Prof.dr. A. Achterberg, IMAPP

Transcriptie

1 Prof.dr. A. Achterberg, IMAPP

2 Hoorcollege: Woensdag 10:45-12:30 in HG Data: 13 april t/m 15 juni; niet op 27 april & 4 mei Werkcollege: Vrijdag, 15:45-17:30, in HG Data: t/m 17 juni; niet op 6 mei, niet op 13 mei Tentamen: Donderdag 23 juni, 08:30-11:30, HG00.062

3 Boek: A. Achterberg: Kosmologie, 4e druk, Epsilon Uitgaven, Utrecht. Samenvatting, PowerPoint Slides en werkcollege-opgaven: on-line op:

4 Historische Inleiding; Experimentele grondslag voor het Oerknalmodel; Newton vs. Einstein: toepasbaarheid Newtoniaanse modellen; Friedmann modellen: het standaardmodel; Dichtheid, druk en temperatuur: stof en straling ; Successen en problemen van het Oerknal-model; Link met de deeltjesfysica & Inflatie-modellen

5 Een paar nieuwsfeiten: 24 Maart 2014: BICEP Experiment: Aanwijzingen voor voorwereldlijke gravitatiegolven! 15 Maart 2015: Signaal is van stof in onze Melkweg

6

7 Het expandeert (Hubble s Wet) Het was vroeger veel heter dan nu (Bestaan Kosmische Achtergrondstraling) Slechts ~ 30% van alle massa zit in materie, waarvan: - lichtgevend (sterren e.d.) : ~ 2% - donkere materie: ~ 28% 70% van alle massa zit in donkere energie Vroeger vertraagde de expansie, nu versnelt hij weer!

8 Geschiedenis van onze moderne kosmologische kennis

9 Hoe weten we dat eigenlijk? We zien de beweging van verre sterrenstelsels van ons af uit Dopplerverschuiving; De vluchtsnelheid is evenredig met hun afstand (Hubble s wet); We meten de overblijfselen van de vroege, dichte en hete fase van ons heelal: 1. de Kosmische Achtergrondstraling 2. de producten van vroege kernfusie in het heelal

10 Hubble s wet: vluchtsnelheid is evenredig met afstand: V=H 0 D Edwin Hubble

11 Kosmische achtergrondstraling Penzias & Wilson (1962: ontdekkers van de Kosmische Achtergrondstraling) proton elektron Waterstof atoom T > 4500 K foton T < 4500 K

12 De vroege (voorwereldlijke) kernfusie: Waterstofverbranding

13 Een berekening van de opbrengst: Abundantie van de Elementen (t.o.v. waterstof) Materiedichtheid (t.o.v. fotonen)

14 Ons heelal had een zeer heet en dicht begin! Dit is de essentie van de Oerknaltheorie!

15 Ge0centrisch wereldbeeld Historisch Overzicht Heliocentrisch wereldbeeld Geen bevoorrechte positie

16 Historisch Overzicht Heelal is statisch (onveranderlijk) Heelal is dynamisch

17

18 Kepler: 2 P contant 3 a = P = baanperiode a = halve lange as baan-ellips

19

20 Traagheidswet; Krachtwet: F dv = m a = m d t Gravitatie wet: F g Gm m = r 1 2 2

21

22 Grootste teleskoop van de 19 e eeuw (~ 1 meter)

23

24 1. Wat is de afmeting van ons Melkwegstelsel? 2. Wat is de aard en afstand van de spiraalnevels? 3. Wat doet sterren stralen?

25

26 1. Wat is de afmeting van ons Melkwegstelsel? (~ 80,000 lichtjaar, Shapley 1920) 2. Wat is de aard en afstand van de spiraalnevels? (~ 1000,000 lichtjaar, Hubble 1924) 3. Wat doet sterren stralen? (Kernfusie, Bethe 1938)

27

28 De 100 inch (2,5m) Hooker Telescope De eerste telescoop waarmee afzonderlijke sterren in andere sterrenstelsels werden gezien!

29 Andromeda nevel (Messier 31)

30 Lichtkromme Cepheïde Helderheid Hubble Swan-Leavitt --- tijd --->

31 M33 en Hubble s Cepheïden

32 M V = (2.76 ± 0.03)(log P 1) (4.22 ± 0.02) 10 day

33 m= 2.5log( S) + S = L 4π D 2 constante m = 2.5log L + 5log D +... M = md= 16 ( 10 pc), 1 pc = m m m = 2.5log( L / L ) + 5log( D / D )

34 Roodverschuiving van verre sterrenstelsels In 1912 ontdekt door Vesto Slipher Korte golflengte (blauw) λ Lange golflengte (rood)

35 λobs λem roodverschuiving z (1) λ em V Doppler effect: λobs = 1 + λem (2) c (1) + (2) z = V c

36 c = light speed ~ km/s is constant λ + ( ) = c t + x = source c + V t c V λ+ = + t = 1/ ν = λ/ c c λ λ ( ) = c t x = source c V t c V λ = t = 1/ ν = λ/ c c λ

37 z λ λ obs = = λ + V / c (bron nadert waarnemer) V / c (bron verwijderd zich) z > 0: roodverschuiving z < 0: blauwverschuiving

38 Roodverschuiving: z D V Doppler effect: z V D V = HD 0 Hubble s wet: H0 = 67.4 ± 1.4 km/s per Mpc (Planck, Maart 2014) 1 Mpc = m ~ 3 miljoen lichtjaar

39 Eerste moderne en nauwkeurige bepaling H 0 (Hubble SpaceTelescope Key Project, 2001)

40 De Afstandsladder Overlappende treden zijn hierbij essentiëel!

41 Lichtsnelheid (c) is een universele constante; - snelheden zijn niet simpel op te tellen of af te trekken. Ruimte en tijd zijn dynamisch en niet vast: - afstandsmeting en gemeten kloksnelheid hangen af van de toestand van de waarnemer; Zwaartekracht (massa) bepaalt de geometrische eigenschappen van ruimte-tijd.

42

43 Klassieke Friedmann modellen: Ω = 0, Ω 0 Λ M Friedman-Lemaitre model: Ω & Ω 0 Λ M

44 H vluchtsnelheid 1 = [ H ] = afstand 0 0 [ t] t H 1 H 0 leeftijd heelal (~ 14 miljard jaar)

45 H vluchtsnelheid 1 = [ H ] = afstand 0 0 [ t] t H 1 H 0 leeftijd heelal (~ 14 miljard jaar) Lichtsnelheid is eindig: c~300,000 km/s! Je kunt niet verder kijken dan d H ct H = c H 14 miljard lichtjaar