5 Juli HOVO-Utrecht

Transcriptie

1 Mysteries rond de Oerknal John Heise, SRON-Ruimteonderzoek Nederland in Utrecht zie Mysteries rond de Oerknal John Heise, SRON-Ruimteonderzoek Nederland in Utrecht zie [Hubble Ultra Deep Field, een maandenlange belichting [een netwerk van Donkere Materie.(zwart) uit computer-simulaties. op een donker stukje hemel (1/10 grootte van de volle maan) om de allerzwakste en aller verste sterrenstelsels te zien, zoals die er kort na de Oerknal en dus kort na hun vorming uitzagen Op de kruispunten ontstaan sterrenstelsels en clusters van stelsels. Gewone materie (geel) drijft mee met de Donkere Materie. 5 Juli 2019 HOVO-Utrecht inhoud 5 Juli 2019: expansie van de ruimte 12 Juli 2019: de verschillend mogelijke Oerknallen 19 Juli 2019: Mysteries en oplossingen, wat was er vóór de Oerknal, wat is de oorzaak van de 'knal' Heelalmodel expansie van de ruimte Grootste ontdekking in de sterrenkunde van de 20e eeuw -Wat zien wij ver weg in het heelal? -Wet van Hubble/ Hubble tijd / Hubble afstand -Expansie sneller dan het licht -De horizon van het heelal -Geometrie: Hoekafstand en Helderheidsafstand Heelalmodel: begrijpen hoe de wereld bij elkaar wordt gehouden Belangrijkste kracht op grote afstand: begrijpen hoe de wereld bij elkaar wordt gehouden de zwaartekracht wat zijn de eigenschappen v.h. heelal als geheel? begrijpenx hoe de wereld zich ontwikkelt, met name hoe is het begonnen? kunnen we de eigenschappen begrijpen/verkla 5 Juli 2019 HOVO-Utrecht (tot voor kort.nu ook vacuum) x Newton: kracht K op massa m: -evenredig met de massa M -omgekeerd evenredig met kwadraat van de afstand r waar gaat het heen? 1

2 Zwaartekracht uitgeoefend door alles wat massa (energie) heeft Kracht K door grote massa M op een massapuntje m, op afstand r wet van Newton x een natuurconstante die massa aan kracht koppelt G is klein: zwaartekracht is zwak G de constante van Newton. We bepalen eigenlijk GM van Aarde, sterren en sterrenstelsels Bij sterkere G (grote zwaartekracht) ontstaan sterren met zelfde produkt GM (resulterende kracht is dan hetzelfde) en dus met kleinere massa (en daarom minder brandstof) grootte van de zwaartekracht bepaalt de grootte van het heelal l levensduur van het heelal (Hubble constante) levensduur van sterren (grote G minder massa M, minder brandstof eerder opgebrand) x biologische evolutie vereist miljarden jaren dus grotere zwaartekracht dan minder kans op leven in het heelal Dimensieloos getal, verhouding Ɲ =10 39 elektrische kracht/zwaartekracht voor elektron en proton Dimensieloos getal verhouding Ɲ =10 39 elektrische kracht/zwaartekracht voor elektron en proton zwaartekracht veel groter bv Ɲ =10 30 waterstof atoom sterren en planeten kleiner kleiner xverschil astronomie vs microfysica insekten met dikke poten (olifant-achtig) grotere levende wezens worden verpletterd melkweg kleiner en dicht opeengepakt geen stabiele planetenbanen door botsingen leeftijd zon miljoen keer kleiner tot jaar waterstof atoom zwaartekracht veel zwakker x hoe zwakker des te grootser en complexer kunnen strukturen worden op Aarde: nog grotere dinosaurussen in het heelal: grotere planeten, sterren, sterstelsels Zwaartekracht ook ver weg belangrijk ring B: 3 x verder weg ring A r door afstand: 9x zwakker maar 9 x meer materie Zwaartekracht en heelalmodel x W Iedere schil draagt evenveel bij tot de zwaartekracht in W hoe ver weg ook! 2

3 Zwaartekracht altijd aantrekkend snelheid versus zwaartekracht ontsnappingssnelheid bv uit zwaartekracht van de aarde Newton: het heelal om ons heen zou moeten instorten x Een statisch heelal is dus onmogelijk een heelal moet bewegen: evolueert en heeft dan een begin R Zwaartekracht altijd aantrekkend alles stort ineen? Nee: oplossing: alles heeft de ontsnappingssnelheid Het heelal dijt uit verder weg meer massa, dus meer zwaartekracht grotere ontsnappingssnelheid : alles beweegt van ons af! de grootste ontdekking in de 20ste eeuwse sterrenkunde in 1912: ontdekt door Vesto Slipher hoe verder weg, des te sneller: beweging uit spectra vgl verschuiving spectraallijnen in dubbelster Continue spectrum Emissie lijnen Absorptie lijnen Ontdekt m.b.v. spectraallijnen, voorbeeld z=6.3 NIET v=cz (6x lichtsnelheid) met expansiemodel v= km/s (sneller dan licht! Zie later) z=0.05, dan v = cz (v=15000 km/s) Sterstelsel 1% verschoven z=0.01 equiv. met v = c z ( c lichtsnelheid) v = 3000 km/s Sterspectrum (in rust) roodverschuiving z = 0 Ca II H H H Mg I Na I H-I Sterspectrum (in rust) 3

4 : alles beweegt van ons af! in 1912: ontdekt door Vesto Slipher expansie van de ruimte wij zijn niet het middelpunt van een explosie geen explosie op een punt IN de ruimte, maar een explosie van de (gehele) ruimte zelf, dus NIET: Wet van Hubble s in 1929 uitdijingsnelheid v op afstand r v = H o r H is de Hubble "constante" H o de waarde nu (op t o ) dus twee soorten snelheden expansie van de ruimte Illustratie expansie van de ruimte expansie-snelheid van de ruimte ( ) (kan groter worden dan de lichtsnelheid) eigen-snelheid van sterrenstelsel t.o.v de ruimte Eng. peculiar velocity) (gezien door iemand die meebeweegt met de expansie) (kan niet groter zijn dan de lichtsnelheid) 1 alles beweegt weg van punt 1 en wel sneller opgrotere afstand 4

5 Illustratie expansie conclusie er is geen centrum 2 er is niets waarin de ruimte expandeert (wordt alleen opgerekt) Nu beweegt alles weg van punt 2 en wel sneller naarmate verder weg iedere expansie leidt tot de wet van Hubble (verder weg steeds sneller) Uitdijing van het heelal: hoe verder des te sneller Expansie van het heelal: oorspronkelijke data van Hubble snelheid (km/s) In 1927 bevestigde Hubble dat alle melkwegstelsels in alle richtingen van ons wegsnellen: km/s km/s 150 Mpc 300 Mpc Afstand (in Megaparsec) Wet van Hubble 1927: hoe verder weg des te sneller. H de Hubbleconstante blijkt H =74 km/s voor iedere Mpc 1 Mpc = 1 miljoen parsec, (1 Mpc 3 miljoen lichtjaar) Eerder besproken en ontdekt door De Sitter en vooral de belg en priester Lemaitre met vergelijkbare waarde voor de Hubble-constante snelheid (km/s) Afstand (in Megaparsec) gemeten is de roodverschuiving z λ waargenomen golflengte λ uitgezonden golflengte λ λ λ 1 λ λ Doppler-verschuiving bij snelheid v (lichtsnelheid c) ofwel Roodverschuiving kan combinatie zijn: - -kosmologisch door uitdijing heelal -Doppler door eigenbeweging sterrenstelsels H 0 =74 Extra roodverschuiving door eigen snelheid in de cluster Interpreteer roodverschuiving als afstand en je vindt te grote afstanden. Ieder puntje is sterrenstelsel met richting en afstand Utrecht schaalfactor 10 km 10 cm schaal 1: Jaagpad Kromme rijn Bunnik Echte afstand r = schaalfactor a maal afstand d op de kaart "Fingers of God": schijnbare structuren die wijzen naar de aarde ofwel: Stel uitdijing aarde: alle afstanden nemen toe, schaalfactor hangt van de tijd t af snelheid v = groei r, aangegeven als ; groei a geven we aan als v evenredig met r, met 5

6 Utrecht schaalfactor 10 km 10 cm schaal 1: Bunnik Illustratie uitdijing van de ruimte als rijzend krentebrood Jaagpad Kromme rijn Uitdijing ruimte (hier Aarde als voorbeeld) leidt tot wet van Hubble v evenredig met r, met H is de relatieve groei van de schaal-factor dan is v=c de lichtsnelheid op de afstand, de Hubble-afstand Bunnik komt steeds verder te liggen; de wandelaar zal Bunnik nog wel halen, maar bij iedere uitdijing, hoe langzaam ook is er een ver punt waar hij nooit kan komen In alle voorbeelden van een uitdijende ruimte: afstanden nemen toe; de snelheid evenredig met de afstand: Hubble-expansie iedere krent ziet alle andere van zich afgaan Wij zijn niet het centrum van het heelal: Zwaartekracht altijd aantrekkend alles stort ineen? Nee: oplossing: alles heeft de ontsnappingssnelheid Het heelal dijt uit V H D De Hubble Tijd en de leeftijd van het heelal R Massa M= Volume x dichtheid= 4 3 verder weg meer massa, dus meer zwaartekracht grotere ontsnappingssnelheid hoe verder weg, des te sneller: je voorspelt automatisch de wet van Hubble met snelheid afstand Hubble s `constante Dit heet de Hubble-tijd (Hubble zelf vond 2 miljard jaar) Nu t H ~14 miljard jaar, een benadering voor de leeftijd van het heelal die geldt exact voor lineaire expansie Toevallig gelijk aan de echte leeftijd van het heelal: Leeftijd kleiner bij afnemende expansie door aantrekkende werking materie Leeftijd groter door versnelde expansie; compenseert elkaar toevallig De Hubble-afstand D H plaats waar expansiesnelheid = lichtsnelheid Uitdijing heelal kan sneller dan het licht V H D snelheid afstand Hubble s `constante v = c Expansie van de ruimte is sneller dan het licht voorbij D H een sterrenstelsel dat NU in de kosmische tijd sneller dan het licht gaat, zien we in licht uit het verleden Voorbeeld: fietser op een uitdijende aarde van Hilversum naar Utrecht doet-ie er langer over maar komt nog wel aan van Groningen naar Utrecht kan het zijn dat de afstand sneller toeneemt dan hij fietst in die tijd. Fietser komt dan nooit in Utrecht. Fietser begon voorbij de "Hubble-afstand". 6

7 Voorbeeld uitdijing sneller dan het licht en uitgezonden foton toch waargenomen statisch heelal uitdijend heelal foton bereikt ons toch als uitdijing steeds langzamer gaat tijd-ruimte-plaatjes (tijd tegen ruimtecoordinaat) Sneller dan c maar steeds langzamer foton op ons gericht door uitdijing sneller dan het licht (op dat moment in de kosmische tijd) toch meegesleept naar buiten gebeurtenishorizon (waarnemingshorizon) bij versnelde expansie al is een lichtstraal nog zo snel, de uitdijing achterhaalt haar wel versneld uitdijend steeds sneller gebeurtenis is niet te zien Verder weg meer ruimte in het heelal? Normaal, maar nee: maar : verder weg =vroeger toen het heelal kleiner was. dus is er minder ruimte Vergelijk de Aarde vanaf de pool Een vaste meetlat zie je verder weg steeds kleiner, tot-ie voorbij de equator is: dan "zie" ik hem weer groter worden ( Australie is opgerekt, veel te groot ) Zuidpool in alle richtingen iedere rechte lijn eindigt daar: zuidpool onder een vergrootglas noordpool Australie opgerekt hier meer ruimte dan hier hoe zit dat precies? Idem: vanaf de Aarde zie je de Oerknal in alle richtingen Een vaste meetlat zie je verder weg steeds kleiner, tot-ie voorbij de helft is: dan zie ik hem weer groter worden ( gebiedjes in de gloed van de Oerknal zie je 1000 keer groter dan je zou verwachten) Het waarneembare heelal met in alle richtingen de Oerknal een miniem stukje van de totale kosmos Oerknal (deeltjes-)horizon, grens v/h waarneembare heelal wij te ver weg: melkweg licht doet er langer over dan leeftijd heelal andere sterrenstelsels kosmische web van sterrenstelsels kosmische achtergrondstraling CMB met logaritmisch schaalfactor voor de afstand Oerknal xx (in alle richtingen) 7

8 Algemene kenmerken van de horizon Alles (ver en dichtbij, verleden en heden) op één plaatje dichter bij de horizon: 1 steeds verder roodverschoven (bij verste sterrenstelsel is de golflengte al factor 1+z=13 opgerekt) 2 tijd loopt langzamer (tijd-dilatatie) (bij verste sterrenstelsel is de tijd al factor 1+z=13 opgerekt; we zien dat supernova's 13 keer zo lang duren) 3 het object is zwakker (minder fotonen per sec, door tijd-dilatatie) De oerknal zelf kun je nooit zien (oneindige roodverschuiving) dit is optisch en infrarood licht de gloed van de Oerknal op de achtergrond is te zien in straling van 1 cm (microgolf-straling) (=optisch licht 1000 x opgerekt in golflengte roodverschuiving z = 1000) z= 11.9 stelsel dichtbij miljard jaar geleden voorgrond ster een paar 100 miljoen jaar na de oerknal nogmaals maar nu in de tijdruimte Cursus tijdruimte-plaatjes lezen (illustratie bij: hoe zien wij het heelal) tijd t Y plaats tijd t Wereldlijnen (ons pad) in de tijdruimte Wereldlijn van een bewegend object is een rechte lijn met een helling: hoe harder het gaat des te groter de helling Wereldlijn van een stilstaand object =constant, Y=constant is een vertikale rechte lijn Interactie, waarneming etc = snijdende wereldlijnen in de tijdruimte tijd t (jaren) Helling pad van foton is 45 graden (lichtsnelheid) als we Tijd in jaren meten en afstand in lichtjaar Lichtsnelheid=1 lichtjaar per jaar A neemt foton B waar"= een gebeurtenis waarbij alle 4-dim coordinaten hetzelfde zijn= Plaats en tijd van de waarneming Y Y B A plaats x (lichtjaar) 8

9 Verleden lichtkegel in de tijdruimte tijd t (jaren) Lichtstralen hebben de maximale snelheid, de lichtsnelheid Wij zien uitsluitend wat op de verleden lichtkegel ligt Wat verder weg ligt, bereikt ons later tijd t lichtkegel in de tijdruimte (voorbeeld) -de mens op Aarde leeft 13.7 miljard jaar na de Big Bang -stel ook een mens 13.7 miljard jaar na de Bigbang in de Andromeda-nevel op 2 miljoen lichtjaar afstand -we kijken naar elkaar maar zien elkaar niet: wij zowel als zij zien het stadium 2 miljoen jaar geleden Wij, nu mens hier stel een mens in Andromeda-nevel mens, nu Y lichtstraal Lichtstralen die ons bereiken, vormen een kegel, de zgn. verleden lichtkegel x (afstand in lichtjaren) ontstaan mens 2 miljoen jaar geleden; hier en in Andromeda Y tijd de verleden lichtkegel in een uitdijend heelal de verleden lichtkegel in een uitdijend heelal Leeftijd heelal nu tijd Wij zien NU een stukje ruimte van vlak na de Oerknal (de gloed van de Oerknal) een tijdje geleden zagen we een ander stukje ruimte vlak na de Oerknal tijd CMB licht heeft aarde al eerder bereikt te ver weg: licht doet er langer over dan leeftijd heelal de verleden lichtkegel in een uitdijend heelal Leeftijd heelal nu bereikt ons later foton, aanvankelijk meegesleept door de uitdijing bereikt ons later de verleden lichtkegel in een uitdijend heelal Leeftijd heelal nu heeft ons eerder bereikt tijd CMB licht heeft aarde al eerder bereikt te ver weg: licht doet er langer over dan leeftijd heelal tijd CMB licht heeft aarde al eerder bereikt te ver weg: licht doet er langer over dan leeftijd heelal 9

10 de verleden lichtkegel in een uitdijend heelal Leeftijd heelal nu Licht van de achtergrondstraling "flitst voorbij" maar meteen gevolgd door licht van een stukje verder weg, die dezelfde toestand laat zien Onze verleden lichtkegel in de loop van de tijd (t=1 is het heden) tijd CMB Bijzonderheden bij ver weg kijken de verre kosmos onder een vergrootglas (Hoekafstand; angular diameter distance D A ) Hoeken Helderheden Hoekdiameter (milli-arcsec) Hoekafstand D A D A = h / tan Θ D A ~ h / Θ compacte radiobronnen Afstand (roodverschuiving) Θ D A Verder weg steeds kleiner Nog verder weg WEER GROTER!! h Afhankelijkheid van de geometrie "Vlakke ruimte" positief gekromde ruimte negatief gekromde ruimte Omtrek cirkel= 2π x straal Omtrek cirkel> 2π x straal negatief verderop meer ruimte Positief: verderop minder ruimte dus minder stelsels Oerknal extrapolaties (1) het heelal dijt uit, vroeger was het heter en compacter gaat dit al maar door? 1. zo heet dat alle waterstof bij 3000 K geïoniseerd was en het heelal ondoorzichtig? Ja! en deze voorspelling kunnen we zien (Kosmische Achtergrondstraling CMB, de gloed van de Oerknal) 10

11 Oerknal extrapolaties (2) het heelal dijt uit, vroeger was het heter en compacter gaat dit al maar door? 2. Verder terug zo heet als in binnenste van een ster? miljoen K? Ja! en de verwachtte kernreacties van waterstof tot helium zijn bevestigd! door de uitdijing zakte de dichtheid en stopten de kernreacties: geen zwaardere elementen dan Be Oerknal extrapolaties (3) het heelal dijt uit, vroeger was het heter en compacter gaat dit al maar door? 3. Nog verder terug en nog heter? Ja! Heet genoeg om deeltjes als neutronen en protonen te vormen, het wachten is op de Kosmische Neutrino Achtergrondwaarnemingen (te lage energie om te meten) Misvattingen (1) Ten onrechte wordt de Oerknal-theorie soms een theorie over de oorsprong van het universum genoemd Het Oerknal-model neemt het bestaan van energie, tijd en ruimte aan en geeft geen oorzaak voor de Oerknal Misvattingen (2) In het begin was de Oerknal "klein" Met de grootte van het heelal wordt meestal de grootte van het waarneembare heelal bedoeld en niet het gehele heelal. Het waarneembare heelal in het begin was klein (van de orde van 1 lichtseconde na 1 seconde en 1 lichtjaar na 1 jaar; eigenlijk groter doordat het licht meereist met de expansie. Misvattingen (3) De wet van Hubble klopt niet met de Speciale Relativiteitstheorie, omdat stelsels ver weg sneller gaan dan het licht. De Speciale Relativiteitstheorie beschrijft bewegingen dóór de ruimte (in een inertiaalstelsel). De wet van Hubble beschrijft de snelheid als gevolg van de expansie van de ruimte Misvattingen (3) de kosmologische roodverschuiving Doppler-verschuiving is gebaseerd op de Speciale Relativiteitstheorie,die niet de uitdijing van de ruimte zelf in beschouwing neemt. De kosmologische roodverschuiving is gebaseerd op de Algemene Relativiteitstheorie, die de uitdijing van de ruimte wel in rekening brengt en voorspelt. Astronomen weten dat maar noemen het slordig vaak toch Doppler-verschuiving. Voor nabije stelsels (kleine roodverschuiving) zijn de resultaten (snelheid uit roodverschuiving) hetzelfde. 11

12 Samenvatting deel I verre sterrenstelsels vliegen van ons weg, hoe verder des te sneller (wet van Hubble) te verklaren als de ruimte zelf expandeert dit is ooit begonnen het heelal heeft een begin en evolueert de leeftijd van het heelal (Hubble-tijd) is maar weinig meer dan de oudste sterren Volgende week: Verschillende mogelijke Oerknallen Hoe hangt de expansie samen met de inhoud van het heelal (materie en energie) 12