Ősrobbanás: a Világ teremtése?

˝ Osrobbanás: a Világ teremtése? (A kozmológia alapjai) Horváth Dezso˝ [email protected] MTA KFKI Részecske– és Magfizikai Kutatóintézet, Budapest és MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen

Horváth Dezs˝o: A kozmológia alapjai

Telki, 2010.01.14

– p. 1/37

Vázlat Táguló világegyetem, kozmológiai elv. Kozmikus háttérsugárzás. ˝ Osrobbanás, infláció. ˝ Osrobbanás és vallás. Sötét anyag és sötét energia. COBE, WMAP Hubble-teleszkóp Forrás: http://hu.wikipedia.org/wiki/˝ Osrobbanás Stephen Hawking: Az ido˝ rövid története Talentum Kiadó, Budapest, 1998 Horváth Dezs˝o: A kozmológia alapjai

Telki, 2010.01.14

– p. 2/37

Elo˝ szó A fizika egzakt tudomány (képletgyujtemény!) ˝ Pontos matematikai formalizmuson alapszik. Elmélet érvényes, ha kiszámítható, és eredmény egyezik kísérlettel. Az igazi fogalmak mérheto˝ mennyiségek, a szavak csak mankók. Szavak mögött pontos matematika és kísérleti tapasztalat


Telki, 2010.01.14

– p. 3/37

Mi a kozmológia? Világegyetem egészével foglalkozik. Hogyan jött létre? Nem miért? Statikus vagy táguló? Lapos, nyitott vagy zárt? Anyaga, összetétele? ˝ Múltja, jövoje?


Telki, 2010.01.14

– p. 4/37

A Hubble-állandó Doppler-hatás: z = (λv − λ0 )/λ0 λv : hullámhossz v sebességnél Közeledo˝ motor hangja magasabb, távolodóé mélyebb William Huggins, 1868: csillagokban z > 0: vöröseltolódás ˝ Tolünk távolodó objektum fényhullámhossza no˝ ⇒ vörösebb Henrietta S. Leavitt, 1920: Változócsillagok (cefeidák) periódusa ∼ abszolút fényessége ⇒ távolságuk levezetheto˝ ˝ Edwin Hubble, 1929: Cefeidák galaxisokban távolodnak tolünk v = Hr sebességgel Hubble-konstans: H = 70 km/s/Mpc (1 Mpc ≈ 3 × 1022 m ≈ 3 × 106 fényév) (1 parsec = távolság, ahonnan 2× d(Nap-Föld) 1 szögmp alatt látszik)

A Világegyetem kora: H0−1 ∼ 14 × 109 év Horváth Dezs˝o: A kozmológia alapjai

Telki, 2010.01.14

– p. 5/37

Táguló világegyetem

Kozmológiai elv: Ha a tágulás lineáris v(B/A) = v(C/B) ⇒ v(C/A) = v(B/A) + v(C/B) = 2v(B/A) homogén világegyetem, nincs kitüntetett pont A világegyetem tágulása a téré, táguló koordináták tömegek között vonzás, lokális inhomogenitás ˝ Valamikor minden közelebb volt: osrobbanás (Big Bang)


Telki, 2010.01.14

– p. 6/37

Kozmikus háttérsugárzás Arno Penzias és Robert Wilson, 1964 (Nobel-díj, 1978) Kiszurhetetlen ˝ mikrohullámú háttérsugárzás Modell: T=3 K kozmikus sugárzás (CMB) COBE: COsmic Background Experiment ˝ T = 2, 728 K, pontos homérsékleti görbén eredetileg 3000 K-es fotonok lehülése (1000-szeres!) táguláskor Helyi irány-anizotrópia: magok galaxisok kialakulásához ˝ Megerosítés, sokkal pontosabban: WMAP: Wilkinson Microwave Anisotropy Probe John C. Mather és George F. Smoot (COBE): Nobel-díj, 2006 A COBE urszonda ˝


Telki, 2010.01.14

– p. 7/37

A COBE anizotrópiája Vörös = 2,721 K kék = 2,729 K Dipól: Nap mozgása

Tejútrendszer

Maradék anizotrópia


Telki, 2010.01.14

– p. 8/37

A WMAP anizotrópiája, 2001-2003


Telki, 2010.01.14

– p. 9/37

˝ Osrobbanás (Big Bang) Látható anyag: ∼ 75% hidrogén, ∼ 25% hélium, < 1% más ˝ hélium csak csillagokban, nem lenne ennyi Hidrogénbol ⇒ forró korai Univerzum kiadja Kozmikus háttérsugárzás eredete: Big Bang után 30 perc: plazma, T = 300 000 000 K. Sugárzás dominál, fotonok halmaza átlátszatlan közegben 380000 év: lehülés 3000 K-re, semleges atomok, fotonoknak átlátszó Mostanra: tágulás, fotonok lehultek ˝ Galaxisok eredete: Térbeli anizotrópia ⇒ sötét anyag gravitációs gödrei ⇒ barionos anyag sur ˝ usödése ˝ ⇒ csillagok begyulladnak Horváth Dezs˝o: A kozmológia alapjai

Telki, 2010.01.14

– p. 10/37

˝ Osrobbanás, felfúvódás, sugárzás


Telki, 2010.01.14

– p. 11/37

˝ Osrobbanás, evolúció és vallás ˝ Osrobbanás értelmezéséhez az evolúció a fo˝ kérdés Protestantizmus általában elveti. Vatikán flexibilis. ˝ XII. Pius beletörodött az evolúcióba és 1951-ben üdvözölte ˝ az Orobbanást, mint a Világ teremtését II. János Pál, Pontifical Academy of Sciences, 1996: Mára ... új tudásunk elfogadja, hogy az evolúció elmélete több, mint hipotézis. Valóban figyelemre méltó, ahogy a kutatók a tudomány különbözo˝ területein tett felfedezések hatására, fokozatosan elfogadták ezt az elméletet. A függetlenül végzett munka eredményeinek sem nem keresett, sem nem fabrikált konvergenciája önmagában is ˝ bizonyítéka az elméletnek. jelentos


Telki, 2010.01.14

– p. 12/37

Evolúció és vallás 2009. február: G. Ravasi bíboros, a Pontifical Academy of Sciences elnöke, abból az alkalomból, hogy a Vatikán konferenciát szervezett Charles Darwin: A fajok eredete megjelenésének 150. évfordulójára: Habár a Vatikán korábban ellenséges volt a darwinizmussal szemben, soha nem vetette hivatalosan el. ... Az evolúció ötlete már Szent Ágoston és Aquinói Szent Tamás ˝ müveiben is fellelheto. ˝ osanyagot ˝ Szent Ágoston (354–430): Isten a semmibol ˝ teremtett, észcsirákat helyezett el benne, abból fejlodött ki a ˝ és folytonos teremtésnek hívta) Világ (ezt kettos


Telki, 2010.01.14

– p. 13/37

˝ Osrobbanás és vallás II. János Pál, Pontifical Academy of Sciences, 1996: ... úgy tunik, ˝ hogy a modern tudománynak sikerült megtalálnia az ˝ ˝ az elsodleges fiat lux (legyen világosság) pillanatát, amikor a semmibol ˝ az elemek meghasadtak anyag mellett fény és sugárzás tengere tört elo, és kavarogtak és galaxisok millióivá váltak. ... Tehát megtörtént a ˝ Tehát Isten létezik! teremtés. Kijelentjük: tehát létezik Teremto. ˝ Állítólag a kollégái viccelodésére Edwin Hubble kifakadt, hogy nem érti, miért volt az elméletére szükség Isten létének bizonyításához. Stephen W. Hawking, miután beszélt II. János Pállal, ˝ aki azt tanácsolta, ne feszegessék az Osrobbanás pillanatát, mert az Isteni beavatkozás volt: ˝ Örültem, hogy nem ismerte a konferencián éppen elhangzott eloadásom ˝ témáját — a lehetoségét annak, hogy a tér-ido˝ ugyan véges, de nincs ˝ határa, kezdete sem, tehát a Teremtésnek sincs idopontja.


Telki, 2010.01.14

– p. 14/37

Szent Ágoston vallomásai, XI. könyv ˝ ol ˝ (Dr. Vass József fordítása) Idézetek az idor ˝ teremtette V. fejezet: Isten a világot semmibol ˝ VI. fejezet: A teremto˝ ige nem lehetett valami idoben elhangzó parancs. Akárminek képzelem ugyanis azt a teremtést ˝ o˝ valamit, ami hordozója lett volna parancsodnak, megeloz biztosan nem volt, hacsak azt is meg nem teremted vala. ˝ X. fejezet: Muködött-e ˝ Isten a világ teremtése elott? ˝ XI. fejezet: Isten örökkévalóságához nincs köze idonek. ˝ Isten kifelé, vagyis teremto˝ XII. fejezet: A teremtés elott módon semmit nem cselekedett. ˝ nem volt ido, ˝ mert ez maga a XIII. fejezet: A teremtés elott teremtmény. Horváth Dezs˝o: A kozmológia alapjai

Telki, 2010.01.14

– p. 15/37

Szent Ágoston vallomásai, XII. könyv ˝ lett az osanyag, ˝ ˝ VII. fejezet: Semmibol az osanyagból az egész világ. ˝ IX. fejezet: Sem a mennyország, sem az osanyag ˝ megteremtése nem idoben történt. XIII. fejezet: Kezdetben teremté Isten a mennyországot és az ˝ ... a mennyet én szellemi égnek tartom, amelyben osanyagot a megismerés nem "rész szerint", nem "tükör által és homályban" (1Kor 13,12) történik, hanem egyenlo˝ a teljesen ˝ színre való látással. Nem hullámzik megvilágosított: a színrol egyszer erre, egyszer arra; hanem, amint említettem, ˝ egyszerre és együtt való látás, idobeli változás nélkül. XXIV. fejezet: Úgy vélekedik, hogy e szó "kezdetben" az Igét jelenti, de vallja, hogy más magyarázat is lehetséges. Horváth Dezs˝o: A kozmológia alapjai

Telki, 2010.01.14

– p. 16/37

A Hubble-teleszkóp ˝ Fellove: 1990.04.24 Tömeg: 11110 kg Közel körpálya, magassága: 559 km Keringés: 96–97 perc ˝ 2,4 m Átméro: Fókusztáv: 57,6 m Érzékeny hullámhosszak: Közeli infravörös optikai (látható) ultraibolya


Telki, 2010.01.14

– p. 17/37

A Hubble-teleszkóp muködése ˝


Telki, 2010.01.14

– p. 18/37

A Hubble-teleszkóp javítása az urben ˝

1993 óta több javítási akció: tükörkorrekció, giroszkópcsere (6!), muszerek ˝ cseréje Horváth Dezs˝o: A kozmológia alapjai

Telki, 2010.01.14

– p. 19/37

Hubble-teleszkóp: a Világegyetem mélye

250 nap megfigyelés egy sötét ponton ⇒ > 10000 tízmilliárd évnél régebbi galaxis Horváth Dezs˝o: A kozmológia alapjai

Telki, 2010.01.14

– p. 20/37

Hubble-teleszkóp: eredmények A galaxisok kialakulása már az ˝ Osrobbanás után 500-800 ˝ millió évvel megkezdodött Korai galaxisok kisebbek és kevésbé szimmetrikusak ⇒ gyorsabb formálódás A galaxisok centrumában általában fekete lyuk van A legtávolabbi felvételeken nyomon követheto˝ csillagok ˝ képzodése

Az ultramély felvétel kis része kinagyítva 1010 évvel fiatalabb galaxisok


Telki, 2010.01.14

– p. 21/37

Általános relatívitáselmélet Newtoni gravitáció + állandó fénysebesség (Einstein, 1916) Görbült térido˝ (t, x, y, z) ˝ Görbület tömegtol Szabadesés geodéziai vonalak mentén

Gravitációs potenciál ⇒ görbületi tenzor Friedmann-Lemaitre megoldás: általános relatívitáselmélet homogén univerzumra Horváth Dezs˝o: A kozmológia alapjai

Telki, 2010.01.14

– p. 22/37

Gravitációs lencse: tér görbülete


Telki, 2010.01.14

– p. 23/37

A Világegyetem jövo˝ je Ha nincs kozmológiai állandó, Λ = 0: k ≤ 0: nyílt univerzum, állandó, lassuló tágulás k > 0: zárt univerzum, big crunch

Ha Λ > 0: örökös, gyorsuló tágulás (∀k) Jelenlegi kép: Λ > 0; k = 0: Lapos, gyorsulva táguló Univerzum


Telki, 2010.01.14

– p. 24/37

˝ Osrobbanás (Big Bang) ido˝ rendje Esemény Planck-ido˝ (infláció ↓?) Nagy egyesítés Elektrogyenge ↑? (bariogenezis) Kvark → hadron Nukleonok Lecsatolódás Szerkezet kialakulása Mai helyzet

˝ ido˝ homérséklet 10−36 s 10−32 s

ρ1/4 1018 GeV 1016 GeV

10−6 s 1015 K 100 GeV 10−4 s 1012 K 100 MeV 1–1000 s 109 − 1010 K 0,1 – 1 MeV 105 év 2500 K 0,1 eV > 105 év 14 G év 2,7 K 3 · 10−4 eV


Telki, 2010.01.14

– p. 25/37

Sötét energia?? Kozmológiai állandó: Λ > 0 Einstein legnagyobb tévedése, mégis létezik Vákuum gravitáló energiája, összes tömeg 70%-a! ˝ Osrobbanás után nagy, korai univerzumban sokkal kisebb, térrel no˝ Ma dominál. Igazából micsoda? Nem vákuum-energia: 10−120 -szor kisebb (Elmélet és kísérlet eltérésére világrekord :-) Rengeteg modell, spekuláció: inflaton, kvintesszencia...


Telki, 2010.01.14

– p. 26/37

Sötét anyag Spirálgalaxisok sebessége kifelé nem csökken, pedig Kepler II: v = GMr (r) Sokkal több gravitáló anyag, mint látható Micsoda? WIMP... SUSY??

Látható tömegsur ˝ uség ˝ ∼ luminozitás: ρlum (r) ∼ I(r) De ρM (r) 6= ρlum (r)!


Telki, 2010.01.14

– p. 27/37

Fekete lyukak, sötét anyag Galaxisok magjában fekete lyukak (black hole, BH): MBH > 3 naptömeg, RBH pár km Einstein-kereszt: 10 milliárd fényévre levo˝ pulzárt több pontba nagyít és fókuszál 1 milliárd fényévre levo˝ galaxis fekete lyukkal a közepén (ESO, Very Large Telescope, Chile, 2008) Többszörös kép: nem egyenletes tömegeloszlás Fekete lyuk + sötét anyag


Telki, 2010.01.14

– p. 28/37

Anyagegyensúly ma Jelenleg: lapos, anyag-dominálta (ΩM >> ΩR ) Kozmológiai paraméterek: ΩR , ΩM = ΩB + ΩCDM , ΩΛ , H0 Barionos anyag (csillagok, fekete lyukak, por, gáz): ΩB ∼ 4% Csomósodó, nem-barionos, hideg sötét anyag: ΩCDM ∼ 26% Gyorsuló tágulás: sötét energia ΩΛ ∼ 70%


Telki, 2010.01.14

– p. 29/37

Antianyag az Univerzumban? ˝ elméleti tétel CPT-invariancia: legalapvetobb Töltés (C), térkoordináták (P), ido˝ (T) tükrözése nem változtat fizikát ⇒ anyag = antianyag De: nincsenek antianyag-galaxisok (nincs dicsfény) ˝ Sugárzási idoszak után 10−9 -nel több anyag (bariogenezis). Magyarázható CPT-sértés nélkül? Andrej Szaharov, 1967: Igen, 3 feltétel mellett: bariontöltés megmaradásának sértése CP-szimmetria sértése gyorsabb tágulás, mint barion-antibarion keltése ⇒ azonnali annihiláció kisebb valószínuséggel. ˝ CP-sértés igen, tágulás talán, barionszám-sértés nem. ˝ Kísérleti ellenorzés: LHCb a CERN-ben Horváth Dezs˝o: A kozmológia alapjai

Telki, 2010.01.14

– p. 30/37

Az LHCb kísérlet a CERN-ben


Telki, 2010.01.14

– p. 31/37

A történet eddig


Telki, 2010.01.14

– p. 32/37

Köszönöm a figyelmet


Telki, 2010.01.14

– p. 33/37

A WMAP eredménye, 2001-2003 Akusztikus spektrum: rezgési módusok Csúcsok helye: sötét anyag nem barionos Lapos Univerzum, Λ 6= 0


Telki, 2010.01.14

– p. 34/37

Távolságskála görbült térido˝ ben Együttmozgó koordináták: (t, r, Θ, Φ) 2 + r 2 (dΘ2 + sin2 ΘdΦ2 ) Euklideszi távolság: dℓ2 = dr h 2 i 2 dr 2 2 2 Görbült térben: dℓ2 = a2 (t) 1−kr 2 + r (dΘ + sin ΘdΦ ) ˝ a(t): 2D térido-görbület k : 3D térgörbület

k=0 lapos univerzum

k>0 zárt univerzum

k<0 nyílt univerzum

Galaxisok távolsága ∼ a(t) ⇒ tágulás


Telki, 2010.01.14

– p. 35/37

A Friedmann-törvény ¡ a˙ ¢2 8πG 8πG kc2 Λ 2 Skálaρ ρ ≡ H = + − + 2 2 2 a 3 3c R 3c M a tényezo˝ ∼ a−4 ∼ a−3 ∼ a−2 ∼ a0 változása: Sugárzás

anyag

görbület

vákuum

˝ Dominancia idorendje (némelyik elmaradhat)


Telki, 2010.01.14

– p. 36/37

Anyagegyensúly ma ˝ (X0 : mai érték, /H02 ) Friedmann-egyenletbol 8πG Λ kc2 ≡ ΩR + ΩM − Ωk + ΩΛ = 1 2 2 (ρR 0 + ρM 0) − 2 2 + 3H c a H 3H 2 0

0

0

0

Univerzum lapos, ha Ω0 = ΩR + ΩM + ΩΛ = 1 Jelenleg: lapos, anyag-dominálta (ΩM >> ΩR ) Kozmológiai paraméterek: ΩR , ΩM = ΩB + ΩCDM , ΩΛ , H0 Barionos anyag (csillagok, fekete lyukak, por, gáz): ΩB ∼ 4% Csomósodó, nem-barionos, hideg sötét anyag: ΩCDM ∼ 26% Gyorsuló tágulás: sötét energia ΩΛ ∼ 70%


Telki, 2010.01.14

– p. 37/37

Ősrobbanás: a Világ teremtése?

Recommend Documents