Overzicht. Vandaag: Frank Verbunt Het heelal Nijmegen uitdijing heelal theorie: ART afstands-ladder nucleo-synthese 3 K achtergrond.

Transcriptie

1 Vandaag: Frank Verbunt Het heelal Nijmegen 2014 Kosmologie Overzicht uitdijing heelal theorie: ART afstands-ladder nucleo-synthese 3 K achtergrond Boek: n.v.t. Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26

2 Vesto Slipher ontdekt dat sterstelsels van ons af bewegen Eerste meting 1912: Andromeda nevel komt op ons af: v r = 300 km/s. Meeste andere sterstelsels bewegen van ons af: V.M. Slipher, 1917, Proceedings of the American Philosophical Society, vol. 56, p Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26

3 Edwin Hubble: verre stelsels bewegen sneller van ons af v, d moderne snelheid, afstand, v H, d H snelheid, afstand volgens Hubble Hubble 1929 Proceedings of the National Academy of Science, 15, 168 Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26

4 Het heelal in de algemene relativiteits-theorie Einstein 1915 zwaartekracht = versnelling (lokaal) leidt tot waanzinnig ingewikkelde vergelijking die kan alleen worden opgelost voor twee heel eenvoudige gevallen 1: sferische massa in verder leeg heelal (klassieke tests) Schwarzschild vond analytische oplossing! gevolg: theorie zwart gat 2: homogeen, isotroop heelal Het Heelal Copernicaans principe : de zon is niet bijzonder in het heelal Uitgebreid Copernicaans principe : er zijn geen bijzondere plaatsen in het heelal homogeen: overal even grote massa-dichtheid isotroop: in alle richtingen hetzelfde vergelijking wordt dan heel eenvoudig 2e-orde differentiaal vergelijking: 2 integratie-constantes Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26

5 De veldvergelijking van Einstein verdeling massa = kromming v.d. ruimte Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26

6 Kosmologie: theorie voor uitdijend heelal: lokaal kosmologisch principe: heelal is homogeen en isotroop bekijk (uitdijende) bol: de krachten op de bol van alle materie buiten de bol heffen elkaar op; voor de dynamica van de bol hoeft alleen de bol zelf te worden beschouwd de kracht van de bol kan worden beschreven als die van puntmassa in centrum dit geldt zowel in Newtonse theorie als in Einsteins algemene relativiteitstheorie Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26

7 Kosmologie: theorie voor uitdijend heelal Uitdijende bol totale energie mɛ van massa m aan oppervlak: 1 2 mv2 GMm R = mɛ ɛ > 0 eeuwige uitdijing ɛ = 0 eeuwige uitdijing ɛ < 0 uitdijing wordt krimp combineer met Hubble v = HR: uitdijende lokale bol 1 2 H2 R 2 GM R = ɛ kritische dichtheid ρ c : voor ɛ = 0: 1 2 H2 R 2 G 4π R 3 R3 ρ c = 0 ρ c = 3H2 8πG Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26

8 Kosmologie: terzijde jaren 1920 Einstein 1915: sterren (niet sterstelsels) bewegen niet systematisch t.o.v. Zon statisch heelal: oplossing v = 0; kosmologische constante Friedman 1921: dit is niet stabiel (Einstein negeert dit) Lemaître 1927: volgens Slipher dijt het heelal uit: dit volgt ook uit de ART; het heelal is ontstaan uit een enorm oer-atoom, dat ontplofte Georges Lemaître Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26

9 Kosmologie: is het heelal wel homogeen? roodverschuiving z algemeen z λ λ = 1 + v c 1 v c metingen voor kleine snelheden (v c): z λ λ = v c Combineren met de wet van Hubble geeft 1 + z = R(nu) R(toen) cz = km/s z = 0.05 Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26

10 Kosmologie: bepaling van H = meten van afstanden Afstandsladder 1: parallax resultaat: hoofdreeks 2: hoofdreeks-fitten sterhoop 3: Cepheïden 4: supernova Ia afstand uit hoofdreeks getrokken lijn: onderkant hoofdreeks in Hipparcos plot. L v = 4πd 2 f v, varieer d. zwart: 100 pc is te ver; rood: 45 pc is OK Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26

11 Kosmologie: bepaling van H = meten van afstanden Afstandsladder 1: parallax resultaat: hoofdreeks 2: hoofdreeks-fitten sterhoop 3: Cepheïden 4: supernova Ia Cepheiden Sommige Cepheïden hebben een met HIPPARCOS gemeten afstand. In sommige sterhopen zitten Cepheïden: afstand daarvan bekend: gebruik dit om periode-lichtkracht relatie te ijken Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26

12 Kosmologie: bepaling van H = meten van afstanden Afstandsladder 1: parallax resultaat: hoofdreeks 2: hoofdreeks-fitten sterhoop 3: Cepheïden 4: supernova Ia M100 Gebruik Cepheïden om afstanden tot sterstelsels te bepalen. Sommige sterstelsels hebben supernova type Ia: gebruik dit om maximale helderheid te bepalen. Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26

13 Kosmologie: bepaling van H = meten van afstanden Afstandsladder 1: parallax resultaat: hoofdreeks 2: hoofdreeks-fitten sterhoop 3: Cepheïden 4: supernova Ia correctie voor lengte Sommige sterstelsels hebben supernova type Ia: gebruik dit om maximale helderheid te bepalen. Groot programma met Hubble Space Telescoop: resultaat H = 75 km/s/mpc Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26

14 De Big Bang theorie Terugrekenen volgens Gamow een uitdijend gas koelt af het heelal was vroeger dichter en heter dus: kernfusie: alle elementen in vroegste heelal gemaakt (nu: eerste 3 minuten) Alpher, Bethe, Gamow 1948 bij uitdijend gas worden electronen ingevangen door protonen: heelal doorzichtig (nu: na jaar) straling en materie koelen onafhankelijk straling nu 5 á 50 K George Gamow Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26

15 De Big Bang theorie Wat een onzin... Fred Hoyle vindt het onzin geeft model spotnaam: Big Bang wordt geuzen-naam... alle elementen in sterren gemaakt Burbidge, Burbidge, Hoyle, Fowler 1957 Fred Hoyle Uiteindelijk hadden Gamow en Hoyle beiden deels gelijk, deels ongelijk Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26

16 Kosmologie en de aard van donkere materie Kernfusie fusie van waterstof, helium,lithium en deuterium in eerste minuten bij 10 9 K competitie tussen uitdijing en fusie bepaalt de uiteindelijke abundanties expansie-snelheid volgt uit totale (kritische) massa-dichtheid; fusie uit de baryonen-massadichtheid abundanties beperken de verhouding tussen baryonische en kritische massa-dichtheden Baryon-dichtheden ρ b, in verhouding tot de kritische dichtheid ρ c, die kloppen met de gemeten elementabundanties (volgens Steigman 2005) Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26

17 1963: Ontdekking 3 K achtergrond straling Arno Penzias, Robert Wilson COBE / WMAP uit alle richtingen 3 K + dipool=richting eigen beweging Gamow vergeten (?!): Dicke doet theorie Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26

18 3 K achtergrond straling: 3 satellieten Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26

19 3 K achtergrond straling: fluctuaties: 9 yr WMAP variatie over hemel zeer klein: T 10 5 T. Hoe kan dat als de ene kant niet van de andere weet? Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26

20 3 K achtergrond straling: fluctuaties: 1 jr Planck straling uit voorgrond (Melkweg) moet verwijderd worden... Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26

21 3 K achtergrond straling: fluctuaties: 1 jr Planck straling uit voorgrond (Melkweg) verwijderd... Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26

22 3 K achtergrond straling: resultaten satelliet WMAP 9jr Planck Hubble constante 70(2) km/s/mpc 67.9(1.5) leeftijd heelal 13.7(1) Gjr 13.78(6) Gjr baryon dichtheid 0.046(2) (4) donkere materie 0.233(2) 0.257(5) donkere energie 0.721(25) 0.693(19) Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26

23 Kosmologie: theorie van achtergrond naar struktuur Krimpen in Uitdijende bol de kosmische achtergronds-straling is zeer homogeen en isotroop (1 op honderdduizend) clusters van sterstelsels zijn sterke verdichtingen, ze zijn ook al heel oud om deze snelle vorming te verklaren hebben we hoge materie-dichtheid nodig: donkere materie achtergrond over hele hemel zelfde: inflatie Vorming van structuur in het heelal Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26

24 Heet gas tussen clusters van sterstelsels: XMM Warm-hot intergalactic matter: WHIM de snijpunten van de filamenten vormen de clusters van sterstelsels kunnen we de filamenten zelf zien? beste kans als je langs een filament kijkt: dubbelcluster met XMM gelukt! (Werner ea 2008) Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) (Werner etheelal al. 2008) Het Nijmegen, 12 maart / 26

25 Kosmologie: de geschiedenis van het heelal Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26

26 Kosmologie: toepassing van bekende natuurkunde? samenvatting alle waarnemingen passen in coherent beeld maar ten koste van drie ad hoc aannamen: inflatie in zeer vroege heelal bestaan van donkere materie bestaan van donkere energie Toekomst (Planck satelliet:) nauwkeurige meting 3 K straling: details van inflatie versneller Genève: donkere materie? donkere energie???? Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 maart / 26