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

Overzicht Frank Verbunt Het heelal Nijmegen 2014

Vandaag: Kosmologie

uitdijing heelal theorie: ART afstands-ladder nucleo-synthese 3 K achtergrond

Boek: n.v.t.

Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen)

Het heelal

Nijmegen, 12 maart 2014

1 / 26

Vesto Slipher ontdekt dat sterstelsels van ons af bewegen

Eerste meting 1912: Andromeda nevel komt op ons af: vr = −300 km/s. Meeste andere sterstelsels bewegen van ons af: V.M. Slipher , 1917, Proceedings of the American Philosophical Society, vol. 56, p.403-409 Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen)

Het heelal


2 / 26

Edwin Hubble: verre stelsels bewegen sneller van ons af

v , d moderne snelheid, afstand, vH , dH snelheid, afstand volgens Hubble Hubble 1929 Proceedings of the National Academy of Science, 15, 168 Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen)

Het heelal


3 / 26

Het heelal in de algemene relativiteits-theorie Einstein 1915

Het Heelal

zwaartekracht = versnelling (lokaal)

‘Copernicaans principe’: de zon is niet bijzonder in het heelal ‘Uitgebreid Copernicaans principe’: er zijn geen bijzondere plaatsen in het heelal

leidt tot waanzinnig ingewikkelde vergelijking die kan alleen worden opgelost voor twee heel eenvoudige gevallen

homogeen: overal even grote massa-dichtheid

1: sferische massa in verder leeg heelal (klassieke tests)

isotroop: in alle richtingen hetzelfde

Schwarzschild vond analytische oplossing! gevolg: theorie zwart gat

vergelijking wordt dan heel eenvoudig

2: homogeen, isotroop heelal Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen)

Het heelal

2e-orde differentiaal vergelijking: 2 integratie-constantes Nijmegen, 12 maart 2014

4 / 26

De veldvergelijking van Einstein 1915

. Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen)

verdeling massa = kromming v.d. ruimte Het heelal


5 / 26

Kosmologie: theorie voor uitdijend heelal: lokaal

kosmologisch principe: heelal is homogeen en isotroop bekijk (uitdijende) bol: de krachten op de bol van alle materie buiten de bol heffen elkaar op; voor de dynamica van de bol hoeft alleen de bol zelf te worden beschouwd de kracht van de bol kan worden beschreven als die van puntmassa in centrum dit geldt zowel in Newtonse theorie als in Einsteins algemene relativiteitstheorie Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen)

Het heelal


6 / 26

Kosmologie: theorie voor uitdijend heelal Uitdijende bol totale energie m van massa m aan oppervlak: GMm 1 mv 2 − = m 2 R

uitdijende lokale bol

>0 =0 <0

eeuwige uitdijing eeuwige uitdijing uitdijing wordt krimp combineer met Hubble v = HR: 1 2 2 GM H R − = 2 R kritische dichtheid ρc : voor = 0: 1 2 2 G 4π 3 3H 2 H R − R ρc = 0 ⇒ ρc = 2 R 3 8πG Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen)

Het heelal


7 / 26

Kosmologie: terzijde jaren 1920

Georges Lemaître 1894-1966

Einstein 1915: sterren (niet sterstelsels) bewegen niet systematisch t.o.v. Zon statisch heelal: oplossing v = 0; ‘kosmologische constante’ Friedman 1921: dit is niet stabiel (Einstein negeert dit) Lemaître 1927: volgens Slipher dijt het heelal uit: dit volgt ook uit de ART; het heelal is ontstaan uit een enorm ‘oer-atoom’, dat ontplofte Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen)

Het heelal


8 / 26

Kosmologie: is het heelal wel homogeen? roodverschuiving z

metingen

algemeen

s ∆λ z≡ = λ

1+ 1−

v c v c

voor kleine snelheden (v c): z≡

∆λ v = λ c

Combineren met de wet van Hubble geeft R (nu) 1+z = R (toen) cz = 15000 km/s ⇒ z = 0.05 Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen)

Het heelal


9 / 26

Kosmologie: bepaling van H = meten van afstanden afstand uit hoofdreeks Afstandsladder 1: 2: 3: 4:

parallax resultaat: hoofdreeks hoofdreeks-fitten sterhoop Cepheïden supernova Ia

getrokken lijn: onderkant hoofdreeks in Hipparcos plot. Lv = 4πd 2 fv , varieer d. zwart: 100 pc is te ver; rood: 45 pc is OK Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen)

Het heelal


10 / 26

Kosmologie: bepaling van H = meten van afstanden

Cepheiden Afstandsladder 1: 2: 3: 4:


Sommige Cepheïden hebben een met HIPPARCOS gemeten afstand. In sommige sterhopen zitten Cepheïden: afstand daarvan bekend: gebruik dit om periode-lichtkracht relatie te ijken


Het heelal


11 / 26

Kosmologie: bepaling van H = meten van afstanden

M100 Afstandsladder 1: 2: 3: 4:


Gebruik Cepheïden om afstanden tot sterstelsels te bepalen. Sommige sterstelsels hebben supernova type Ia: gebruik dit om maximale helderheid te bepalen.


Het heelal


12 / 26

Kosmologie: bepaling van H = meten van afstanden correctie voor lengte Afstandsladder 1: 2: 3: 4:


Sommige sterstelsels hebben supernova type Ia: gebruik dit om maximale helderheid te bepalen. Groot programma met Hubble Space Telescoop: resultaat H = 75 km/s/Mpc


Het heelal


13 / 26

De Big Bang theorie Terugrekenen volgens Gamow

George Gamow 1904-1968

een uitdijend gas koelt af het heelal was vroeger dichter en heter dus: kernfusie: alle elementen in vroegste heelal gemaakt (nu: eerste 3 minuten) Alpher, Bethe, Gamow 1948 bij uitdijend gas worden electronen ingevangen door protonen: heelal doorzichtig (nu: na 300 000 jaar) straling en materie koelen onafhankelijk straling nu 5 á 50 K Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen)

Het heelal


14 / 26

De Big Bang theorie Wat een onzin. . .

Fred Hoyle 1915-2001

Fred Hoyle vindt het onzin geeft model spotnaam: Big Bang wordt geuzen-naam. . . alle elementen in sterren gemaakt Burbidge, Burbidge, Hoyle, Fowler 1957 Uiteindelijk hadden Gamow en Hoyle beiden deels gelijk, deels ongelijk


Het heelal


15 / 26

Kosmologie en de aard van donkere materie Kernfusie fusie van waterstof, helium,lithium en deuterium in eerste minuten bij ∼ 109 K competitie tussen uitdijing en fusie bepaalt de uiteindelijke abundanties

Baryon-dichtheden ρb , in verhouding tot de kritische dichtheid ρc , die kloppen met de gemeten elementabundanties

expansie-snelheid volgt uit totale (kritische) massa-dichtheid; fusie uit de baryonen-massadichtheid

⇒ abundanties beperken de verhouding tussen baryonische en kritische massa-dichtheden Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen)

(volgens Steigman 2005)

Het heelal


16 / 26

1963: Ontdekking 3 K achtergrond straling Arno Penzias, Robert Wilson

COBE / WMAP

uit alle richtingen 3 K + dipool=richting eigen beweging Gamow vergeten (?!): Dicke doet theorie Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen)

Het heelal


17 / 26

3 K achtergrond straling: 3 satellieten


Het heelal


18 / 26

3 K achtergrond straling: fluctuaties: 9 yr WMAP

variatie over hemel zeer klein: ∆T ∼ 10−5 T . Hoe kan dat als de ene kant niet van de andere weet?


Het heelal


19 / 26

3 K achtergrond straling: fluctuaties: 1 jr Planck

straling uit voorgrond (Melkweg) moet verwijderd worden. . . Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen)

Het heelal


20 / 26

3 K achtergrond straling: fluctuaties: 1 jr Planck

straling uit voorgrond (Melkweg) verwijderd. . .


Het heelal


21 / 26

3 K achtergrond straling: resultaten

satelliet Hubble constante leeftijd heelal baryon dichtheid donkere materie donkere energie

WMAP 9jr 70(2) km/s/Mpc 13.7(1) Gjr 0.046(2) 0.233(2) 0.721(25)


Planck 67.9(1.5) 13.78(6) Gjr 0.0481(4) 0.257(5) 0.693(19)

Het heelal


22 / 26

Kosmologie: theorie van achtergrond naar struktuur Krimpen in Uitdijende bol de kosmische achtergronds-straling is zeer homogeen en isotroop (1 op honderdduizend)

Vorming van structuur in het heelal

clusters van sterstelsels zijn sterke verdichtingen, ze zijn ook al heel oud om deze snelle vorming te verklaren hebben we hoge materie-dichtheid nodig: donkere materie achtergrond over hele hemel zelfde: inflatie Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen)

Het heelal


23 / 26

Heet gas tussen clusters van sterstelsels: XMM Warm-hot intergalactic matter: WHIM de snijpunten van de filamenten vormen de clusters van sterstelsels kunnen we de filamenten zelf zien? beste kans als je langs een filament kijkt: dubbelcluster met XMM gelukt! (Werner ea 2008)


(Werner etheelal al. 2008) Het


24 / 26

Kosmologie: de geschiedenis van het heelal


Het heelal


25 / 26

Kosmologie: toepassing van bekende natuurkunde?

samenvatting

Toekomst

alle waarnemingen passen in coherent beeld maar ten koste van drie ad hoc aannamen:

(Planck satelliet:) nauwkeurige meting 3 K straling: details van inflatie

inflatie in zeer vroege heelal

versneller Genève: donkere materie?

bestaan van donkere materie

donkere energie ????

bestaan van donkere energie


Het heelal


26 / 26

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

Recommend Documents