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

Vergelijkbare documenten
Prof.dr. A. Achterberg, IMAPP

Prof.dr. A. Achterberg, IMAPP

1 Roodverschuiving en Planck spectrum

Prof.dr. A. Achterberg, IMAPP

8 De gravitationele afbuiging van licht

1 Roodverschuiving en Planck spectrum

J.W. van Holten

Bram Achterberg Afdeling Sterrenkunde IMAPP, Radboud Universiteit Nijmegen

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

Prof.dr. A. Achterberg, IMAPP

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

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

Opgaven bij het vormen van ruimte: van Poincaré tot Perelman

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

HOVO cursus Kosmologie

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

Newtoniaanse kosmologie 4

Werkcollege III Het Heelal

TENTAMEN INLEIDING ASTROFYSICA WOENSDAG 15 DECEMBER,

Afstanden en roodverschuiving in een Stabiel Heelal Inleiding.

HOVO cursus Kosmologie

TENTAMEN WISKUNDIGE BEELDVERWERKINGSTECHNIEKEN

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

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

Oerknal kosmologie 1

HOVO cursus Kosmologie

Je weet dat hoe verder je van een lamp verwijderd bent hoe minder licht je ontvangt. Een

Newtoniaanse kosmologie 5

Gravitatie en kosmologie

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

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

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

****** Deel theorie. Opgave 1

Oplossing 1de deelexamen Calculus II van 29/2/2012

Uitwerkingen Tentamen Gewone Differentiaalvergelijkingen

Hoofdstuk 10: Partiële differentiaalvergelijkingen en Fourierreeksen

Donkere Materie. Bram Achterberg Sterrenkundig Instituut Universiteit Utrecht

Uitwerkingen van de opgaven bij het vormen van ruimte: van Poincaré tot Perelman

Inleiding Astrofysica Tentamen 2009/2010: antwoorden

Examen VWO. Wiskunde B Profi

wiskunde B havo 2015-II

Uitdijing van het heelal

HOVO cursus Kosmologie

TE TAME I LEIDI G ASTROFYSICA WOE SDAG 6 FEBRUARI 2013,

Combinatoriek groep 1 & 2: Recursie

De evolutie van het heelal

ax + 2 dx con- vergent? n ln(n) ln(ln(n)), n=3 (d) y(x) = e 1 2 x2 e 1 2 t2 +t dt + 2

168 HOOFDSTUK 5. REEKSONTWIKKELINGEN

Inleiding Analyse 2009

STERREN EN MELKWEGSTELSELS

Tentamen Inleiding Meten en Modelleren Vakcode 8C120 7 april 2010, uur. Het gebruik van een (grafische) rekenmachine is toegestaan.

TRILLINGEN EN GOLVEN HANDOUT FOURIER

1. Orthogonale Hyperbolen

Indicatie van voorkennis per les Algemene relativiteitstheorie Docent: Dr. H. (Harm) van der Lek

Gravitatie en kosmologie

Probeer de vragen bij Verkennen zo goed mogelijk te beantwoorden.

Tussentoets Analyse 2. Natuur- en sterrenkunde.

Gravitatie en kosmologie

Tentamen: Gravitatie en kosmologie

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

Notatie Voor een functie y = y(t) schrijven we. Definitie Een differentiaalvergelijking is een vergelijking van de vorm

TENTAMEN INLEIDING ASTROFYSICA WOENSDAG 14 DECEMBER,

Het drie-reservoirs probleem

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

Gravitatie en kosmologie

TENTAMEN WISKUNDIGE BEELDVERWERKINGSTECHNIEKEN

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

Je moet nu voor jezelf een overzicht zien te krijgen over het onderwerp Complexe getallen. Een eigen samenvatting maken is nuttig.

Tentamen Statistische Thermodynamica MST 19/6/2014

Opdracht 3: Baanintegratie: Planeet in een dubbelstersysteem

TENTAMEN ELEKTROMAGNETISME (8N010)

Vectoranalyse voor TG

Eindpunt van een ster Project voor: middelbare scholieren (profielwerkstuk) Moeilijkheidsgraad: Categorie: Het verre heelal Tijdsinvestering: 80 uur

TE TAME I LEIDI G ASTROFYSICA WOE SDAG 12 DECEMBER 2012,

Achter het correctievoorschrift is een aanvulling op het correctievoorschrift opgenomen.

Trillingen en geluid wiskundig

WPO Differentiaalmeetkunde I

S n = tijdstip van de n-de gebeurtenis, T n = S n S n 1 = tijd tussen n-de en (n 1)-de gebeurtenis.

Machten, exponenten en logaritmen

7. Hamiltoniaanse systemen

2 Kromming van een geparametriseerde kromme in het vlak

2010-I. A heeft de coördinaten (4 a, 4a a 2 ). Vraag 1. Toon dit aan. Gelijkstellen: y= 4x x 2 A. y= ax

HERTENTAMEN WISKUNDIGE BEELDVERWERKINGSTECHNIEKEN

Krommen in de ruimte

H. 8 Kwadratische vergelijking / kwadratische functie

Tentamen: Gravitatie en kosmologie

TW2040: Complexe Functietheorie

wiskunde B pilot havo 2015-II

Tentamen Mechanica ( )

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

Samenvatting Newtoniaanse Kosmologie

KWADRATISCHE VERGELIJKINGEN, HET GULDEN ZADELVLAK, EN DE REGELMATIGE VIJFHOEK.

Aanwijzingen bij vraagstukken distributies

Schoolexamen Moderne Natuurkunde

Schriftelijke zitting Regeltechniek (WB2207) 3 november 2011 van 9:00 tot 12:00 uur

Hoe meten we STERAFSTANDEN?

4 Vergelijkingen. Verkennen. Theorie en Voorbeelden

Airyfunctie. b + π 3 + xt dt. (2) cos

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

5 Juli HOVO-Utrecht

Transcriptie:

12 De hoekafstand In een vlak, statisch, niet expanderend heelal kan men voor een object met afmeting d op grote afstand D (zodat D d) de hoek i berekenen waaronder men het object aan de hemel ziet. Deze hoek wordt gegeven door de relatie tan i i = d D. (12.1) Voor gegeven afmeting d neemt deze hoek monotoon af met toenemende afstand D. Men kan met behulp van deze relatie de hoekafstand van een object definiëren als: D h = d i. (12.2) In deze opgave wordt de relatie tussen hoekmaat en afstand uitgerekend in een vlak expanderend heelal. a. Bekijk een bron met afmeting d en met meebewegende (wat betekent dat?) afstand a. Deze bron zendt op t = t em een foton uit dat ons op t = t 0 bereikt. Maak een tekening die de situatie weergeeft, zowel op tijdstip van foton-emissie t em als op het tijdstip t 0 van foton-ontvangst. Laat in deze figuur zien: de positie van de bron bij uitzenden en ontvangst, resp. op afstand D em = R(t em )a en D o = R(t 0 )a; de rechtlijnige baan van twee fotonen, afkomstig van de twee uiteinden van de bron, die de waarnemer bereiken; de afmeting van de bron d en de hoek i. 34

b. Laat met behulp van die tekening zien dat de hoek waaronder we de bron waarnemen wordt vastgelegd op het tijdstip van uitzenden, en daarom óók bij ontvangst op tijdstip t 0 wordt gegeven door i d D em = d R(t em )a. (12.3) c. Men kan de hoekafstand in een expanderend heelal op dezelfde manier definiëren als in een vlak, statisch heelal (vergelijking 12.2). Bewijs dat de hoekafstand D h dan wordt gegeven door D h = D 0 1 + z, (12.4) met z de roodverschuiving van de bron 5, en D 0 zijn fysische afstand op het moment t 0 van ontvangst. We plaatsen ons nu in de positie van een typische waarnemer, die alleen de hoekmaat i, de roodverschuiving z van de bron en de ouderdom t 0 van het heelal bij fotonontvangst weet. We gebruiken de relatie die voor de afstand D 0 tot de bron heeft in termen van schaalfactor, emissie-tijdstip en ontvangstijdstip: D 0 = R 0 a = R 0 t0 t em c dt R(t). (12.5) Hier gebruik ik de notatie R 0 R(t 0 ). We bekijken het simpelste Friedmann model: een door materie gedomineerd, vlak heelal met expansiewet ( ) 2/3 t R(t) = R 0. (12.6) t 0 5 Wat was ook al weer de relatie tussen schaalfactor en roodverschuiving? 35

d. Laat zien dat de volgende relaties gelden: t em = t 0 (1 + z) 3/2, D 0 = 3ct 0 1 ( tem t 0 ) 1/3. (12.7) e. Laat nu behulp met de resultaten van d zien dat de hoek waaronder we een object van afmeting d zien in een vlak heelal dat expandeert als R t 2/3 als functie van de roodverschuiving wordt gegeven door: ( ) d i = d H (1 + z) 3/2 1 + z 1. (12.8) In deze uitdrukking is d H = 3ct 0 de horizonafstand in een heelal dat expandeert als R t 2/3, zoals uitgerekend in opgave 1.9 voor α = 2/3. f. Maak een grafiek van het verloop van i als functie van de roodverschuiving z (gebruik een calculator). Wat valt daarbij op??? Hoe gedraagt i zich voor z 1 en voor z 1? g. Geef een fysische verklaring van het feit dat in een expanderend heelal de hoek waaronder men het object ziet niet monotoon afneemt met toenemende afstand (roodverschuiving), zoals met zou verwachten op grond van onze dagelijkse ervaring. 36

13 De Luminosity Distance Sterrekundige afstandsbepaling buiten ons eigen Melkwegstelsel gebruikt altijd de waargenomen helderheid van een object (magnitude) om, gegeven de lichtkracht (absolute magnitude) van dat object, de afstand te bepalen. Door dit voor vele objecten (veranderlijke sterren zoals de Cepheïden, gaswolken, ) te doen kunnen fouten door individuele verschillen worden uitgemiddeld. De flux F van een object met lichtkracht (uitgestraald vermogen) L op een afstand D is F vermogen oppervlak = L 4πD 2. (13.1) Deze formule gaat er van uit dat het object in alle richtingen even sterk straalt, zodat het uitgestraald vermogen (stralingsenergie/tijdseenheid) gelijkmatig is verdeeld over een bol met straal D. Als met L kent volgt de afstand meteen uit de waargenomen flux: D = L 4πF D L. (13.2) Deze relatie definieert de zgn. lichtkracht afstand (Engels: Luminosity Distance). Bovenstaande twee formules zijn geldig voor een object op vaste afstand, dus in een statisch (niet expanderend) heelal. In deze som bekijken wij hoe dit werkt in een expanderend heelal. a. Bekijk een bron met roodverschuiving z. Met wat voor factor verschilt de ontvangen foton-energie voor ieder foton van de foton-energie bij uitzenden? b. De waargenomen flux hangt niet alleen af van de energie per foton, maar ook van de snelheid waarmee opeenvolgende fotonen binnenkomen bij de waarnemer. Stel, gemiddeld gesproken vertrekken opeenvolgende fotonen een tijdspanne t e van elkaar bij de bron. Met welk tijdsinterval komen die fotonen bij de waarnemer binnen, en wat betekent dit voor de waargenomen flux (opgevangen vermogen per oppervlakte-eenheid)? 37

c. Op het moment van ontvangst staat de bron op een afstand D 0. Beredeneer nu op grond van de resultaten a en b dat de Luminosity Distance, als je die nog steeds definieert volgens uitdrukking (13.2), gegeven wordt door: D L = (1 + z) D 0. (13.3) Naschrift: Uit de laatste twee sommen kun je opmaken dat afstandsbepaling in een expanderend heelal wat ingewikkelder is: de hoekafstand D h en de lichtkracht afstand D L hangen samen met de werkelijke afstand D 0 op het moment van foton-ontvangst via de relaties: D h = D 0 1 + z, D L = D 0 (1 + z). (13.4) Daarbij dient te worden gerealizeerd dat astronomische metingen in het algemeen alleen leiden tot een situatie waar de waarnemers de beschikking hebben over de roodverschuiving, helderheid en (soms) hoekafmeting, zodat de afstandsbepaling via D L of D h moet geschieden. Het gebruik van de hoekafmeting, bijvoorbeeld bij uitgebreide radiobronnen (radio-sterrenstelsels) is bovendien zeer problematisch omdat deze klasse objecten een zeer heterogene populatie vormen. 38

14 Afstanden uitgedrukt als roodverschuivingsintegralen Waarnemers krijgen in het algemeen direct de roodverschuiving van de bron uit hun gegevens. Die roodverschuiving is gerelateerd aan de schaalfactor R 0 R(t 0 ) bij fotonontvangst en de schaalfactor R em R(t em ) op het moment van emissie via de relatie 1 + z 0 = R 0 R em, (14.1) met z 0 de waargenomen roodverschuiving. Omdat er een één op één correspondentie is tussen roodverschuiving, waarneemmoment t 0 en emissie-moment t em, gegeven een heelalmodel dat je R(t) geeft, kun je ook roodverschuiving gebruiken in plaats van de tijd door te definiëren: 1 + z(t) R 0 R(t), (14.2) dat wil zeggen: z(t) is de roodverschuiving van een denkbeeldig foton dat op tijdstip t vertrok (t t em ) en nu (d.w.z. op het vaste tijdstip t 0 t) aankomt. In deze som bekijken we hoe dit kan worden gebruikt om afstanden te berekenen. a. Laat zien dat de Hubble parameter op tijdstip t t 0 gelijk is aan Waarom is het minteken hier essentiëel? H(t) = 1 1 + z dz dt. (14.3) b. Bekijk vlak een heelal, gevuld met koude materie en een kosmologische constante (vacuüm-energie), zoals het ons eigen heelal. De bijbehorende Omega-parameters (op tijdstip t 0 ) zijn respectivelijk Ω m0 en Ω Λ0, zie ook Som 1.8. Laat zien dat Friedmann s vergelijking leidt tot: dz dt = H 0 (1 + z) Ω m0 (1 + z) 3 + Ω Λ0. (14.4) 39

c. Stel, we gebruiken de roodverschuiving z(t) in plaats van tijd zelf om bij te houden over welk tijdstip in de evolutie van het heelal we praten. Gebruik de relatie dz = ( ) dz dt dt (14.5) om te bewijzen dat de volgende relatie geldt voor het omschrijven van tijdsintegralen naar roodverschuivingsintegralen: t0 t e dt = z0 0 H 0 (1 + z) dz Ω (14.6) m0 (1 + z) 3 + Ω Λ0 Waar is het minteken gebleven? d. Laat nu zien met behulp van de op het college afgeleide definities dat de afstand D 0 tot een bron bij foton-ontvangst gelijk is aan D 0 = c H 0 z0 0 dz Ω m0 (1 + z) 3 + Ω Λ0 (14.7) Het voordeel van deze schrijfwijze moet duidelijk zijn: je meet z 0 en andere metingen geven je (hopelijk) goede waarden voor Ω m0 en Ω Λ0. Vergeet niet dat we een vlak heelal hebben aangenomen zodat Ω m0 + Ω Λ0 = 1. e. Bereken D 0 in termen van z 0 in twee grensgevallen: Een heelal zonder vacuümenergie, dus Ω m0 = 1 en Ω Λ0 = 0; Een leeg de Sitter heelal zonder materie, dus Ω m0 = 0 en Ω Λ0 = 1. In het algemene geval moet de integraal numeriek worden berekend: er is géén analytische formule voor! 40

15 INLEVEROPGAVE: Gekromde De Sitter-heelallen Als vacuüm-energie overheerst luidt de Friedmann vergelijking: ( 1 R ) 2 dr = H 2 Λ dt k R. (15.1) 2 Hier is k de krommingsparameter en is H Λ gedefiniëerd via de relatie H 2 Λ = 8πG ρ vac 3 = Λ 3, (15.2) met Λ de equivalente kosmologische constante. We gaan er van uit dat H Λ constant is. De simpele De-Sitter oplossing gaat uit van een vlak heelal met k = 0. Hier bekijken we de gevallen met k 0. Dit soort modellen zijn belangrijk voor de theorie van Inflatie, waar het heelal een vroege periode van (exponentieel) snelle expansie kent om zo het horizonprobleem en het vlakheidsprobleem van simpele Friedman modellen op te lossen. a. We bekijken eerste het geval k > 0 (gesloten, positief gekromd heelal). Laat nu het volgende zien: als we de dimensieloze variabelen τ = H Λ t, R = H Λ R k (15.3) definiëren, dan kan Friedmann s vergelijking worden geschreven als: ( ) 2 dr = R 2 1. (15.4) dτ 41

b. We kiezen de expanderende oplossingstak, waarvoor geldt R 1 (waarom??) en dr dτ = R 2 1. (15.5) Laat, op welke manier je ook maar wilt, zien dat de oplossing van deze gewone differentiaalvergelijking is 6 : R(τ) = cosh(τ), (15.6) als R = 1 op τ = 0. c. Hoe gedraagt deze oplossing zich voor τ 1? Geef in dat geval ook R(t), d.w.z. de oplossing in fysische variabelen. d. We bekijken vervolgens het geval k < 0: het open, negatief gekromd heelal. We introduceren nu de dimensieloze variabelen τ = H Λ t, R = H Λ R k. (15.7) Volg nu dezelfde (analoge) stappen als voor het geval k > 0, en laat uiteindelijk zien dat de expanderende oplossingen voldoen aan: R(τ) = sinh(τ), (15.8) als R = 0 op τ = 0. De opgave gaat door op de volgende pagina! 6 Voor wie het even vergeten is: de hyperbolische functies cosh(x) en sinh(x) zijn gedefiniëerd als cosh(x) = (e x + e x )/2, sinh(x) = (e x e x )/2 en voldoen aan cosh 2 (x) sinh 2 (x) = 1. 42

e. Hoe gedraagt deze oplossing zich voor τ 1? Geef in dat geval ook R(t), d.w.z. de oplossing in fysische variabelen. f. Wat concludeer je op grond van deze berekening over de invloed van kromming (i.h.b. het teken van k) op het tijds-asymptotisch gedrag (gedrag voor voor H Λ t 1) van inflatieoplossingen? Je mag het geval de Sitter geval met k = 0 in deze discussie betrekken. Naschrift: je ziet uit deze berekening dat de bij simpele Friedmann modellen (ρ vac = 0) geldende wet dat k > 0 een heelal geeft dat ooit weer instort, en k 0 een heelal dat altijd blijft expanderen hier niet langer geldt! 43