HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot...

46
HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Transcript of HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot...

Page 1: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

HOVO cursus Kosmologie

Voorjaar 2011

prof.dr. Paul Grootdr. Gijs Nelemans

Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Page 2: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

HOVO cursus Kosmologie

Overzicht van de cursus:

17/1 Groot Historische inleiding + afstandsladder 24/1 Nelemans Observationele kosmologie, CMB 31/1 Nelemans Friedmann vgl., Nucleosynthese 7/2 Nelemans Donkere materie en Structuurvorming 14/2 Nelemans Supernovae, donkere energie 21/2 Groot Weak lensing, EUCLID, toekomst

Page 3: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

De wet van Hubble

De wet van Hubble

Doppler effect: c

v=

λ

Δλ

v= H 0 d

Page 4: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Het expanderende Heelal

Conclusie: Het Heelal expandeert!

Consequenties: Afstanden worden groter! Vroeger was de schaal kleiner! Het heelal koelt af! Vroeger was het kleiner!

Het heelal is begonnen in een hete Oerknal!

Page 5: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

De hete Oerknal

Hete Oerknal model spectaculair bevestigd:

De expansie van Hubble

De microgolfachtergrond straling

Nucleosynthese van de elementen

Page 6: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

De Afstandsladder

Kosmologie hangt helemaal samen met afstanden

meten in het Heelal

Page 7: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

De Afstandsladder

Aaneenschakeling van methodes:

Radar ranging

Parallax

Variabele sterren (RR Lyrae & Cepheiden)

Maser afstanden

Supernovae

Tully-Fisher & Fundamental Plane

Hubble expansie

Page 8: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Radar/Laser Ranging

Uitgangspunt: lichtsnelheid is constant

Bereik: Zonnestelsel

Page 9: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

De parallax meting

Zon

Aarde

2p

De afstand van de ster: tan p = d / 1 AU ≈ p

d

1AU

Dit is de definitie van de afstandsmaat ‘parsec’ : een ster staat op 1 parsec

afstand als hij een parallax vertoont van 1 boogseconde.

Page 10: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Variabele Sterren

Page 11: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Variabele Sterren

Page 12: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Supernovae Type Ia

Ontbranding van koolstof in witte dwergonder gedegenereerde omstandigheden

Relatie tussenhelderheidsverloop en helderheid!

afstand

Page 13: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Wet van Hubble

0

0

0

λλ=

λ

Δλ+=z

Roodverschuiving

z+1 = 'terug-kijktijd' = a(t)/a(t0)

Fractionele grootte van het Heelal, i.e. op z = 5: grootte heelal 1/6 van nu, etc.

Page 14: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Het heelal in kaart

• Gebruik van de afstandsladder om objecten in het heelal te meten

• Van zonnestelsel, via Melkweg tot grote-schaalstructuur van het Heelal

.

Page 15: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

1 lj

Page 16: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

100 lj

Page 17: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

30 000 lj

Page 18: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen
Page 19: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Andromeda, ruim 2 miljoen lj

Page 20: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

10 miljoen lj

Page 21: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Antennae-

melkwegstelsels(NGC 4038/4039)

63 miljoen lj (z = 0.005)

1500 lj

Page 22: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Coma Cluster 320 miljoen lj

(z = 0.03)

Page 23: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Jaren ’70: surveys

Page 24: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Schuimachtigestructuur!

Page 25: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

DNA

Page 26: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Z = 0.17

Page 27: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

z = 0.7

Page 28: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Sloan Digital Sky Survey

z = 4.75 Quasar

z = 5.0 Quasar

Page 29: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Hubble Deep Field

10 miljard lj

Hubble Deep Field

10 miljard lj

(z = 6)

Page 30: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

13 miljard lj!

(z = 8-10)

Page 31: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Verste objectenGRB at z=8.2

Galxies at z ~ 9

Page 32: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

J drop outs

Page 33: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Hoe ver kunnen we terug?

• Terug in tijd: heelal steeds heter

• Gamow, Alpher (1948)• Mogelijke verklaring elementen

He etc. (temperatuur voor H fusie ~109 K) volgende week

• Bij temperatuur ~10 000 K waterstof ioniseert (p + e-)

• Daarvoor: straling “gevangen” door verstrooiing met electronen

• Daarna: straling beweegt vrij door Heelal

• Door uitzetting Heelal worden fotonen “langer”. Temperatuur daalt, nu T ~ 5K

• Nog zichtbaar?• Jaren 60: Dicke, Peebles

(Princeton) gaan op zoek

.

Gamow

Alpher

Page 34: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

1964 Penzias & Wilson

••

.

Nobelprijs 1974

Page 35: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Jaren ’90: COBE

••

.

Page 36: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Anisotropie in CMB

Temperatuur van de CMB (Cosmic Microwave Background) aan de hemel in kleurcode: 0 K is blauw en 4 K is rood (COBE).Het melkwegvlak loopt horizontaal en het centrum van de figuur is in de richting van het centrum van ons Melkwegstelsel.

Page 37: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Fluctuaties in de CMB-temperatuur aan de hemel op eenschaal tussen 2,724 K (blauw) en 2.732 K (rood) met COBE.

Dipoolanisotropie: T 0,00335 K

Page 38: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Temperatuurfluctuaties na aftrekken van de dipoolcomponent: van blauw naar rood T = 0,000018 K

De rode band is straling van ons Melkwegstelsel.

Page 39: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Fluctuaties in achtergrondstraling!Na aftrek van dipoolcomponent en galactische straling van stof (termisch), heet gas (vrij-vrij),

Page 40: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

WMAP

Page 41: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen
Page 42: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Planck

• Nieuwe ESA satelliet

• Gelanceerd in 2009

(samen met Herschel)

•Gaat nog

gedetailleerdere kaart van

de achtergrondstraling

maken

.

Page 43: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen
Page 44: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

Een gaswolk kan zich slechts samentrekken als zijn interne

gasdrukkracht klein genoeg is ten opzichte van de zwaartekracht:

Jeansmassa

Page 45: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen

WMAP WMAP

structuurvorming uitfluctuaties

Ook: meting uitdijing!

(laatste college)

Page 46: HOVO cursus Kosmologie - astro.ru.nl · HOVO cursus Kosmologie Voorjaar 2011 prof.dr. Paul Groot dr. Gijs Nelemans Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen