12/2/16. Inleiding Astrofysica College november Ignas Snellen. Kosmologie. Studie van de globale structuur van het heelal

Transcriptie

1 Inleiding Astrofysica College november Ignas Snellen Kosmologie Studie van de globale structuur van het heelal 1

2 12/2/16 Afstanden tot sterrenstelsels Sommige sterren kunnen als standaardsterren gebruikt worden Afstand bepalen Dmv helderheid Afstand meten dmv parallax Cepheiden: de standaardsterren bij uitstek! Heel heldere veranderlijke sterren: relatie tussen periode en lichtkracht 2

3 Periode-lichtkracht relatie 3

4 12/2/16 M81 4

5 Alle stelsels bewegen van ons af. Bevinden we ons in het centrum van het heelal? Wet van Hubble Nee: schaalvergroting van het Heelal T1 T2 5

6 Roodverschuiving is niet echt een Doppler effect! Straling wordt uitgerekt samen met de uitdijing van het heelal (denk aan een doos met spiegels als wanden) R = schaalgrootte van het heelal 1+z = R(nu) / R(tijdens emissie) 6

7 Het uitdijend heelal Het heelal was vroeger veel kleiner Het heelal had vroeger een veel grotere dichtheid Het heelal was vroeger veel heter Big Bang Theorie: Het heelal is ontstaan uit een singulariteit Leeftijd = 1/H 0 ~ 15 miljard jaar Roodverschuiving = afstand (= tijd) 7

8 Hoe evolueert het expanderende heelal? Het kosmologisch principe: Het heelal ziet er in iedere richting het zelfde uit (isotroop), en heeft op iedere plaats dezelfde eigenschappen (homogeen) 1915 Einstein s relativiteitstheorie 1916 De Sitter evolutie model Einstein gelooft in het perfect cosmological principle en introduceert de kosmologische constante om het heelal niet evoluerend te maken Friedman wiskundige evolutiemodellen 1929 de Wet van Hubble Einstein beseft dat de kosmologische constante zijn grootste blunder is Steady state universe (Bondi, Gold, Hoyle) Het universum op grote roodverschuiving ziet er heel anders uit à evolutie 1964 Ontdekking van achtergrondstraling overblijfsel van de oerknal Het heelal expandeert steeds sneller Hoe evolueert het expanderende heelal? De Friedmann vergelijking (1922) à De zwaartekracht zal de uitdijing van het heelal afremmen (nog voor de uitdijing was waargenomen!!) M = 4 3 πρr( H * 8πGρ 3 = C/R(t) * 8

9 Hoe evolueert het expanderende heelal? Kritische dichtheid! Dichtheid in het heelal bepaalt de evolutie! Het meten van massa + donkere materie gravitatie-lenzen 9

10 Cluster als gravitatielens à meet zichtbare en donkere materie Donkere materie: 85% van alle materie in het heelal! Wat is donkere materie?? Om het heelal als geheel te kunnen begrijpen, moeten we meer begrijpen van deeltjesfysica Donkere compacte objecten (zwarte gaten, neutronensterren, uitgestorven witte dwergen)? Nee uitgebeid naar gezocht met gravitational lensing in de 1990s Oerknalmodellen (zo dadelijk) laten zien dat het geen baryonische materie (protronen, neutronen) kan zijn Een onbekend, exotisch elementair deeltje? 10

11 12/2/16 De Oerknal The Big Bang Materiedichtheid schaalt met 1/R3 Aantal fotonen per volume-eenheid schaalt ook met 1/R3 Maar energie per foton schaalt met 1/R, dus foton-energiedichtheid schaalt met 1/R4 à Er is een tijd in het vroege heelal dat energie in fotonen dominant was à Het heelal was vroeger heet en met hoge dichtheid 11

12 12/2/16 De Oerknal The Big Bang T=0 sec Singulariteit oneindige dichtheid T=10-11 sec Hoogste energieen in deeltjesversnellers T=10-6 Protonen en neutronen worden gevormd sec T=1 sec Energiedichtheid wordt gedomineerd door fotonen T=109 K, dichtheid van lucht. Kernfusie van deuterium en Helium. Meeste protonen blijven los T=3-20 min T= jaar Energiedichtheid wordt gedomineerd door materie T= jaar (z~1100) Electronen recombineren met protonenà vrije pad-lengte voor fotonen wordt oneindig à achtergrondstraling! 1000>z>10 The Dark Ages - alleen lijnstraling van neutraal waterstof T= x106 jaar (z=5-10) Re-ionisatie: eerste sterren en quasars vormen à ioniseren het heelal. De achtergrondstraling Zeer homogeen à fluctuaties op 10-5 niveau à beginpunt van structuurvorming 12

13 12/2/16 Open vragen en moderne ontwikkelingen Waarom expandeert het heelal? Waarom is de expansie in elke richting het zelfde (isotroop)? Wat is de toekomst van de expansie? Waarom is de dichtheid van het heelal vrijwel precies de kritische dichtheid? Nooit met elkaar in contact geweest! 13

14 12/2/16 Grote ontdekking in 1997: Uitdijing van het heelal vertraagt niet, maar versnelt Boosdoener: Donkere Energie (?) Inflatie Twee problemen in de kosmologie, die van isotropie en kritische dichtheid, kunnen met een simpele ingreep worden opgelost: inflatie: exponentiele groei van het heelal tussen t=10-36 en seconde. Nooit met elkaar in contact geweest! 14

15 12/2/16 Veel open vragen à veel antwoorden Probleem hoe empirisch te testen? Even hoop voor inflatie: BICEPS2 15

16 12/2/16 Hebben we een nieuwe zwaartekrachtswet nodig? Erik Verlinde s (UvA) Ideeen 1. Zwaartekracht is niet fundamenteel. Het wordt veroorzaakt door het verplaatsen van (quantum)informatie 2. (Quantum)informatie is de belangrijkste bouwsteen van het heelal 3. Begrippen als donkere energie en donkere materie zouden mogelijk kunnen worden verklaard. De grenzen van onze kennis modern onderzoek Wat is donkere energie? Wat is donkere materie? Hoe vormen zich de eerste sterren in het heelal? populatie III Wanneer en hoe vond re-ionisatie plaats? Wanneer worden de eerste zwarte gaten gevormd? Hoe vormen zich en evolueren melkwegstelsels en hoe is de wisselwerking met donkere materie? Hoe zijn de zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels gevormd? LOFAR 16

17 De grenzen van onze kennis modern onderzoek De materie in neutronensterren 10x de dichtheid van een atoomkern. Hoe is deze opgebouwd? Zwarte gaten: Event Horizon Telescope kan zwart gat in onze melkweg in kaart brengen relativistische processen vlakbij de horizon. De grenzen van onze kennis modern onderzoek Waarnemingen van gravitatiegolven (voorspeld door Einstein) Waarnemingen van Neutrino-observatoria Onbekende radio-flitsen 17

18 Hoe vormen planeten zich? De grenzen van onze kennis modern onderzoek Hoe gewoon zijn de Aarde en ons zonnestelsel? Is er leven op planeten buiten ons zonnestelsel? [is er intelligent leven?] Recent ALMA image!! De grenzen van onze kennis modern onderzoek Waarom verschillen Venus, Aarde en Mars zo van elkaar? Wat is de evolutionaire geschiedenis van de verschillende planeten in ons zonnestelsel? Begrijpen we de verschillende atmosferen en klimaten? Waar komt het water op aarde vandaan? Hoe gevaarlijk zijn aardscheerders, en kunnen we inslagen voorkomen? Kunnen we planetoiden ooit gebruiken voor mijnbouw? 18