Prof.dr. A. Achterberg, IMAPP

Vergelijkbare documenten
Prof.dr. A. Achterberg, IMAPP

Bram Achterberg Afdeling Sterrenkunde IMAPP, Radboud Universiteit Nijmegen

D h = d i. In deze opgave wordt de relatie tussen hoekmaat en afstand uitgerekend in een vlak expanderend heelal.

Prof.dr. A. Achterberg, IMAPP

8 De gravitationele afbuiging van licht

Prof.dr. A. Achterberg, IMAPP

Werkcollege III Het Heelal

1 Roodverschuiving en Planck spectrum

Prof.dr. A. Achterberg, IMAPP

Gravitatie en kosmologie

Kosmologie. Oorsprong van het heelal, onstaan van de eerste objecten en structuren, evolutie van de ruimtelijke verdeling van materie.

FLRW of Lambda-CDM versus Kwantum Relativiteit

1 Roodverschuiving en Planck spectrum

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

Gravitatie en kosmologie

Gravitatie en kosmologie

(voor radiële bewegingen) v > 0: van ons af v < 0: naar ons toe. Inleiding astrofysica 2. De Hubble wet

Donkere Materie. Bram Achterberg Sterrenkundig Instituut Universiteit Utrecht

16 Hoe groot moet de inflatie-factor Z infl ten minste zijn?

HOVO cursus Kosmologie

Tentamen: Gravitatie en kosmologie

Gravitatie en kosmologie

Tentamen: Gravitatie en kosmologie

STERREN EN MELKWEGSTELSELS

Gravitatie en kosmologie

Werkcollege III Het Heelal

8 Relativistische sterren

naarmate de afstand groter wordt zijn objecten met of grotere afmeting of grotere helderheid nodig als standard rod of standard candle

2 Kromming van een geparametriseerde kromme in het vlak. Veronderstel dat een kromme in het vlak gegeven is door een parametervoorstelling

College Fysisch Wereldbeeld 2

J.W. van Holten

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

Oerknal kosmologie 1

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

Newtoniaanse kosmologie De kosmische achtergrondstraling Liddle Ch Het vroege heelal Liddle Ch. 11

Stervorming. Scenario: Jonge sterren komen voor in groepen (vormen dus samen, tegelijkertijd) Jeans massa. Voorbeelden:

Thermodynamica rol in de moderne fysica Jo van den Brand HOVO: 13 november 2014

Newtoniaanse kosmologie 5

STERREN EN MELKWEGSTELSELS

Gravitatie en kosmologie

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Technische Natuurkunde Examen Elektromagnetisme 3 (3NC30) donderdag 30 juni 2011 van 14u00-17u00

Mathematical Modelling

Gravitatie en kosmologie

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Biomedische Technologie, groep Cardiovasculaire Biomechanica

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

Vectoranalyse voor TG

Inleiding Astrofysica Tentamen 2009/2010: antwoorden

Gravitatie en Kosmologie

5 Juli HOVO-Utrecht

HOVO cursus Kosmologie

Honderd jaar algemene relativiteitstheorie

Het mysterie van donkere energie

De uitdijing van het heelal en inflatie

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

De Energie van het Vacuüm

Tentamen Fysica in de Fysiologie (8N070) deel AB herkansing, blad 1/5

Uitwerking Tentamen Klassieke Mechanica I Dinsdag 10 juni 2003

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

Inleiding Astrofysica College 8 9 november Ignas Snellen

STERREN EN MELKWEGSTELSELS

Speciale relativiteitstheorie

( ) ( r) Stralingstransport in een HI wolk. kunnen we dit herschrijven als: en voor een stralende HI wolk gezien tegen een achtergrondstralingsveld

. Vermeld je naam op elke pagina.

De evolutie van het heelal

Newtoniaanse Kosmologie Newtonian Cosmology

Uitwerkingen van het Tentamen Moleculaire Simulaties - 8C Januari uur

natuurkunde vwo 2018-II

Tentamen Fysica in de Fysiologie (8N070) deel A2 en B, blad 1/6

Gravitatie en kosmologie

Newtoniaanse kosmologie De singulariteit in het begin Liddle Ch De toekomst 7.3 Het standaardmodel Liddle Ch. 15

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Technische Natuurkunde Examen Elektromagnetisme 3 (3NC30) donderdag 14 april 2011 van 9u00-12u00

Newtoniaanse Kosmologie Newtonian Cosmology

Hertentamen Klassieke Mechanica a, 15 juli 2015, 14u00 17u00 Let op lees onderstaande goed door!

HOVO cursus Kosmologie

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

STERREN EN MELKWEGSTELSELS

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Biomedische Technologie, groep Cardiovasculaire Biomechanica

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

Vectoranalyse voor TG

Gravitatie en kosmologie

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Biomedische Technologie, groep Cardiovasculaire Biomechanica

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

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

Examen Algemene natuurkunde 1, oplossing

Opgave 1 Koolstof-14-methode

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Eindtoets Experimentele Fysica 1 (3A1X1) - Deel november 2016 van 14:30 16:30 uur

Tentamen Planetenstelsels met oplossingen 19 april 2012 Docent: Dr. Michiel Hogerheijde

V A D E M E C U M M E C H A N I C A. 2 e 3 e graad. Willy Cochet Pagina 1

Sterrenstelsels: een aaneenschakeling van superlatieven

Inleiding astrofysica Sterren 1. Sterren begrijpen. Inleiding Astrofysica. Het Hertzsprung-Russell diagram. Spectraal typen.

Technische Universiteit Eindhoven Tentamen Thermische Fysica II 3NB65. 6 juli 2012, uur

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Biomedische Technologie, groep Cardiovasculaire Biomechanica

Tentamen Fysica in de Fysiologie (8N070) deel AB herkansing, blad 1/5

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

Thermische Fysica 2 - TF2 Statistische Fysica en Sterevolutie

natuurkunde vwo 2019-II

Newtoniaanse kosmologie 4

Eindronde Natuurkunde Olympiade 2014 theorietoets deel 1

Formules voor Natuurkunde Alle formules die je moet kennen voor de toets. Eventuele naam of uitleg

Transcriptie:

Prof.dr. A. Achterberg, IMAPP www.astro.ru.nl/~achterb/

Schaalfactor R(t) Ω 0 <1 Ω 0 =1 Ω 0 >1 dichtheid kromming evolutie H 0 t

1. Vlakke ruimte-tijd. Afstandsrecept tussen gebeurtenissen: ds = c dt d x +d y +dz ( ) tijdsdeel ruimtedeel

Afstand tussen punten in de ruimte: l Afstand tussen twee gebeurtenissen: s

ds = c dt d x +d y +dz = 0 ( ) tijdsdeel ruimtedeel ds = cdt d = 0 d =± ct d

t Baan van een sterrenstelsel y x

Rt () () = () = D t ar t D0 R 0 Slimme keuze: Meebewegende coördinaten die niet veranderen tijdens expansie

s = c t () t x y +dz = c dt d ( ) R d d d +d tijdsdeel Effect Expansie mbw ruimtedeel

Fotonbaan in Speciale Relativiteit: ds = c dt dx = 0 foton Fotonbaan voor vlak heelal in Algemene Relativiteit: ds = c d t R ()d t x = 0 foton cm

ds = c d t R ()d t x = 0 foton cm ( ) ( ) xyz,, = Rt () xyz,,, d x = Rt () dx phys cm phys cm Schaaltransformatie!

ds = c d t R ()d t x = 0 foton cm ds = c dt dx = 0 foton phys ( ) ( ) xyz,, = Rt () xyz,,, d x = Rt () dx phys cm phys cm Schaaltransformatie!

Toepassing 1: Afstand tot een ver object (sterrenstelsel) object ( ) dt = 0, ds = d = R ( t) d x +d y +d z = R ( t)dr d = Rt ()d r = Rt () d r= Rtr () r 0 object

d d d +d +d d d 0 s = c t x y z = c t = ( ) R () t tijdsdeel Effect Expansie mbw ruimtedeel dr d x +d y +dz d ct d Rt () Rt () ± =± =±

0 ct d ct d' d r rt ( ) rt ( ) ( ) Rt ( ') =± 0 em Rt =± t t em Formele integratie Fysische afstand BRON op moment van ontvangst: Dt ( 0) = Rt ( 0) r= Rt ( 0) t t 0 em ct d' Rt ( ')

Foton op tijdstip t Waarnemer ct d Bron op tijdstip t Foton op tijdstip t 0 R0 ct d Rt () Waarnemer Bron op ontvangstijdstip t 0

t0 R0 foton ( em 0) = d Rt () t D t t ct em [ ] ct d = afgelegde weg in tijdsinterval t, t+ dt R 0 Rt () = universele "oprekfactor" in tijdspanne t t t.g.v. Hubble-expansie 0

D H = Horizonafstand

(Friedmann)-Robertson-Walker metriek dr ds c dt r kr 1 c = R () t + d + r sin θ θ dφ

Friedmann Heelal met Rt () t /3

Rt () t /3 Fysische afstand

Comoving afstand Hier en nu!

t0 R0 hor = foton (0 0) = d Rt () 0 D D t ct Alle informatie over HOE het heelal expandeert zit verborgen in het gedrag van R(t)!

t0 R0 hor = foton (0 0) = d Rt () 0 D D t ct /3 0 /3 t t R() t = R D = cdt = 3ct 0 hor 0 t0 t 0 0 t

t0 R0 H = foton (0 0) = d Rt () 0 D D t ct Λ 8πGρ Rt ( ) = R0exp ( HΛ( t t0) ), HΛ = = 3 3 t 0 c c D = exp H ( t t) cdt = exp( H t ) 1 exp( H t ) ( ) ( ) H Λ 0 Λ 0 Λ 0 H H 0 Λ Λ vac

Licht in een De-Sitter heelal met R(t) ~ exp(h Λ t): de foton inhaalrace tijd H Λ t Dt ( ) c = D = H Λ 0 0 tijd H Λ t foton verre bron Fysische afstand D/D 0 Meebewegende afstand r cm /D 0

Licht in een De-Sitter heelal met R(t) ~ exp(h Λ t): de foton inhaalrace tijd H Λ t c Dt ( 0) = D0 = H Λ tijd H Λ t foton verre bron Fysische afstand D/D 0 Meebewegende afstand r cm /D 0

Kies R 0 = 1 (dwz: meebewegende afstand = huidige afstand) c Rt ( ) = exp HΛ( t t0), DH( t) = exp( HΛt) 1 H ( ) ( ) D ( t) c exp( H t) 1 c r ( t > t ) = = voor t t H Λ cm 0 0 Rt ( ) HΛ exp ( HΛ( t t0) ) HΛ Λ

Bronafstand: Foton 1: t0 R0 1 = foton ( em 0) = d Rt () t D D t t ct em Foton : t + t 0 0 R D= ct d = D+ H t D D ( ) 0 1 0 0 1 1 Rt () tem + t em verwaarloosbaar

t + t t t + t t + t R0 R0 ct d ct d ct d = ct d = Rt () Rt () Rt () Rt () 0 0 0 em em 0 0 t + t t t t em em em em 0

tem + tem t0 + t0 ct d ct d c tem c t 0 = = (Kleine intervallen!) Rt () Rt () Rt ( em ) R t t 0 em 0

c t Rt ( ) = c t em 0 R em 0 z = roodverschuiving aankomend foton! t R = = ( 1 + z) = t λ 0 0 0 foton em Rt ( em ) λem

( ) ( ) Signaal in detector aantal binnenkomende fotonen/s energie per foton = Flux extra reductie met factor 1 + z door dilatatie reductie met factor 1+ z Detectoroppervlak ( energie per foton) reductie met factor 1+ z reductie met factor 1+ z Flux S L 1 1 L = = 4π D 1+ z 1+ z 4π D 1+ z ( ) L Luminosity Distance: DL = D 1+ z 4π S ( )

Een paar feiten: 1. Het heelal was vrijwel uniform toen de Kosmische Achtergrondstraling ontstond; (t ~ 100,000 jaar). Nu is de zichtbare materie geconcentreerd op de randen van grote holtes (Engels: voids) ( Zwitserse Kaas )

Planck resultaten: dt/t ~ 10-4 ~ dr/r op t ~ 100,000 jaar Redshift Survey (huidig heelal)

1. Simpelste model: contractie van een sferische wolk met straal R. We gebruiken: (1) massabehoud: M 4π ρ R 3 = 3 = constant () Newtonse gravitatie: g = GM R (3) verband druk-dichtheid: P= Kρ γ met γ = 5 / 3

Evenwicht-situatie M 4π ρ R 3 = 3 = constant g GM = P= Kρ γ met γ = 5 / 3 R

3 R γ ρ R ρ R ρ = 3 ρ, P ρ P= γp = 3γP R ρ R

GM GM g = g = R ( R R R!) 3 R R

Centrale vraag: wint druk of zwaartekracht? Een beetje natuurkunde van gassen: druk: P kt ρ b = nkbt = mh Voor waterstofgas: kt b m H is "thermische snelheid" geluidsnelheid Thermische energie/gram = kt b m H

Centrale vraag: wint druk of zwaartekracht? Energie-argument: kt kt GM ( < r) W( R) d r 4 r () r d r 4 r m m r R R 3 b 3 b = π ρ +Φ = π ρ 0 massa in een bolschil 0 met dikte dr thermische + gravitationele energie per massa-eenheid 3 kt 3GM M m R b = 5 M = 4π ρ R 3 3

Krachtenbalans: een ruwe berekening Drukkrachtverandering: F 1 P 3γ P R R = ( P) = 3C = s ρ ρ ρr ρ R R Verandering zwaartekrachtsversnelling: GM 8πGρ g = R= R 3 R 3 Zwaartekracht wint als F 9Cs g > R> ρ 8πGρ

3 kt b 3GM W( R) = M = Wth + W m 5 R grav Voor kleine veranderingen in straal, druk en dichtheid: kt b Wth = P = ρ 4 R R m ( π ) Wgrav 3 GM grav ( ) W = R = R R 5 R

3 kt b 3GM W( R) = M = Wth + W m 5 R grav Voor kleine veranderingen in straal, druk en dichtheid: kt b Wth = P = ρ 4 R R m ( π ) Wgrav 3 GM grav ( ) W = R = R R 5 R W 3 M = m 5 R R kt b 3 GM R

W = 3M m 5 R R kt b 3 GM R kt b R R λ J = 3M 1 m R Stabiliteitscriterium: M = 4π ρ R 3 3 15 kt/ m kt/ m 4π Gρ Gρ b b > < W 0 R λ J Compressie kost energie: STABIEL! (wolk veert terug )

W = 3M m 5 R R kt b 3 GM R kt b R R λ J = 3M 1 m R Stabiliteitscriterium: 15 kt/ m kt b / m 4π Gρ Gρ b W > 0 R< λj Compressie kost energie: STABIEL! (wolk veert terug ) W < 0 R> λ J Compressie levert energie op: INSTABIEL, wolk stort in!

R kt/ m Gρ b > λj = Jeans Lengte