Gravitatie en kosmologie

Vergelijkbare documenten
Gravitatie en kosmologie

Gravitatie en kosmologie

Gravitatie en kosmologie

Algemene relativiteitstheorie

Gravitatie en kosmologie

Gravitatie en kosmologie

Gravitatie en kosmologie

Gravitatie en kosmologie

8 Relativistische sterren

Gravitatie en kosmologie

Gravitatie en kosmologie

Gravitatie en kosmologie

Gravitatie en kosmologie

Sterrenkundig Practicum 2 3 maart Proef 3, deel1: De massa van het zwarte gat in M87

Zwaartekrachtsgolven. Johan Konter, Niels Pannevis, Sander Kupers. 24 juni Zwaartekrachtsgolven. Johan Konter, Niels Pannevis, Sander Kupers

Gravitatie en kosmologie

Gravitatie en kosmologie

Gravitatie en kosmologie

Gravitatie en kosmologie

Overzicht. Vandaag. Frank Verbunt Het heelal Nijmegen 2015

Algemene relativiteitstheorie

Variabele Sterren. Instability strip: Cepheiden RR Lyrae W Virginis sterren. Rode reuzen op de z.g. instability strip in het HR diagram

Gravitatie en kosmologie

Algemene relativiteitstheorie

Sterrenstelsels: een aaneenschakeling van superlatieven

Lichtsnelheid Eigenschappen

College Fysisch Wereldbeeld 2

Honderd jaar algemene relativiteitstheorie

Prof.dr. A. Achterberg, IMAPP

relativiteitstheorie

Gravitatie en kosmologie

Algemene relativiteitstheorie

Algemene relativiteitstheorie

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

Newtoniaanse kosmologie 4

Inleiding Astrofysica

Melkwegstelsels. Eigenschappen en ruimtelijke verdeling. - morfologie - sterpopulaties - ISM eigenschappen - massa, afmeting en helderheid

Tentamen: Gravitatie en kosmologie

Tentamen: Gravitatie en kosmologie

Gravitatie en kosmologie

Bram Achterberg Afdeling Sterrenkunde IMAPP, Radboud Universiteit Nijmegen

Zwarte gaten: klein, middel(?) en groot. Peter Jonker SRON, Radboud Universiteit Nijmegen & Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics E PA E N T Y

grootte van zwaartekrachtsveld: gekenmerkt door de ontsnappingssnelheid nieuwe inzichten over zwarte gaten Inhoud: gloeiend oppervlak en stoppelbaard

Inleiding Astrofysica Tentamen 2009/2010: antwoorden

Sterrenstelsels. prof.dr. Paul Groot Afdeling Sterrenkunde, IMAPP Radboud Universiteit Nijmegen

Elementaire Deeltjesfysica

Pandora's cluster, 2/12/2018. inhoud. Het vroege heelal. HOVO-Utrecht 9 februari HOVO-Utrecht 9 februari 2018

Werkcollege III Het Heelal

Voorronde Nederlandse Sterrenkunde Olympiade april 2014

Gravitatie en Kosmologie

Emmy Noether, de miskende wetenschapper

11/15/16. Inleiding Astrofysica College 8 14 november Ignas Snellen. De melkweg

Gravitatie en kosmologie

Hendrik Vandenbruaene Volkssterrenwacht Beisbroek 3 dec 2009

Het meten van gravitatie golven door middel van pulsars

Ruud Visser Postdoc, Sterrewacht Leiden

Zwart gat Simulatie KORTE BESCHRIJVING

Het Quantum Universum. Cygnus Gymnasium

Praktische opdracht ANW Zwarte gaten

Prof.dr. A. Achterberg, IMAPP

Gravitatie en kosmologie

Nederlandstalige samenvatting

Werkstuk ANW Zwarte gaten

STERREN EN MELKWEGSTELSELS

Opgave Zonnestelsel 2005/2006: 7. 7 Het viriaal theorema en de Jeans Massa: Stervorming. 7.1 Het viriaal theorema

Gravitatie en kosmologie

TENTAMEN PLANETENSTELSELS 30 MEI 2016, UUR

Formule afleiding opgaven bij de cursus Algemene relativiteitstheorie Docent: Dr. H. (Harm) van der Lek

Verslag Natuurkunde Algemene relativiteitstheorie

2/22/2018. inhoud zwaartekracht lenswerking. Afbuiging van licht, effect van de tijd

Populair-wetenschappelijke samenvatting

Tweede Bijeenkomst: Zoektocht naar het Verborgen Hemelbeeld. Rond de Waterput donderdag 31 oktober 2013 Allan R. de Monchy

Gravitatie en kosmologie

Uitdijing van het heelal

Andromeda stelsel nadert ons 20% sneller

Sterren en sterevolutie Edwin Mathlener

Mysteries van de Oerknal, deel 2 Heelalmodellen. samenvatting tot nu: Zwaartekracht afwijking v/d gewone (euclidische, vlakke) meetkunde

Ruud Visser Promovendus, Sterrewacht Leiden

De Melkweg: visueel. sterren, nevels en stof. De Melkweg: atomair waterstof. atomair waterstof straalt bij een golflengte van 21cm

HOVO cursus Kosmologie

FLRW of Lambda-CDM versus Kwantum Relativiteit

Hoe kunnen we zwarte gaten horen?

Gravitatie en kosmologie

De evolutie van het heelal

Kleinse Fles. Introductie String Zoologie Brane Worlds Zwarte Gaten

experimenteren met Zwarte Gaten Eigenschappen van Zwarte Gaten tot nu HOVO2016, Utrecht 15 Juli 2016 Speciale RelativiteitsTheorie

RELATIVITEIT EINSTEINRINGEN. Naam: Klas: Datum:

Thermodynamica rol in de moderne fysica Jo van den Brand HOVO: 4 december 2014

Vroege beschavingen hebben zich al afgevraagd waar alles vandaan kwam en hoe alles is begonnen.

De Fysica van Sterren. Instituut voor Sterrenkunde

Jo van den Brand Nikhef en Vrije Universiteit Amsterdam

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

Cover Page. Author: Bonnerot, Clément Title: Dynamics and radiation from tidal disruption events Date:

Basiscursus Sterrenkunde

De lichtsnelheid kromt de ruimte. Mogelijke verklaring voor de grens van het heelal

T2b L1 De ruimte of het heelal Katern 1

Het mysterie van massa massa, ruimte en tijd

Inleiding Astrofysica in 90 vragen en 18 formules Ignas Snellen, Universiteit Leiden, 2014

Het Quantummechanisch Heelal. prof.dr. Paul Groot Afdeling Sterrenkunde, IMAPP Radboud Universiteit Nijmegen

Opgaven bij de cursus Speciale relativiteitstheorie Docent: Dr. H. (Harm) van der Lek

Transcriptie:

Gravitatie en kosmologie FEW cursus Jo van den Brand Sferische oplossingen: 19 november 2012

Inhoud Inleiding Overzicht Klassieke mechanica Galileo, Newton Lagrange formalisme Quantumfenomenen Neutronensterren Wiskunde I Tensoren Speciale relativiteitstheorie Minkowski Ruimtetijd diagrammen Wiskunde II Algemene coordinaten Covariante afgeleide Algemene relativiteitstheorie Einsteinvergelijkingen Newton als limiet Sferische oplossingen Kosmologie Friedmann Inflatie Gravitatiestraling Theorie Experiment Najaar 2009 Jo van den Brand

Ontsnappingssnelheid M R vontsnapping 2 GM / R

Object Straal Massa Ontsn. snelheid [ m ] [ kg ] [ km/s ] Aarde 6,3 10 6 6,6 10 24 11,3 Jupiter 7,0 10 7 2,1 10 27 60,0 Zon 7,0 10 8 2,0 10 30 614,0

Mitchell (1787); Laplace (± 1800) Ontsnappingssnelheid Licht kan niet ontsnappen van een voldoend zwaar lichaam M R vontsnapping 2 GM / R 2GM 2GM v ontsnapping c R 2 R c Licht tussen twee spiegels in vrijvallende lift Lichtbaan gezien door een externe waarnemer Object Straal (in m) Massa (in kg) Aarde 6,3 10 6 6,6 10 24 1 cm Schwarzschild straal Jupiter 7,0 10 7 2,1 10 27 3 meter Zon 7,0 10 8 2,0 10 30 3 kilometer

Banen in gekromde ruimte: licht Werkelijke positie van ster A Schijnbare positie van ster A Werkelijke en schijnbare positie van ster B Relativiteitstheorie: 2GM 2 c r Zon Aarde

Afbuigen van licht New York Times, November 10, 1919

Banen in gekromde ruimte: planeten Cirkelbaan Elliptische baan Ongebonden baan (parabool)

Experimenteel bewijs: precessie van de Mercuriusbaan 6 GM peri 4,8 x 10-7 rad = 0,1 boogseconde (415 omlopen per eeuw) 2 c r

GPS (Global Positioning System) Friedwardt Winterberg (1955): gebruik atoomklokken in orbit om ART te testen Sputnik (1957): Doppler effect geeft lokatie (20 en 40 MHz radiosignalen) GPS (1973 bedacht, 1978 eerste satelliet, 1993 operationeel) Precisie: atoomklokken 1 ns/dag) (licht legt 30 cm per ns af) ART 45.900 ns/dag sneller dan op Aarde SRT 7,200 ns/dag langzamer Ook dit is slechts een test van ART voor statische effecten in zwakke gravitievelden

Apollo Lunar laser ranging Test van Sterk EP tot 1,5 x 10-13 Rotaties van maan: 20% vloeibare kern G niet tijdafhankelijk tot 1:10 11 sinds 1969 Maan verwijdert zich met 3,8 cm/jaar Aardprecessie volgens ART Wie twijfelt eraan of we op de maan zijn geweest?

Gravitatielensen Sferische lens geeft Einstein ring Platte lens geeft Einstein kruis Banaanachtige vervorming

Najaar 2009 Jo van den Brand 13

Abell 2218 Cluster van sterrenstelsels op 2 Glichtjaar afstand werkt als een sterke Einstein lens oranje: elliptisch stelsel (z = 0.7), blauw: stervorming (z = 1.5) en rood (z = 7) 13 Gjaar oud Najaar 2009 Jo van den Brand 14

Gravitationele lens Najaar 2009 Jo van den Brand 15

Geometrie rond ster met massa M M = 0 or r levert Minkowskimetriek (met c = 1) Veel bronnen zijn sferisch symmetrisch Metriek singulier op r = 0 en r = 2GM r = 0 : Echte singulariteit met oneindige ruimtetijdkromming r = 2GM : Singulier vanwege keuze coördinatensystem Straal ster sterbinnenste Schwarzschildstraal R S = 2GM/c 2

Theorema van Birkhoff Meest algemene sferisch symmetrisch metriek Termen vanwege sferische symmetrie Coördinatentransformatie: Vul in Kruisterm wordt dan Kies f zodanig dat deze term nul wordt! Herlabel t en schrijf Gebruik Einsteinvergelijkingen in vacuum (met (i))

Theorema van Birkhoff Herdefinieer de tijd Hiermee vinden we Dit is een statische metriek! Volgende stap: los ODE (i) op Substitueer Dit heeft als oplossing Merk op: M is willekeurige integratieconstante Invullen levert Schwarzschildmetriek Metriek moet asymptotisch vlak zijn (Minkowski als L 0)

De hoeken Interpretatie van coordinaten en In 2D hypervlakken met r = constant en t = constant schrijven we Identiek aan beschrijving van een bol met constante straal in SRT De hoeken en zijn de hoeken op een bol De straal r Oppervlak in gekromde ruimte wordt gegeven door (g (2) is gereduceerde metriek) Straal r wordt gegeven door oppervlak van een bol Moeilijk om de tijd te meten Eigenschappen 1. Tijdsonafhankelijke afstanden tussen lijnen van constante 2. Orthogonaliteit met t = constant hypervlakken 3. Asymptotisch equivalent met Minkowski-tijd

Relativistische sterren Algemene metriek Beschouw statische sterren; enkel Energie-impuls tensor (perfecte vloeistof) Introduceer Einsteinvergelijkingen Er geldt Energie en impulsbehoud Druk-dichtheidsrelatie Tolman-Oppenheimer-Volkof vergelijking Dit geeft

Event horizon Als r < 2GM dan veranderen dt 2 en dr 2 van teken Alle tijdachtige curven wijzen dan in de richting van afnemende r Coördinatentransformatie (met G = 1): r t v r 2M log 1 2M M (in m) = G/c 2 M (in kg) Voor Zon: M = 1.47 km Eddington-Finkelstein coördinaten : 2M ds 1 dv 2dvdr r d r 2 2 2 2 Niet singulier op r = 2M 21

Radiale lichtstralen 2M ds 1 dv 2dvdr r d r 2 2 2 2 Voor radiale lichtstralen hebben we ds 2 = 0 en dθ = dφ = 0 = v-r 2M d d dr r 2 1 v 2 v 0 v const 1st oplossing: (invallend licht) r Invallend licht beweegt altijd naar binnen t v r 2M log 1 2M 2nd oplossing: 2M 1 d v 2 dr 0 r r v 2 r 2M ln 1 const 2M Voor r >> 2M bewegen uitgaande lichtstralen naar buiten (t = r + constant) Maar voor r < 2M bewegen uitgaande lichtstralen ook naar binnen! 22

Soorten zwarte gaten Supermassieve ZG 10 M (10 5 10 )M zon Intermediaire-massa ZG M 10 Sterrenmassa ZG Micro ZG 3 M zon M ( 1,5 20)M zon M M maan - Gevonden in centrum meeste sterrenstelsels - Verantwoordelijk voor Active Galactic Nuclei - Kunnen direct en indirect gevormd worden - Mogelijk gevonden in dichte sterrenclusters - Mogelijke verklaring voor Ultra-luminous X-Rays - Moeten indirect gevormd worden - Resten van zeer zware sterren - Verantwoordelijk voor Gamma Ray Bursts - Direct gevormd - Quantumeffecten worden relevant - Voorspelt door enkele inflatiemodellen - Misschien geproduceerd in kosmische straling - De reden dat LHC de aarde vernietigen zal

Gamma Ray Burst Imploderende ster Ultra-relativistische bundels (jets ) Accretieschijf Zwart Gat

Zwarte gaten hebben invloed door hun zwaartekracht! Gewone of reuzenster Compacte ster of zwart gat met een accretieschijf (massa ~1,4-10 zonsmassa s)

Extreme zwaartekracht: zwarte gaten

In de onmiddellijke omgeving van een zwart gat wordt veel straling geproduceerd!

Quasar, microquasar, gamma-flits ~ 10 5 jaar ~ 10 8 jaar < 1 minuut/ 1 uur / 100 dagen

Numerieke relativiteitstheorie Vorming van zwarte gat Coalescense van twee zwarte gaten

Gravitatiestraling bestaat: PSR B1913+16 t P [s] Periastron advance Russell A. Hulse Joseph H. Taylor, Jr. In 1974 werd de eerste pulsar in een binair systeem ontdekt afwijking <0.2% Periode ~ 8h GW emissie verkort de periode Indirecte detectie van GWs Nobelprijs 1993

Burst bronnen: gamma-ray bursts Recente satelliet missies tonen reeks explosieve gebeurtenissen in Universum die enorme hoeveelheden energie genereren De oorsprong van GRB is nog steeds onbekend, maar er zijn modellen

Radiostelsel Cygnus A Radio opname Röntgen-opname

Super-massieve zwarte gaten In vele sterrenstelsels schuilt een zwart gat! Ons eigen melkwegstelsel: M ~ 10 6 MZon Actieve Sterrenstelsels: M ~ 10 8 MZon!

~ Afmeting zonneztelsel Accretieschijf met verduisterende torus stof

Kern van ons melkwegstelsel wordt verduisterd door stof

Infrarood telescopen kijken door het stof heen

Röntgenstraling Gammastraling

Kern van melkwegstelsel (radio) Sterke radiobron: Sagittarius A!

Sterbanen in de directe omgeving van Sagittarius A *

600 km/s 5000 km/s

Ingesloten massa (in zonsmassas) Massaverdeling in melkwegkern Afstand tot Sagittarius A* (in parsec)

Massive black hole mergers D. Richstone et al., Nature 395, A14, 1998 MBH 0.005M bulge Maar smelten ze samen?

Massive black hole mergers Several observed phenomena may be attributed to MBH binaries or mergers X-shaped radio galaxies (see figure) Periodicities in blazar light curves (e.g. OJ 287) X-ray binary MBH: NGC 6240 See review by Komossa [ stro h/0306439] [Merritt and Ekers, 2002]

Hubble space telecope

Spitzer space telecope

Zijn zwarte gaten echt zwart? Quantumeffecten nabij de horizon produceren Hawkingstraling. Zwart gat straalt als een zwarte straler met een temperatuur evenredig met 1/M T k B c 3 8 GM Zwarte gaten met massa 10 11 kg zouden vandaag exploderen Massa ZG Temperatuur Vermogen Verdampingstijd 1 M zon (2 10 30 kg) 6 x 10-8 K 10-28 W 6 x 10 68 yr 1 M aarde (6 10 24 kg) 0.02 K 10-17 W 2 x 10 52 yr 1 kg 1.2 x 10 23 K 4 x 10 32 W 2 x 10-16 s