Kosmisk tid Universums m

1
Kosmisk tidUniversums mörka historia

• Edvard Mörtsell
• Stockholms Universitet

2
Något om mig själv

• Docent i teoretisk fysik
• Lektor i observationell kosmologi vid Stockholms
  Universitet

3
Vad är kosmologi?

• Studiet av Universum som helhet
• Hur stort är Universum?
• Vad består Universum av?
• Hur utvecklas Universum?
• Hur började allt?
• Hur slutar det?

4
En bild av Universum

• Hubble Space Telescope
• Det behövs 4000 bilder för att täcka månen
• Slutartiden är nästan två veckor
• Vi ser ungefär 100 000 000 000 000 000 gånger
  längre bort än månen
• Vi ser 10 000 000 000 år tillbaka i tiden

5
Matematik

• Mycket stora och mycket små tal
• 100 000 105
• 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000
  000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000
  000 000 1077
• 0.0001 10-4

6
Ljuset håller oss sällskap

• Ljus består av partiklar som kallas fotoner
• De färdas med en hastighet av ungefär en miljard
  kilometer i timmen
• Det motsvarar åtta varv runt jorden på en sekund

7
Avstånd och tid

• Det tar en dryg sekund för ljus från månen att nå
  oss på jorden

8

• Solljuset tar ungefär 8 minuter på sig
• Avståndet är åtta ljusminuter

9

• Avståndet till vår närmaste stjärna
• (förutom solen) är fyra ljusår!

10

• Avståndet till vår närmsta galax, Andromeda, är
  två miljoner ljusår

11
Subaru teleskopet (Hawaii)

• Galaxen på bilden ligger ungefär 13 miljarder
  ljusår bort

12
Vi lever på planeten jorden som snurrar runt
solen, vår närmsta stjärna
13
Ett universum av galaxer
Solen är en av 100 miljarder stjärnor i vår galax
Vintergatan, som är en av 100 miljarder galaxer i
(det synliga) Universum
14
Ett växande Universum

• Universum är stort, och blir större hela tiden
• Volymen har fördubblats på tre miljarder år

15
En modell av Universum

• 1878 Philipp von Jolly gav en av sina studenter
  rådet att inte satsa på en karriär inom fysiken
  eftersom alla viktiga upptäckter redan gjorts
• Studenten var Max Planck kvantfysikens grundare
• 1905 Albert Einstein förklarar fotoelektriska
  effekten (Nobelpris 1921)

16
Einsteins Annus Mirabilis 1905

• 26 år
• Fotoelektriska effekten
• Brownsk rörelse
• Speciella relativitetsteorin
• Massa är energi (E mc2)

17
Kosmologi under tidigt 1900-tal

• Universum Vintergatan
• Statiskt
• 1912 Cepheider och avstånd (Henrietta Swan
  Leavitt)
• Gasmoln (nebulosor)
• 1920 The Great Debate (Shapley vs Curtis)
• 1925 Andra galaxer (Edwin Hubble)
• 1929 Galaxer rör sig bort från oss
  (Slipher/Hubble/Humason)

18
Galaxerna rör sig
Edwin Hubble
Milton L Humason
Hubblekonstanten 0,1 km/h per ljusår
Vesto Slipher
19
Ett växande Universum
20
Speciella relativitetsteorin (1905)

• Galileo Galilei Mekanikens lagar oberoende av
  vilken (konstant) hastighet vi har
• Einstein Detta gäller alla fysikaliska lagar,
  därmed är ljushastigheten (c) den samma för alla
  (alla observatörer ekvivalenta)
• Rummet och tiden ej absoluta
• Ju högre hastighet, ju långsammare går tiden
• Rum-tiden

21
Rum-tiden

• En händelse är en viss plats i rummet vid en viss
  tid
• Olika personer mäter olika avstånd i rummet och
  olika tider mellan händelser
• Alla kan enas om avståndet mellan händelser i
  rum-tiden
• Receptet för att beräkna avstånd metrik

22
Avstånd i rum-tiden
23
Allmänna relativitetsteorin (1916)

• 1916 Einstein generaliserar relativitetsteorin
  till att gälla även observatörer som ändrar
  hastighet
• Ekvivalensprincipen Gravitation!

24
Materia kröker rum-tiden

• Tiden går långsammare nära tunga objekt
• En ljusstråle böjer av när den passerar ett tungt
  objekt

25
GPS

• Satelliterna rör sig snabbt klockor ombord går
  långsammare
• Satelliterna har mindre gravitation klockor
  ombord går snabbare
• Nettoeffekt GPS klockor fortar sig med 38
  miljondels sekunder per dygn

26
En metrik för Universum

• Skalfaktorn a(t) talar om hur stort Universum är
  och beror på Universums innehåll
• Vi kan beräkna hur Universums storlek ändras med
  tiden om vi vet vad Universum innehåller
• Vi kan lära oss vad Universum innehåller om vi
  kan mäta hur Universums storlek ändras med tiden

27
Universum en kort historik

• Universum blir större och tunnare
• 13,7 miljarder år tillbaka i tiden Big Bang
• Densitet efter 10-34 sekunder 1037 solar per mm3

28
Universum en kort historik
Homo Sapiens 250 000 år
Solen och jorden skapas 4,5 miljarder år
13,7 miljarder år
0 år
Big Bang
29
Big Bang och strängteori

• Vi har ingen teori som kan beskriva både
  gravitation och kvantfysik
• Vi vet inte vad som händer när densiteten är
  högre än 1057 solar per mm3

30
Strukturer formas

• Gravitationen är en attraktionskraft mellan
  materia och annan materia
• Galaxer är resultatet av en universell kapitalism
  pådriven av gravitationskraften

31
Hur mycket materia finns det?
Fritz Zwicky, 1930-talet
Galaxhopen Coma
100 gånger mer materia än vad vi kan se Mörk
(genomskinlig) materia!
32
Mörk materia i galaxer
Rotationen hos spiralgalaxer
Vera Rubin, 1970-talet
Mängder av mörk materia även i galaxer!
33
Mörk materia

• Lite materia svårt att skapa galaxer
• Mycket materia lätt att skapa galaxer
• Mörk materia behövs för att alla strukturer vi
  ser ska ha hunnit att bildas
• Men, vi vet ännu inte vad den mörka materien är!

34
Gravitationslinser
Bekräftar Zwickys och Rubins resultat!
35
(No Transcript)
36
Hubblekonstanten är inte konstant

• Hubblekonstanten talar om hur snabbt Universum
  växer
• Newtons första lag Om vi inte påverkar ett
  system förändras inte hastigheterna i systemet
• Ett tomt universum växer med konstant hastighet
• Gravitationen från (mörk) materia får
  expansionshastigheten att avta

37
Universums vikt och öde

• Gravitationen motverkar universums expansion
• Mängden materia avgör universums öde
• Lite materia universum expanderar för evigt
• Mycket materia universum börjar dra ihop sig
• Big Crunch!

38
Att väga universum

• Genom att mäta hur storleken ändras med tiden kan
  vi bestämma universums massa (densitet)
• Storleken förändras långsamt (miljarder år)
• Vi kan inte mäta förändringen i storleken direkt
  (ännu)
• Vi kan se tillbaka i tiden!

39
Ljus är inte bara fotoner
Ljus kan beskrivas som en våg med en viss
våglängd eller frekvens
40
Rödförskjutning

• Våglängden på ljuset talar om hur mycket större
  Universum blivit sedan ljuset lämnade källan
• Hur länge sedan var det ljuset lämnade källan?

41
Avstånd tid

• Ljuset blir svagare ju längre bort ljuskällan är
• Stark ljuskälla synlig på stora avstånd
• Känd effekt för att kunna beräkna avståndet
• Supernovor exploderande stjärnor som ett par
  veckor lyser som en hel galax (100
  miljarder stjärnor)

42

43
(No Transcript)
44
Acceleration

• Hur kan expansionen gå snabbare och snabbare
  (accelerera)?
• Universum domineras av något med motsatt
  gravitation
• I brist på bättre förslag kallar vi det mörk
  energi
• Den utgör ungefär 70 av universums totala massa
  (densitet)

45
Universums innehåll
46
Sammanfattning (så här långt)

• Vi vet inte hur allt började
• Universum har växt i 13,7 miljarder år och kommer
  antagligen fortsätta med det
• Vanlig materia utgör bara en bråkdel av dess
  innehåll
• Nästan 99 av Universum är av för oss helt okänd
  natur

47
Hur stort är Universum?

• Jättestort
• Exakt hur stort beror på om vi menar vad vi kan
  observera eller på hur vår modell ser ut samt
  vilken tidpunkt vi refererar till
• Universum 13,7 miljarder år gammalt
• Vi kan teoretiskt se något som idag befinner sig
  på ett avstånd av 46,5 miljarder ljusår
• Praktiskt kan vi bara se 45.5 miljarder ljusår

48
Universums krökning
49
Vår mest avlägsna bild av Universum
Mikrovågsbakgrunden
50
1978 års Nobelpris i Fysik
för upptäckten av den kosmiska
bakgrundsstrålningen (1965)
Hornantenn
Arno Penzias
Robert Wilson
51
2006 års Nobelpris i Fysik
för upptäckten av den kosmiska
bakgrundsstrålningens svartkroppsform och
anisotropi (1989, 1992)
John Mather
COBE satelliten
George Smoot
52
Bakgrundsstrålningens svartkroppsform
53
Bakgrundsstrålningens anisotropi
54
Nya mätningar
55
Mätningarna bekräftar tidigare resultat!
56
Sammanfattning

• Universum är 13.7 miljarder år gammalt
• Vanlig materia utgör bara en bråkdel av dess
  innehåll
• Nästan 99 av Universum är av för oss helt okänd
  natur
• Även om vi bara kan se 45,5 ljusår bort tror vi
  att Universum är oändligt stort
• Universum växer med allt större hastighet
• Vi vet fantastiskt mycket
• Det är fantastiskt mycket vi inte vet

57
Epilog

• Vi försöker fånga partiklarna som utgör den mörka
  materien
• Vi försöker se om den mörka energin ändrar
  egenskaper med tiden
• Fler och bättre observationer (praktik)
• Smartare modeller (teori)

58
Bonus!Universums slutgiltiga öde
59
Universums slutgiltiga öde

• Solen växer till en röd jätte och slukar
  (antagligen) jorden, varefter den förvandlas till
  först en vit dvärg och därefter en svart dvärg (5
  miljarder år)
• Galaxer kommer längre och längre ifrån varandra
  och blir mörkare och mörkare allteftersom dess
  stjärnor dör. Allt som blir kvar är döda
  stjärnor, planeter och svarta hål (1030 år)

60
Universums slutgiltiga öde

• Om protonen sönderfaller, sönderfaller dessa
  döda stjärnor och planeter till t.ex. fotoner
  (1045 år)
• Till sist förvandlas även alla svarta hål till
  fotoner (10100 år) Big Freeze

Tack för idag!
61
(No Transcript)
62
Tiden gick saktare förr
63
(No Transcript)
64
(No Transcript)