dabas vesture - natural historyhome.lu.lv/~kberzins/astrolekcijas/kberzins_dabas...ievads...
TRANSCRIPT
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 1
DABAS VĒSTUREI daļa (5 lekcijas) Kosmiskā evolūcija
Kārlis Bērziņš[email protected]
3. lekcija. Reliktais mikroviļņu fona starojums.
2007.09.10.
DABAS VĒSTUREI daļa (5 lekcijas) Kosmiskā evolūcija
Kārlis Bērziņš[email protected]
1. Ievads kosmoloģijā.2. Visuma evolūcijas pamati.3. Reliktais mikroviļņu fona starojums.4. Visuma struktūras veidošanās un attīstība.
Alternatīvās kosmoloģiskās teorijas.5. Zvaigžņu fizikas pamati.
Saules sistēmas kosmogonija.
2007.09.10.
Kursa I daļas temati:
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 2
DABAS VĒSTURE3. lekcija
• Reliktā starojuma rašanās fizikālais mehānisms. • Reliktā starojuma atklāšana.• Absolūti melns ķermenis. Mikroskopiskas anizotropijas. • Mikroviļņu fona novērojumu eksperimenti
uz Zemes virsmas, atmosfērā un kosmosā.• Reliktā starojuma informācijas nozīmīgums kosmoloģijā.
2007.09.10.
Lekcijas temati:
Reliktais mikroviļņu fona starojums.
300 000
gadi
CMBR, CMB – cosmic microwave background radiation.
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 3
Visuma evolūcija (atkārtojums)
T = 3000 K ⇒ RekombinācijaStarojums atdalās no vielas = reliktais starojumsT0= 2.728 ± 0.004 K
(T = 6000 K)
COBE Apmēram tajā pašā laikā iestājas matērijas ēra:
Visums ir ļoti homogens 1:100000No šīm nehomogenitātēm izaug Visuma struktūra!
Rekombinacijas virsmaHorizonta rādiusa leņķiskie izmēri:
θHorizonts~2º
Pēdējās izkliedes virsma
z~1000
aukstāks
karstāks
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 4
Mikroviļņu fona jeb reliktais starojums
G.Gamow un R.Dicke paredzēja ~5K relikto starojumu jau 1940. gados.
Saīsinājumi: CMB vai CMBR – Cosmic Microwave Background Radiation
Adams (1941) konstatēja ierosinātas starpzvaigžņu CN molekulas, McKellar (1941) novērtēja starojuma lauka T=2.3K @ λ=2.64mm.
1964 g. sākumā Robert H. Dicke, P.J.E. Peebles, P.G.Roll, D.T.Wilkinson grupa uz Princtonas universitātes jumta iesāka būvēt pirmo CBR eksperimentu.
“Well boys, we’ve been scooped!”
Reliktā starojuma atklāšana
Interesanti, ka dažus % no TV trokšņa veido reliktais starojums!
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 5
Reliktā starojuma atklāšana
7.35 cm radio viļņa sakaru eksperimentos Penzias un Wilson konstatēja lieku 3.5K troksni, no kuriem
0.5K – dēļ baložiem3K – ?
Nobela prēmija fizikā 1978. gadā.
2006. gada Nobela prēmija fizikā
par kosmiskā mikroviļņu fona starojuma absolūti melna ķermeņa formas
un anizotropiju atklāšanu
John C. Mather George F. Smoot
T = 2.725 ±0.002 K
± 30μK rms
θ = 7º
DMR: 90, 53, 31.5 GHz (3.3, 5.7, 9.5 mm)
Mather et al. 1999
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 6
COsmic Background Explorer COBE
• Darbs pie projekta iesākās jau 1974. g.
• 1989.g. 18. novembrī Delta nesējraķete veiksmīgi ievadīja COBE vajadzīgajā orbītā ap Zemi.
• +10 gadi, risinot datu apstrādes problēmas.
COBE orbīta
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 7
Datu apstrādes problēmas• Liels datu apjoms• Nepieciešami jauni algoritmi
Hu & Dodelson 2002
COsmic Background Explorer COBE
3 instrumenti:• DIRBE • DMR• FIRAS
DIRBEFIRAS
DMR
Observatorijas
izmēri ar Saules paneļiem: 8.5 m;
augstums: 5.5 m;
svars: 2.300 kg
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 8
DIRBE
Diffuse InfraRed Background ExplorerProjekta vadītājs: Mike Hauser
Uzdevums: mērīt IS fona intensitāti.
DIRBE
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 9
FIRAS
Far InfraRed Background ExplorerProjekta vadītājs: John Mather
Uzdevums: mērīt CMB spektrālo sadalījumu 0.1-10 mm
Perfekts absolūti melns ķermenis
Mather et al.1990
T = 2.735 ± 0.060 K
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 10
Perfekts absolūti melns ķermenis
( ) 1/exp12/ 5
2
−=
kThchcddF
λλλ
F = σ Teff4
Perfekts absolūti melns ķermenis
Kļūda ir 400σ !!!
FIRAS0,1-10 mm
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 11
Perfekts absolūti melns ķermenis
Mather et al. 1999: T = 2.725 ± 0.002 K
Lielais Sprādziens apstiprināts
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 12
Lielais Sprādziens apstiprinātsReliktais starojumsT = 3 K1:100 000 fluktuācijasmm-cm viļņu diapazons400 fotoni cm-31013 fotoni sekundē caur cm2
DMRDiferential Microwave Radiometer
Projekta vadītājs: George SmootUzdevums: mērīt anizotropiju @ 3, 6 un 10 mm.
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 13
CBR anizotriopija
∆T= ~30 µK @ ∆θ=10° (∆T= ~90 µK @ ∆θ=1/2°)
COBE DMR
CMB anizotropijaDipola moments
100% 3 K
0.1% 3 mK
v
20 µK
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 14
CMB anizotropijaDipola moments
100% 3 K
0.1% 3 mK
v
Saules sistēma kustas attiecībā pret CBR Lauvas zvaigznāja virzienā 371±0.5 km/s.
Dipola ∆T = ± 3.3 mK
CMB anizotropijas
Fluktuācijas 1:105 DMR: 90, 53, 31.5 GHz (3.3, 5.7, 9.5 mm)
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 15
CMB anizotropijas
Zeme, kāda tā tiktu novērota ar COBE izšķiršanas spēju
Ted Bunn
COBE vs. WMAP
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 16
COBE vs. WMAP
CBR spektrs pirms 2003
Teorētiski iespējams precizēt
visus kosmoloģiskosparametrus.
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 17
... un 2007. gadāWMAP 3 gadi
CMB jaudas spektrs
IR iespējamsprecizēt visuskosmoloģiskos
parametrus!
WMAP 2 gadi
Ani
zotr
opija
s ja
uda
(µK2
)
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 18
Jaudas spektrsSfēriska harmonika
0
1
2
Sfēriskā harmonika
Clem Pryke
Deg
ree
l
Order m
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 19
CMB jaudas spektrs
Clem Pryke
Individuāli multipoli Kumulatīvi multipoli
33 GHz41 GHz
WMAP 3 gaduattēli
23 GHz
61 GHz94 GHz
Marts 2006.
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 20
CBR polarizācija
WMAP 2006
WMAP datu apstrāde
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 21
Daži svarīgākie CMB novērošanas eksperimenti
• Zemes eksperimenti:DASI
• Balonu eksperimenti:BOOMERanGMAXIMA
• Kosmiskie eksperimenti:COBE (COsmic Background
Explorer) 1989-1992WMAP (Wilkinson
Microwave Anisotropy Probe) kopš 1991.g.Planck (COBRA/SAMBA) –
plānots 2008g. 31.jūlijā1
MAP foto
Tenerifes eksperimentsCMB eksperiments
(1984-2000)Kanāriju salās
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 22
CMB eksperiments (1984-2000)
Kanāriju salās
Tenerifes eksperiments
Bērziņš 1997
DASIThe Degree Angular
Scale Interferometer
Antarktikas eksperiments
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 23
TopHatBalona Eksperiments
TopHatBalona Eksperiments
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 24
BOOMERanGBaloon Observations of
Milimetric Radiation and Geophysics
WMAPDelta II raķetes starts
2001.g. 30. jūnijā
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 25
WMAP orbīta pie L2 Starts
-300 300
PlanckPlanckPlanck simul’etais CMB att’elssalidzinot ar COBE.
WMAP 2 gadi
-300 300 -300 300
WMAP 8 gadi
-100 100
Cobe
Planck 1 gads
-300 300
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 26
WMAP un Planck jūtība
W.Hu
Kosmoloģisko parametru precizēšanaKosmoloģiskie parametri nav neatkarīgi, bet ir saistīti savā starpā!
Planck Phase A study
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 27
DM un CMB fluktuācijasDodelson 2001
Barioniskās matērijasdaudzums
W.Hu
Kosmoloģiskieparametri
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 28
Matērijas daudzums
W.Hu
Kosmoloģiskieparametri
WMAP
No James Schombert
Visums sastāv no:
Teorētiski iespējams precizēt
visus kosmoloģiskosparametrus.
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 29
Visuma rejonizācija modelisPage et al.
The line marked "x" is the ionization fraction, x=ne/nwhere ne is the number of electrons and
n=11.2ωb(1+z)3 m-3is the number of protons with ωb the baryon density.
Mikroviļņu debess galvenie avotiHinshaw et al.
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 30
Sunajeva-Zeļedoviča efekts
Adopted from L. Van Speybroeck
SZ efekts
CMB• WMAP
Tegmark
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 31
Kosmoloģisko parametru vērtības Bennett et al. 2003
± ±
Visuma evolūcija