiekia per 400 milijonų metų

• Šis laikas vadinamas atgrąžos laiku(angl. lookback time)

• Kuo tolimesnį Visatos objektą matome, tuo toliau į praeitį žvelgiame


Atgrąžos laikas

Tolimiems objektams prasmingiau naudoti šį laiką, o ne atstumą.

Koks atstumas iki galaktikos? d1, d2?

Nėra dviprasmybės, kai konstatuojame, kad šviesa iš galaktikos sklido 400 milijonų metų.

d1

d2


Visatos horizontas

• Visata neturi krašto, bet turi horizontą

• Kosmologinis horizontas yra vieta, kur atgrąžos

laikas lygus Visatos amžiui:

• mes negalime matyti toliau horizonto

• stebimosios Visatos spindulys kasmet padidėja

1 šviesmečiu

• Nors Visata plečiasi visomis kryptimis nuo mūsų,

mes nesame Visatos centras

12/11/2014

26


Visatos struktūra


Visatos struktūra


“Didžioji siena”

Vietinis superspiečius

Žuvų-Persėjaus superspiečius

Visatos struktūra


Stambaus masto struktūros


Kosminė mikrobangė foninė spinduliuotė

Iš visų krypčių sklindanti spinduliuotė, atitinkanti 2,73 K

temperatūros juodojo kūno spinduliuotę. Spinduliuotės

raudonasis poslinkis z ~ 1100.

T=2,73K


Kosminė mikrobangė foninė spinduliuotė

T = 2,73 K

Spinduliuotė izotropiška

12/11/2014

27


Kosminė mikrobangė foninė spinduliuotė (CMBR)

ΔT = 0,000028 KTemperatūros pokyčiai

tarp raudonųjų ir mėlynųjų sričių

Šie temperatūros svyravimai davė pradžią stambaus masto Visatos

struktūrai.

Kosminė mikrobangė foninė spinduliuotė (CMBR)



Planck 2013



Visatos struktūra

INFLIACIJOS ERA!

Iš mažų kosminės mikrobanginės foninės spinduliuotės

fluktuacijų išaugo dabartinė stambaus masto Visatos struktūra.

Kaip?


Didžiausi

temperatūrų

skirtumai darinių,

tarp kurių ~1

kampinio laipsnio

atstumas

WMAP

12/11/2014

28


WMAP + etc


ACT – Atacama

Cosmology Telescope

SPT – South Pole Telescope


Planck



Planck 2013


Kosminė foninė spinduliuotė priešingose dangaus pusėse tos

pačios temperatūros = šios sritys turėjo būti arti viena kitos.

Visatos struktūra

12/11/2014

29


Priešingos dangaus sritys buvo arti viena kitos iki infliacijos.

Visatos struktūra


Infliacija atomo

branduolio

dydžio tankio

fluktuacijas

išpūtė iki Saulės

sistemos dydžio

Šios fluktuacijos

ir yra visų

struktūrų pradžia

Prieš infliaciją – fluktuacijos atomo branduolio matmenų

Po infliacijos – fluktuacijos Saulės sistemos matmenų

Visatos struktūra


VISATOS GEOMETRIJA

Euklidinėje geometrijoje erdvėlaikio

intervalas:

s2 = (c t)2 – (x2 + y2 + z2)

t

x

1

2

Visatoje objekto padėtis (x, y, z) priklauso nuo

plėtimosi, todėl įvedamas skalės faktorius

R(t):

s2 = (c t)2 – R2(t)(x2 + y2 + z2)


R(t) ir raudonasis poslinkis

Robertson-Walker metrika sferinėse koordinatėse

s2 ct 2

R2 t r 2

1 kr 2 r 2 2 r 2 sin2 2

Kreivumo konstanta k:

k > 0 sferinis atvejis

k = 0 Euklidinė geometrija

k < 0 hiperbolinė geometrija (“balnas”)

1 z obs

emR(tobs )

R(tem )

( )( )

( )R t

H tR t

0now

now

RH

R


0

34

3sph

v H r

RM ρ

=

=π

24

3grpot

GMm GmR ρE

R= - = -

π

2 2 21 1

2 2kinE mv mH R= =

R

v

m

M

“Niutono” visata


E 01

2H2

4

3G Re collapses

E 01

2H

2

4

3G Expands forever

E 01

2H

2

4

3G Expands as time

E 0

c

3H 2

8G

Visatos VARIANTAI

Tankis, kai E = 0, vadinamas kritiniu tankiu: c

( )( )

( )R t

H tR t

ch17/inflation_early_universe.htm

ch17/inflation_early_universe.htm

12/11/2014

30


Išreiškę per energiją ir

radiusą:

Reliatyvistiniu atveju

R-W metrika:

k kreivumo konstanta:

k = +1; E < 0; sferinė geometrija >> kolapsuojanti

k = 0; E = 0; plokščia geometrija >> R∞ kai t ∞

k = -1; E > 0; hiperbolinė geometrija >> plečiasi amžinai

2 282

3R G R E

2 2 28

3R G R kc

Visatos VARIANTAI( )( )

( )R t

H tR t


Visatos modeliaiKokioje Visatoje gyvename?1. Išmatuojame H0 ir ; apskaičiuojame :

c > 1, Visata sferinė, ilgainiui kolapsuos

= 1, Visata plokščia, R∞ kai t ∞

< 1, Visata hiperbolinė, plėsis amžinai

2. Išmatuojame lėtėjimo pagreitį:

2

Rq

RH q

1

2

1kc2

H2R

2


Modeliai su -nariu

4

3 3

G RR R

4

3

GR R

“Niutono” modelyje pagreitis:

Su :

> 0 stumiančioji jėga

< 0 papildo gravitaciją

Kai Visata labai išsiplėtusi, pagreitį nusako -narys


22 2 28

3 3

RR G R kc

Bendriausiu atveju:

Visata su kosmologine konstanta

4G 3H2qkc2

R2 4G H

2q 1

Einstein modelis: H = 0 ir q = 0 c 4G

De Sitter modelis: k = 0, = 0, > 0, tuomet q = -1

(greitėjantis plėtimasis), o H nepriklauso nuo laiko

R t RieH t

ti

3H R R


22 2 28

3 3

RR G R kc

22

2

2

8

3 3

R G kcH

R R

8G m r

k R2

c2

8G

3 H

2

Pradinė lygtis plėtimuisi

padaliname iš R2

apibrėžiame pažymime

kreivumo konstanta

Visata su kosmologine konstanta


Modeliai su įvairiais k ir

< 0 pulsuojanti visata > 0 greitėjantis plėtimasis

12/11/2014

31


Visatos plėtimasis greitėja?

Supernovų

stebėjimai

rodo, kad

Visatos

plėtimasis

greitėja

Visatoje

veikia

stūmos jėga

>>>

tamsioji

energija


Supernovos. Tipas SN Ia

Spindesys per kelias dienas padidėja ~20 ryškių, po to palaipsniui nublanksta.

Susikaupus papildomai medžiagos ant baltosios nykštukės (~1,4 Ms), ji kolapsuoja, pakyla T ir staiga visoje žvaigždėje prasideda termobranduo-linės reakcijos – įvyksta sprogimas.


Supernovos. Tipas SN Ia

(Type I)SN Ia, iš wd

SN II, iš >8 MS


H0 pagal supernovas SN Ia

WMAP: H0=71; Planck: H0=67

SN Ia H0=74

q 1

2

c

2

Rq

RH


Visatos plėtimasis greitėja?

Supernovų

stebėjimai

rodo, kad

Visatos

plėtimasis

greitėja

Visatoje

veikia

stūmos jėga

>>>

tamsioji

energija


12/11/2014

32


Medžiagos tankis

E 0

c

3H 2

8G

Barioninės medžiagos tankis ~0.05 c

Tamsiosios medžiagos tankis ~0.30 c

1

0

1 11 1 1 z

c 1

kc2

H2R

2

q 1

2


bm = 0.047 ± 0.006; dm= 0.29 ± 0.07;

k = 0 (CDM modeliai); tot= 1.00 ± 0.02

t0= 13.7 ± 0.3 Gyr

WMAPrezultatai

1

2

3

4

5

Visatos sudėtis

73% tamsioji energija

23% nematoma masė

4% H+He (dujos+žvg)

0.3% neutrinai

0.04% C, N, O,...H0 = 67.2 ± 1.2 km/s/Mpc (WMAP: 71 ± 2.5)Tamsioji materija, DM: 26.8 % (WMAP: 24.0 %)Tamsioji energija, DE: 68.3 % (WMAP: 71.4 %) Normalioji materija, M: 4.9 % (WMAP: 4.6 %)


DIDYSIS SPROGIMAS

Faktai apie Visatą

(paremti stebėjimais)

• Visata plečiasi (homogeniška, izotropiška)

• Kosminė foninė mikrobangė spinduliuotė

• Stambaus masto Visatos struktūra

• Cheminių elementų kiekis po BB sintezės

Big Bang


Sąveikų susivienijimas

Gravitacinė

Silpnoji branduolinė

Elektromagnetinė

Stiprioji branduolinė

12/11/2014

33

Planck laikas, ilgis, masė


43

5~ 10 [ ]P

Gt s

c

35

3~ 10 [ ]P

Gl m

c

8~ 10 [ ]P

cm kg

G

h/2 = 10-34 kg m2 s-1; G = 6.7x10-11 N m2 kg-2; c = 3x108 m s-1


Suvienytų

jėgų Era

Nuo Planck’o

laiko (~10-43 s)

iki

suvienytųjų

jėgų (~10-38 s)


Elektro-

silpnoji

Era

Nuo (~10-38 s)

iki (~10-10 s)


Dalelių

Era

Nuo (~10-10 s)

iki (~10-4 s)

Dalelių ir

antidalelių

skaičius beveik

vienodas

(+1 protonas

109 protonų

antiprotonų

porų!)


Branduolių

sintezės

Era

Nuo (~10-4 s) iki

(~10+2 s)

Medžiaga ir

antimedžiaga

anihiliuoja;

branduolių

sintezė =>

susidaro He

branduoliaiASTROFIZIKA 1992014-12-11

Nukleosintezės era(10

–4s < t < 10+2 s)

• Protonų ir neutronų apsijungimas.

• Po ~3 min. Visata atvėso iki ~109

K ir

He sintezė sustojo

• Visatos barioninės medžiagos sudėtis:

• 77% – H (protonai, p)

• 23% – He (alfa dalelės; 2p + 2n)

• Pėdsakai – D (deuteris; p + n)

• Pėdsakai – Li (litis; 3p + 4n)

12/11/2014

34


Pirmykštė branduolinė sintezė

Kai Visatos tankis ir temperatūra buvo pakankamai dideli,

galėjo vykti termobranduolinės reakcijos

77% vandenilio + 23% helioGalutinis balansas:


Tačiau tuo metu buvo per

mažas medžiagos tankis,

kad galėtų vykti trijų alfa

reakcija...

Per tris pirmąsias Visatos minutes tankis ir temperatūra buvo

pakankamai dideli, kad galėtų susidaryti deuteris (2D), helis

(3He, 4He) bei nedidelis kiekis ličio (Li) ir berilio (Be).


77% vandenilio

23% helio








Pirmykštė branduolinė sintezė, 4He

12/11/2014

35


Pirmykštė branduolinė sintezė, 3He


Pirmykštė branduolinė sintezė, Li


Branduolių

Era

Nuo 3 min. iki

380000 metų


Atomų

Era

t = 380000 metų

kosminė foninė

spinduliuotė –

paskutinė

sklaida –

susidaro atomai

nuo 0.4 mln. m.

iki ~1 mlrd. m.

formuojasi

žvaigždės ir

galaktikos


Galaktikų

Era

t ~ 1 mlrd. m.

baigiasi Visatos

rejonizacija

nuo ~1 mlrd.

m. iki dabar

galaktikų ir jų

spiečių

evoliucija


Galaktikų era (t > 109 m.)

12/11/2014

36


Galaktikų eros pradžia


Ly miškas ir tarpgalaktinė erdvė


12/11/2014

37


Visatos istorija

0 Didysis sprogimas

10-4 s protonų-antiprotonų anihiliacija 1012 K

1 s neutrinų atsiskyrimas 1010 K

100 s helio susidarymas 109 K

0.4 mln. m. vandenilio rekombinacija 3000 K

0.4 mlrd. m. galaktikų formavimasis 30 K

13.8 mlrd. m. DABAR 3 K

Multiverse


astronomy at its best

Documents