Uitdijing van het heelal - home.strw. israel/Kosmos_AF.pdf · PDF file• Heelal begon...

Click here to load reader

  • date post

    16-Oct-2019
  • Category

    Documents

  • view

    2
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of Uitdijing van het heelal - home.strw. israel/Kosmos_AF.pdf · PDF file• Heelal begon...

  • Uitdijing van het heelal • Zijn we centrum van de expansie? Nee • Alles beweegt weg van al de rest:

    – Alle afstanden worden groter met zelfde factor a(t)

    a∆

    2∆ 2a∆

    4∆

    4a∆

    H

  • Uitdijing van het heelal

    Tijd →

    a(t)

    a(t)

    (da/dt)2

    0

    C > 0

    da/dt → const

    C = 0 da/dt → 0

    C < 0

    keerpunt

    OERKNAL

  • De kritische dichtheid

    • Kritische dichtheid is grens tussen heelal dat terug ineenklapt, en oneindige expansie

    • Waarde: 10-26 kg m-3 (~5 H atomen /m3) • Notatie: Ω ≡ ρ/ρcrit

  • Heelal met kritische dichtheid Ω=1

    H0=70 → t0~10 miljard jaar Leeftijden van bolhopen zijn ~14 mljd jr !?

  • De leeftijd van het heelal • Hubble const is de huidige

    waarde van da/dt • Verschillende Ω geven

    verschillende vormen a(t) • Dus verschillende

    extrapolatie naar t=0

    • Ω=1: t0=2/(3H0) • Ω=0: t0=1/H0 • Ω>1: t0

  • Relativistische cosmologie • Formule voor a(t) geldt ook in algemene

    relativiteitstheorie (GR). • Massa veroorzaakt kromming van de ruimte

    – Te meten door hoeken van een driehoek op te tellen:

    • >180°: positieve kromming (bol) • =180°: vlak •

  • De Cosmologische constante • Einsteinvergelijking:

    Kromming van ruimte-tijd = energiedichtheid + Λ – Geeft extra term in expansievergelijking

    – Bij grote a domineert Λ term: exponentiele expansie

    – Een open heelal kan nu toch vlakke geometrie hebben

    a(t)

  • Cosmologische roodverschuiving • Roodverschuiving van licht

    1+z = λwaarneming /λemissie = 1 + δλ / λ • Verschillende manieren om roodverschuiving te

    interpreteren: – Doppler-effekt

    • z = V / c = H0 D / c = H0 δt

    – Expansie van golflengte met heelal • z = a0/a(t)-1 = δa ~ da/dt δt = H0 δt

    – Beide zijn correct!

    • Roodverschuivings-survey = terugkijken in tijd, toen heelal factor (1+z) kleiner was.

    temissie - twaarneming

  • Supernova-afstanden • Ook de piek

    helderheid van supernovae kan gebruikt worden als een standaard. – Blijkt nauwkeurig

    te calibreren – Grote helderheid,

    dus tot heel ver te gebruiken

    Riess et al 1996, ApJ 473, 88

  • Deceleratie van het heelal • Afhankelijk van Ω, wordt de expansie snel of

    langzaam afgeremd – Lage dichtheid: weinig deceleratie – Hoge dichtheid: sterkere deceleratie

    • Kan worden gemeten door de Hubble relatie op grote afstand te bepalen

  • Deceleratie van het heelal H

    el de

    rh ei

    d =

    af st

    an d

    = tij

    d ge

    le de

    n

    Roodverschuiving (grootte nu/toen –1)

    deceleratie

    acceleratie

    ?! acceleratie

  • Supernovae en cosmologie • Supernovae suggereren acceleratie van

    de expansie – Dus geen afremmende aantrekking, maar

    een soort druk – ‘Donkere Energie’

    • Cosmologische constante in Einstein vgl • Of nieuwe soort energie in het vacuum

    – Puzzel voor fundamentele fysica!

  • Leeftijd van het heelal (II) • Acceleratie: Hubble

    constante was vroeger kleiner

    • Meer tijd sinds de oerknal

    • Past beter met de leeftijden van sterren

    Ω=0, 1, 2

  • Gewone materie (barionen) • Kernreacties in vroege heelal maken de lichte elementen H, He,

    Li, Be, … uit oorspronkelijke protonen en neutronen

    • Dit gebeurt in uitdijend heelal, waarin dichtheid en temperatuur voortdurend dalen

    • Op zeker moment zijn temperatuur en dichtheid zo laag dat reactietijd langer wordt dan de gemiddelde tijd tussen botsingen van deeltjes en/of fotonen: reactie stopt

    • De kernproductie die uit de oerknal voortkwam is dus een gevoelige indicator voor de dichtheid van neutronen en protonen in het vroege heelal

    • Conclusie van berekeningen: `normale’ materie is slechts 4% van de critische dichtheid.

  • Donkere materie • Massas van clusters geven M/L verhoudingen rond de

    300. Dat is ongeveer 30% van de critische dichtheid. 30% >> 4% !

    • Het heelal bestaat dus grotendeels uit donkere, niet- barionische materie

    • De donkere materie zorgt voor de vorming van grote- schaal structuur

    • Klopt zelfs in detail als je aanneemt dat de donkere materie `koud’ is, dwz lage snelheden!

    • Enorme computersimulaties

  • Donkere materie in cosmologie • Ten opzichte van algemene uitdijing lopen de hoge-

    dichtheid gebieden wat achter, hun dichtheid wordt groter t.o.v. omgeving

    • Dus clusters ‘vallen uit de expansie’ • Vormen eerst, daarna blijven ze materie uit omgeving

    aantrekken • Patroon van stroming langs filamenten naar clusters

    (afwijkingen van de Hubble-stroom)

    • Donkere materie is nodig om structuur te vormen • Sterkte van de afwijkingen is een maat van Ω • Resultaat: Ω ~ 0.3

  • De Kosmische Achtergrondstraling (CMB)

    • Voorspeld ~1940, ontdekt ~1965 – Koude (T~2.76 K) zwartlichaamstraling uit de

    hemel. – Stamt van de tijd dat straling en materie sterk

    gekoppeld waren (veel interacties), in een heet plasma. T∝(1+z)

    – Sinds roodverschuiving ~ 1100 is het heelal transparant voor deze straling (meeste H is dan neutraal, geen vrije electronen)

    – Vormt dus een beeld van heelal op z=1100 – Kleine temperatuurfluctuaties, als gevolg van

    dichtheidsfluctuaties toen

  • Minus Galactisch vlak : Temperatuurvariaties ~ 0.001%

    COBE (COsmic Background Explorer)

    Temperatuurvariaties ~ 0.1% Dipool = effekt van onze beweging t.o.v. Hubble stroming

    Minus dipool : Galactisch vlak nog zichtbaar

  • Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP)

    • 30x scherper beeld dan COBE • Bevestigt de grote-schaal metingen van

    COBE

  • CMB fluctuatie spectrum • = sterkte van fluctuaties op

    verschillende schaal aan de hemel

    • Reeks van pieken, op verschillende schaal

    • Eerste piek = hoekgrootte van heelal op z=1100

  • Bepalen van Ω en Λ • Combinatie van de

    informatie uit supernovae, en uit CMB spectrum

    • Wijst op een heelal met 70% donkere energie (Λ), 26% donkere materie, en 4% normale materie

    • Combinatie perfect vlak!

    • Bijna alles bestaat dus uit onbekende fysica!

  • Inflatie • Twee verrassingen:

    – Het heelal is vlak • Niet-vlakke geometrie wordt steeds gekromder

    – Het heelal is erg homogeen op grote schaal

    • Maar we hebben nu pas voor het eerst contact met de verste melkwegstelsels

    • Een vroege periode van snelle expansie ‘inflatie’ lost beide problemen op

  • Horizons

    • We zien A toen het nog geen contact met ons gehad kon hebben

    • We zien B toen dit contact net begon • Bij C en D was contact al mogelijk

    • Hoe kan het dat het heelal op hoge z toch homogeen is?

    Tijd →

    signaal van t~0 (snelheid c) A

    B

    C

    D

    Informatie kan niet sneller reizen dan licht

    Stelsels in uitdijend heelal

    Afstand

    Licht dat we nu waarnemen

    Eerste contact met D wij

    nu

  • Inflatie vergroot de horizon • Aan het begin een accelererende expansie

    • Contact mogelijk in het vroege heelal

    • Dus homogeniteit is te verwachten

    Hier was wel contact mogelijk

  • Inflatie en kromming • Inflatie ‘blaast heelal op’ en verlaagt zo de

    kromming. Dus een vlak heelal is natuurlijke uitkomst

    • Fysica van inflatie ?? – Fase-overgang in het vacuum waarbij energie

    vrijkomt (analoog aan smelten van een kristal) – Deze `vacuum energie’ is een soort druk, met

    zelfde effect als een cosmologische constante

  • Samenvatting • Heelal begon ca. 14 miljard jaar geleden in hete oerknal

    • In het heel vroege heelal was er een periode van exponentiele inflatie, die het heelal een vlakke geometrie gaf

    • Bij het uitdijen daalden temperatuur en dichtheid, tot uiteindelijk atoomkernen gevormd werden (‘first 3 minutes’) (T~109 K)

    • Plasma wordt doorzichtig bij z~1100 (T~3000K, 300,000 jaar)

    • Grote-schaal structuur begint te vormen in de donkere materie vanaf z~10 (~ miljard jaar)

    • Melkwegstelsels vormen vanaf zelfde tijd

  • Toekomst? • Oneindige uitdijing

    • Afkoeling

    • Stervorming loopt dood, veel dode sterren over

    • Verdampen heel, heel traag

    • Uiteindelijk een ijl, structuurloos heelal