1. No category

13.12.2010
Paikkamme
universumissa?
Matka tunnetun maailmankaikkeuden läpi (kesto n. 6 min)
1
13.12.2010
Tähtitaivas: missähän me oikeastaan
olemme ?
A
u
r
i
n
k
o
k
u
n
t
a
2
13.12.2010
Lähimmät tähdet
20:n valovuoden etäisyydellä
3
13.12.2010
250:n valovuoden etäisyydellä
Paikkamme linnunradassa
4
13.12.2010
Linnunrata
Linnunradan seuralaisgalaksit
5
13.12.2010
Paikallinen ryhmä
Lähin suuri galaksijoukko: Neitsyen
galaksijoukko
6
13.12.2010
Suuren mittakaavan rakenteet
Kosminen mittakaava
7
13.12.2010
Kosmologia
Kosmologia tutkii maailmankaikkeuden rakennetta ja sen syntyä.
Rakenteesta voi myös tehdä johtopäätöksiä sen tulevaisuudesta.
Jokaisella kansakunnalla on oma vanha maailmansyntyteoria ja
luomiskertomus, mutta tiede vastaa tähän havaintojen perusteella.
Nykykosmologialla on apunaan enemmän ja kauemmas ulottuvia
havaintoja maailmankaikkeudesta kuin esiesi-isillämme. Avaruuden
kohteita tutkitaan paitsi näkyvän valon antamien kuvien myös sitä
pitempien infrapunainfrapuna- ja radioaaltojen ja lyhyempiaaltoisten
ultravioletti--, röntgenultravioletti
röntgen- ja gammasäteilyn avulla.
Spektriviivojen punasiirtymää pidetään kaukaisten kohteiden
etääntymisestä johtuvana. Kaukaisimmat havaitut kohteet ovat yli
kymmenen miljardin valovuoden päässä.
Kosmologia
Kosmologian perusolettamukset:
1.Suuressa mittakaavassa paikalliset rakenteellisuudet ovat
mitättömiä:
Maailmankaikkeus on Homogeeninen (aine on
tasaisesti jakautunut)
2.Oma paikamme maailmankaikkeudessa ei ole mitenkään
erityinen
Maailmankaikkeus on Isotrooppinen (kaikissa
suunnissa samanlainen)
8
13.12.2010
Lyhyesti erityisestä
suhteellisuusteoriasta
Ennen yleistä suhteellisuusteoriaa ja modernia kosmologiaa
Einstein julkaisi vuonna 1905
Suhteellisuusperiaate: Fysiikan lait ovat samat jokaisessa
tasaisella nopeudella liikkuvassa koordinaatistossa.
Avaruudessa ei siis ole mitään toisia parempaa
erityispistettä tai suuntaa, jonka voisi määrätä olevan
paikaltaan tai nopeudeltaan nolla.
Valonnopeus (vapaassa avaruudessa eli tyhjiössä) on
sama kaikille havaitsijoille, eikä riipu valon lähteen
nopeudesta.
Ei sisällä painovoimaa!!
Lyhyesti erityisestä
suhteellisuusteoriasta
Näistä periaatteista seuraa:
kappaleen liikkuessa lähellä valon nopeutta aika
kulkee yhä hitaammin
kappaleen pituus pienenee liikkeen suunnassa, kun se
liikkuu
E = γmc2, missä
9
13.12.2010
Kosmologian kehitysvaiheet
Yleinen suhteellisuusteoria 1916
(kosmologinen vakio)
Friedmannin kosmologiset mallit ja
alkusingulariteetti 1922
Gamov yhdisti ydinfysiikan ja
Friedmannin mallit 1946. Kosminen
taustasäteily ennustettiin.
Tämä unohdettiin, mutta kosminen
taustasäteily löydettiin sattumalta
vuonna 1964 (Arno Penzias ja Robert
Wilson)
Alkuräjähdys
Alkuräjähdys ei tapahtunut missään erityisessä avaruuden
kohdassa, vaan tapahtui yhtä aikaa kaikkialla
kaikkialla..
Alkuräjähdys tapahtui n.13,7 miljardia vuotta sitten. Alkuun
maailmankaikkeuden laajeneminen hidastui. Viime vuosina tehdyt
havainnot ovat osoittaneet, että hidastuminen päättyi 6 miljardia vuotta sitten ja sen
jälkeen alkoi kiihtyvä laajeneminen!
380 000 vuotta alkuräjähdyksestä mikroaaltotaustan fotonit
lähtivät liikkeelle jokaisesta avaruuden pisteestä.
Maailmankaikkeus, joka suhteellisuusteorian mukaan
hetkellä nolla oli yhdessä matemaattisessa pisteessä, saattoi
heti synnyttyään olla jo ääretön. Lämpötila ja tiheys olivat
hyvin suuret.
10
13.12.2010
Alkuräjähdys
Maailmankaikkeuden materian koostumus?
Suurin osa kaikesta aineesta on vetyä. Kaikki helium ei ole voinut
syntyä tähdissä ja laskut osoittavat, että heliumia syntyi alle 25 %
ensimmäisten minuuttien kuluessa. Kaikki neutronit tulivat
käytetyiksi heliumiin ja vähäisessä määrin raskaaseen vetyisotooppiin
deuteriumiin. Myös litiumia ja berylliumia syntyi hieman.
Loput alkuaineet ovat syntyneet tähdissä. Supernovaräjähdykset
levittävät aineet tehokkaasti ympäristöön. Auringossa oli noin 2 %
heliumia raskaampia aineita.
Mutta nykyään tiedetään, että näkyvää ainetta on vain 4,4 %. Tämä
tiedetään mikroaaltosäteilyn ominaisuuksien perusteella. Loppu
"pimeä" aine vaikuttaa äärimmäisen heikosti tavallisen aineen kanssa.
Deuterium (21H), Helium-3 (32He), Helium-4 (42He), Lithium-7 (73Li)
Maailmankaikkeuden kehityksen
vaiheet
? Alkuräjähdys
Me
Tähdet ja
galaksit
muodostuvat
Vetyä ja
atomeja
Tähtien
ympärille
kehittyy
planeettoja
Raskaampia
alkuaineita
Osa tähdistä
kuolee ja
räjähtää
supernovina
11
13.12.2010
Hubblen laki
Punasiirtymä
Äänelle Dopplerin ilmiö on jokaiselle tuttu arkipäivän
kokemuksista. Äänilähteen taajuus muuttuu sen liikkuessa
havaitsijan suhteen. Tämä johtuu siitä, että liikkuvan
äänilähteen lähettämät ääniaallot ikään kuin pakkautuvat sen
edellä tiheämpään ja takana harvempaan.
Sama ilmiö havaitaan myös valolla, jos havaitsija ja valolähde
liikkuvat toistensa suhteen. Kohti tulevan valonlähteen valo on
lyhytaaltoisempaa eli sinisempää ja etääntyvän pitkäaaltoisempaa,
punaisempaa. Kaukaisten galaksien valon aallonpituudet ovat
pidentyneet. Ilmiötä sanotaan punasiirtymäksi.
Galaksien spektri ja punasiirtymä
PHYS134 - Astronomy
Fundamentals
12
13.12.2010
Hubblen laki
Kun Hubblen laki tulkitaan Dopplerin ilmiön avulla nähdään, että
galaksit etääntyvät toisistaan sitä nopeammalla vauhdilla mitä
suurempi niiden välimatka on. Punasiirtymän
z= (λ-λ0)/λ0 (λ on havaittu aallonpituus ja λ0 on kohteen
lähettämä aallonpituus)
avulla Hubblen laki voidaan kirjoittaa muotoon
z=(H/c) r,
missä c=valon nopeus, H=Hubblen vakio ja r=galaksin etäisyys.
Pienillä nopeuksilla v<<c voidaan Dopplerin ilmiölle käyttää
kaavaa z = v/c, joten Hubblen laki saa tavallisesti käytetyn
muodon
v = Hr
Hubblen laki
H on noin 73 km/s/Mpc.
13
13.12.2010
Hubblen laki
Hubblen lain mukaisesti kaikki galaksit siis
loittonevat toisistaan (keskimäärin).
Tämä johtuu siitä, että maailmankaikkeus itse
laajenee ja on ollut alussa yhdessä pisteessä,
mistä maailmankaikkeus on saanut alkunsa.
14
13.12.2010
Laajenemisella ei ole mitään tiettyä pistettä missä se tapahtuu,
vaan se ilmenee kaikkialla ja jokaisessa pisteessä näyttää että
muut galaksit loittonevat samalla tavalla.
15
13.12.2010
Alkuräjähdys
Kosminen inflaatio
Suhteellisuusteorian mukaan taivaalla näkyy nyt noin sata tuhatta
sellaista aluetta, jotka mikroaaltotaustan syntyhetkellä eivät vielä olleet
ehtineet olla kausaaliyhteydessä toisiinsa. Miten niiden lähettämän
mikroaaltosäteilyn lämpötila on sama?
Alan Guth julkisti inflaatioideansa vuonna1980. Guthin mukaan
maaailmankaikkeudessa oleva piilevä energia voi tietyissä olosuhteissa
olla säteilyenergiaa paljon suurempi niin, että se voi määrätä koko
maailmankaikkeuden kehityksen. Maailmankaikkeus laajenisi
eksponentiaalisen nopeasti, siis paljon nopeammin kuin valo.
valo. Tämä
35
tapahtui noin 10 sekuntia alkuräjähdyksen jälkeen. Tätä Guth
kutsui kosmiseksi inflaatioksi.
Kosmologia
Alkuräjähdysteorian taustalla olevat tärkeimmät havainnot:
1. Yötaivas on pimeä
2. Yleinen suhteellisuusteoria on läpäissyt kaikki testit
3. Maailmankaikkeus laajenee: v=Hr (Hubblen laki).
4. Havaittu maailmankaikkeus on isotrooppinen (~100 Mpc)
5. Pallomaisten tähtijoukkojen ikä (vanhimpia kohteita) ~1/H0
6. Lähes isotrooppinen 2.7K:n mikroaalto taustasäteily, millä on
mustan kappaleen säteilyjakauma.
7. Heliumin runsaus tähdissä (pienin metallisuus) ~25% (massa).
8. Muiden kevyiden alkuaineiden havaitut pitoisuudet ovat: ~10-5
(D, 3He), ~5x10-10 (7Li)
16
13.12.2010
Video maailmankaikkeuden
synnystä
Maailmankaikkeuden historia
?? Kvanttigravitaation kuvaama kausi (Planckin kausi). Ei teoriaa
olemassa.
10-43 s Planckin kausi päättyy
10-38 –10-35 s Inflaatio. Nykyinen maailmankaikkeus tyhjä.
Hiukkaset alkoivat syntyä avaruuden energiasta.
10-11 s Sähköheikko faasitransitio, jossa alkeishiukkaset saavat massan.
Aineen ja antiaineen epäsymmetrian (~ 10-10) synty eli
baryonigeneesi.
10-5 s Protonit ja neutronit syntyvät kvarkeista (QCD- faasitransitio).
1 s Elektronit ja positronit annihiloituvat säteilyksi.
3 min Kevyiden alkuaineiden H, He, Li synty eli nukleosynteesi.
380000 yr Atomit muodostuvat eli tapahtuu rekombinaatio.
Kosminen taustasäteily syntyy.
1 Gyr Ensimmäiset tähdet ja kvasaarit syntyvät
13.7 Gyr Nykyhetki
17
13.12.2010
T~3000K ja nykyisin n. 3K
18
13.12.2010
Aallonpituus ~1mm
Erisuuruinen gravitaatiokenttä aiheuttaa erilaisen gravitaatiopunasiirtymän CMB
fotoneille ja tästä aiheutuvat vaihtelut CMB kartassa.
Multipolispektrin piikkirakenne syntyy fotonien
ja baryonien taistelusta: fotonit pyrkivä
paineellaan hajoittamaan baryonikeskittymiä,
baryonit taas gravitaation vaikutuksesta
synnyttämään niitä.
19
13.12.2010
Planck (2010) mittaa mikroaaltotaustasäteilyä
entistä tarkemmin. Suomalaiset ovat vahvasti
mukana projektissa.
CMB videot
20
13.12.2010
Maailmankaikkeuden kohtalon
määrää ns. tiheysparametri
tiheysparametri:: Ω0
Paras arvio Ω0::lle
Ω0 tavallinen näkyvä aine= 0.04
Ω0 pimeä aine = 0.23
Ω0 pimeä energia Λ0 = 0.73
Ω0 yhteensä = 1.0 Laakea
maailmankaikkeus
21
13.12.2010
Maailmankaikkeuden “suurimmat
suurimmat””
arvoitukset
Noin 90% materiasta on pimeää ainetta
ainetta,, jonka
koostumus on tuntematon
tuntematon.. Tätä etsitään
CERN:issä..
CERN:issä
Pimeä energia on vielä suurempi arvoitus ja sen
osuus maailmankaikkeuden kokonaisenergiasta on
75 % …. mitä se on ja mistä se aiheutuu ….???
Pimeä energia näyttäytyy gravitaation vastaisena
voimana.. Olemassaolo ja vaikutus on havaittu
voimana
supernovien etäisyyksien mittauksista!
mittauksista!
Kosmologian tutkimus
CMB:n tutkimus (spektri ja fluktuaatiot)
fluktuaatiot)
Suuren mittakaavan rakenteiden tutkimus
Supernovahavainnot
Kosmologiset simulaatiot
22
13.12.2010
Kosmologia
ΛCDM-mallin tärkeimmät havaintotodisteet:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Maailmankaikkeuden rakenne: galaksit, galaksijoukot, superjoukot
Suurin osa maailmankaikkeuden massasta on pimeää
Pimeän Massan osuus on n. 30% kriittisestä tiheydestä
Galakseja ja kvasaareita on havaittu punasiirtymältä z ~6 ja
kauempaa
CMB fluktuaatiot ovat n. 10-5 luokkaa
Hubblen vakion havaittu arvo on n. H0~70km s-1 Mpc-1, eli 1/H0~
14 Gyr.
Supernovahavainnot ovat osoittaneet, että kosminen laajeneminen
on kiihtynyt viimeisten 5 Gyr aikana
CMB havinnoista saatu tehospektri on ennusteiden mukainen ja
fluktuaatiot ovat jakautuneet Gaussin jakauman mukaisesti
Pienten punasiirtminen mittaukset aineen jakaumasta ovat teorian
ennusteiden mukaisia (galaksien jakautuminen, heikot
gravitaatiolinssi havainnot, Ly-α havainnot)
23