Obraz vesmíruna prahu tisíciletíLukáš Richterek <lukas.richterek@upol.cz>Katedra experimentální fyziky PřF UP17. listopadu 1192/12, CZ-771 46 Olomouc

.. Obsah

...1 Standardní kosmologický model

...2 Pozorovatelné vlastnosti

...3 Supernovy

...4 NC za fyziku 2011

...5 Supernova Cosmology Project

...6 Co s toho plyne a jak si to vysvětlujeme...

4 / 99

.. Standardní kosmologický model

kosmologie: věda o vesmíru jako celku, vývojod spekulací k vědeckým poznatkůmvzdálenosti: 1 parsek = 3,262 ly = 206 265AU= 3,086·1012 km.Koperníkův princip: homogenita a izotropie(?): oblasti > 200Mpc

.dnešní standardní model..

......expandující a vyvíjející se hierarchický vesmírs počátečním velkým třeskem

nukleosyntéza (30.–50. léta 20. století):syntéza He z H ve hvězdách (Atkinson,Houtermans, Bethe, Weizsäcker)při velkém třesku (Gamow, Alpher)těžší prvky ve hvězdách (Opik, Salpeter,Hoyle, Fowler, Burbidgeovi)

hmotnostní poměr H (≈ 75%) a He (≈ 25%)6 / 99

.. Standardní kosmologický modelpopsatelný známými fyzikálními zákony(spektroskopie =⇒ stejné prvky, zákonyelmag., kvantové fyziky)standardní model částicové fyziky: kvarky,leptony + 4 interakcena různých škálách různé struktury (vizpřízemí budovy PřF UP):proton (10−15 m), atom (10−10 m), buňka(10−5 m), člověk (1m), Země (107 m),sluneční soustava (1013 m), galaxie (1021 m),vesmír (1026 m)

7 / 99

.. Velkoškálová struktura

.. Velkoškálová struktura

13 / 99

.. Velkoškálová struktura

14 / 99

.. Geometrie vesmíru

15 / 99

.. Geometrie vesmíru

16 / 99

.. Geometrie vesmíru

17 / 99

.. Rudý posuv

Ch. Doppler 25. 5. 1842: O barevném světle dvojhvězd aněkterých dalších hvězd6 posluchačů – Presl, Bolzano, J. A. Ryba ...„Nejvděčnější jsou ty badatelské práce, které potěší myslitele azároveň prospívají lidstvu.“

18 / 99

.. Rudý posuv

19 / 99

.. Supernovy

výbuch hmotné hvězdy v závěrečnémstadiu spojený s explozivnínukleosyntézouvíce jak 1·109× vzroste jasnost(1 000× a více než u nov)vyvržený materiál rychlostí10 000 km·s−1, v Galaxii 1× za 30 yčasto skryto prachemvýsledek = obálka + neutronováhvězda (nebo černá díra)Chandrasekharova mez: 1,4M⊙Typ I: bílý trpaslík v těsnédvojhvězdě, spektrum bez HTyp II veleobr s hmotností > 8M⊙odhad uvolněné energie ≈ 1·1045 J(elektrárny v roce 2006 1·1012 J)

29 / 99

.. Supernovy

Tycho Brahe 1572

30 / 99

.. Supernovy

SN1993jpulsar v Krabí mlhovině (1054),periodický rádiový zdroj 0,033 s,(0,00016 s–4 s), A. Hewish (1967)další supernovy v Galaxii 1572, 1604animace , animace – pulsarPSR 1913+16, Hulse-Taylorův pulsar(59ms, T=7h 45m, NC 1993) PSRJ0737-3039 (1 700 ly, 2,5 h, srážkaza 85My); ϱ ≈ 1016 kg·m−3

1938 – W. Baade a F. Zwicky: Ia lzepoužít jako standardní svíčkyanimace

32 / 99

.. Supernovy

SN1993jpulsar v Krabí mlhovině (1054),periodický rádiový zdroj 0,033 s,(0,00016 s–4 s), A. Hewish (1967)další supernovy v Galaxii 1572, 1604animace , animace – pulsarPSR 1913+16, Hulse-Taylorův pulsar(59ms, T=7h 45m, NC 1993) PSRJ0737-3039 (1 700 ly, 2,5 h, srážkaza 85My); ϱ ≈ 1016 kg·m−3

1938 – W. Baade a F. Zwicky: Ia lzepoužít jako standardní svíčkyanimace

33 / 99

.. Supernovy

37 / 99

.. Supernova 1987A (SN 1987A)

rozpoznána 24.2.1987, typ II, LMC (okrajmlhoviny Tarantule, zhroucením modréhoveleobra), snímek 23.2.1987 10h30mUTC;vzdálenost 168 000 ly (=⇒ „blízká“)prstence: červený veleobr v těsnédvojhvězdě, zbavil se části obalu; rozpínajíse ≈ 40 km·s−1 =⇒ obálka je dohoní; zrozměru vzdálenost a kalibrace cefeid25 neutrin s energií 8MeVdash40MeV23.2.1987 7h36mUTC (USA, Japonsko,Kavkaz), 1·106× více νe než ze ⊙; 99%energie vyzářeno v podobě ν

proč νe dříve: v centrální oblasti, fotony ažz rozpínající se obálky; maximální rozdílrychlosti od c je na 1,47·109 lh:≈ 0,000 000 002 = 0,000 000 2%.

39 / 99

.. NC za fyziku 2011

½ Saul Perlmutter, The SupernovaCosmology Project (Lawrence BerkeleyNational Laboratory and University ofCalifornia, USA)½ The High-z Supernova Search Team

Brian P. Schmidt (Australian NationalUniversity, Weston Creek)Adam G. Riess (Johns Hopkins Universityand Space Telescope Science Institute,Baltimore, USA)

.oficiální zdůvodnění:..

......

„for the discovery of the accelerating expansionof the Universe through observations of distantsupernovae“

42 / 99

.. Supernova Cosmology Project

1998 – výzkum supernovve vzdál. 100miliónů svět.let objevování supernovZávěr: supernovys největším rudýmposuvem jsou méně jasnénež v prázdném vesmíru=⇒ rozpínání se zrychluje=⇒ některé oblasti nikdyneuvidímeProblém: Λ jiné nežteoretické odhady =⇒temná hmota a temnáenergie, MACHO, rotačníkřivky galaxií

43 / 99

.. Supernova Cosmology Project

1998 – výzkum supernovve vzdál. 100miliónů svět.let objevování supernovZávěr: supernovys největším rudýmposuvem jsou méně jasnénež v prázdném vesmíru=⇒ rozpínání se zrychluje=⇒ některé oblasti nikdyneuvidímeProblém: Λ jiné nežteoretické odhady =⇒temná hmota a temnáenergie, MACHO, rotačníkřivky galaxií

44 / 99

20

21

22

23

24

25

0,01 0,02 0,04 0,114

16

18

20

22

24

26

0,40,2 0,6 1,0

0,40,2 0,6 1,0

mag

nit

ud

a

rudý posuv

Type Ia Supernovae

Calan/TololoSupernova�Survey

High-Z�Supernova�Search

Supernova�Cosmology�Project

slab

źí

Zpomalující serozpínání

Zrychlující serozpínání

prázdný

hust

ota

hmot

y

0

10,1

1

0,01

0,001

0,0001R

elat

ivní

jasn

ost

0,70,8 0,6 0,5

Velikost Vesmíru[vzhledem k dnešní]

1EO657-558, 100 Mly56 / 99

57 / 99

.. Reliktní záření

1965 – A. Penzias, R. Wilson,NC v roce 1978 (s P.Kapicou), anténa pro vysíláníumělých satelitů („Nadměrnáteplota antény při 4080MHz“)asi 380 000 let po velkémtřesku (3 000K), obdobívzniku atomůλ = 7,35 cm, maximum pro2mm =⇒ T ≈ 2,725K, udává„teplotu vesmíru“izotropní – argument pro nášmodel1989 – COBE (COsmicBackground Explorer)

59 / 99

.. Reliktní záření

1965 – A. Penzias, R. Wilson,NC v roce 1978 (s P.Kapicou), anténa pro vysíláníumělých satelitů („Nadměrnáteplota antény při 4080MHz“)asi 380 000 let po velkémtřesku (3 000K), obdobívzniku atomůλ = 7,35 cm, maximum pro2mm =⇒ T ≈ 2,725K, udává„teplotu vesmíru“izotropní – argument pro nášmodel1989 – COBE (COsmicBackground Explorer)

60 / 99

.. Reliktní záření

1965 – A. Penzias, R. Wilson,NC v roce 1978 (s P.Kapicou), anténa pro vysíláníumělých satelitů („Nadměrnáteplota antény při 4080MHz“)asi 380 000 let po velkémtřesku (3 000K), obdobívzniku atomůλ = 7,35 cm, maximum pro2mm =⇒ T ≈ 2,725K, udává„teplotu vesmíru“izotropní – argument pro nášmodel1989 – COBE (COsmicBackground Explorer)

61 / 99

Experiment Boomerang

.. WMAP a Planck

2001 – WMAP (Wilkinson MicrowaveAnisotropy Probe), anizotropie teplotyřádu 10−5 („Země s horami do 50m“),Planck (2009)

67 / 99

.. WMAP a Planck

2001 – WMAP (Wilkinson MicrowaveAnisotropy Probe), anizotropie teplotyřádu 10−5 („Země s horami do 50m“),Planck (2009)

68 / 99

.. WMAP a Planck

2001 – WMAP (Wilkinson MicrowaveAnisotropy Probe), anizotropie teplotyřádu 10−5 („Země s horami do 50m“),Planck (2009)

69 / 99

.. Nobelova cena za fyziku 2006.

......„for their discovery of the blackbody form and anisotropy of thecosmic microwave background radiation“

John C. Mather (*1946)NASA Goddard Space Flight

CenterGeorge F. Smoot (*1945)University of California Berkeley

70 / 99

72 / 99

73 / 99

74 / 99

Planck Collaboration et al. Planck 2013 results. I. Overview of productsand scientific results. Dostupné z:<http://arxiv.org/abs/1303.5062>.Planck Collaboration et al. Planck 2013 results. XVI. Cosmologicalparameters. Dostupné z: <http://arxiv.org/abs/1303.5076>.

.. Co s toho plyne a jak si to vysvětlujeme...

.nejlépe vyhovující model..

......

ΛCDM globálně homogenní a izotropní(FLRW) vesmír s téměř plochým prostorem,dominantní kosmologickou konstantou achladnou nebaryonovou temnou hmotou,který z počátečního velkého třesku dnesexpanduje zrychleně

Argumenty:pozorování supernovvelkoškálová strukturarozbor reliktního záření

Stáří: 13,817± 0,048Gy

83 / 99

.. Co s toho plyne a jak si to vysvětlujeme...

.nejlépe vyhovující model..

......

ΛCDM globálně homogenní a izotropní(FLRW) vesmír s téměř plochým prostorem,dominantní kosmologickou konstantou achladnou nebaryonovou temnou hmotou,který z počátečního velkého třesku dnesexpanduje zrychleně

Argumenty:pozorování supernovvelkoškálová strukturarozbor reliktního záření

Stáří: 13,817± 0,048Gy

84 / 99

.. Co s toho plyne a jak si to vysvětlujeme...

.nejlépe vyhovující model..

......

ΛCDM globálně homogenní a izotropní(FLRW) vesmír s téměř plochým prostorem,dominantní kosmologickou konstantou achladnou nebaryonovou temnou hmotou,který z počátečního velkého třesku dnesexpanduje zrychleně

Argumenty:pozorování supernovvelkoškálová strukturarozbor reliktního záření

Stáří: 13,817± 0,048Gy

85 / 99

.. Co s toho plyne a jak si to vysvětlujeme...

počáteční inflace (Guth 1980):snaha vysvětlit homogenitu, izotropii aplochost prostoru prudkým rozepnutímvesmíru v čase ≈ 1·10−35

multiversa – paralelní světy (Linde 1983,Smolin 1997): kvantovými fluktuacemivznikají nové, oddělené vesmíry, nášvesmír jedním z mnohaekpyrotická a cyklická bránovákosmologie (Steinhardt, Turok 1999):velký třesk byla srážkou dvou paralelníchsvětů (tzv. D-brán) ve vícerozměrném„vesmíru“další vícerozměrné modely vycházející zteorie strun

hypotézy se opírají o dosud neověřené teoriečásticové fyziky

86 / 99

.. Co s toho plyne a jak si to vysvětlujeme...

počáteční inflace (Guth 1980):snaha vysvětlit homogenitu, izotropii aplochost prostoru prudkým rozepnutímvesmíru v čase ≈ 1·10−35

multiversa – paralelní světy (Linde 1983,Smolin 1997): kvantovými fluktuacemivznikají nové, oddělené vesmíry, nášvesmír jedním z mnohaekpyrotická a cyklická bránovákosmologie (Steinhardt, Turok 1999):velký třesk byla srážkou dvou paralelníchsvětů (tzv. D-brán) ve vícerozměrném„vesmíru“další vícerozměrné modely vycházející zteorie strun

hypotézy se opírají o dosud neověřené teoriečásticové fyziky

87 / 99

.. Další alternativy a zajímavosti

Penrose, R. Cycles of Time: AnExtraordinary New View of the Universe.Bodley Head, 2010.Gurzadyan, V. G. Penrose, R.„Concentric circles in WMAP data mayprovide evidence of violent pre-Big-Bangactivity“, arXiv:1011.3706 [astro-ph.CO].posloupnost „aeonů“

88 / 99

.. BICEP2

Background Imaging of Cosmic ExtragalacticPolarization, 2010–2012, 150 GHzBICEP3 (2014-2015)polarizace ovlivněná gravitačními vlnami (?)čekalo se na potvrzení dat z družice Planck –prachargument ve prospěch inflační teorie(původně východisko z nouze)krok vpřed v hledání teorie všeho...?

89 / 99

91 / 99

92 / 99

Georges Henri Joseph ÉdouardLemaître (1894 – 1966)

Sir Arthur Stanley Eddington(1882 – 1944)

.. Použité prameny... a náměty pro další čtení …

BARROW, J. D. Vesmírná galerie. Praha: Argo/Dokořán, 2011.ISBN 978-80-7363-291-5.BARROW, J. D. Kniha vesmírů. Praha: Paseka, 2011.ISBN 978-80-7432-290-7.GRIBBIN, J. Životopis vesmíru – Od velkého třesku po zánik vesmíru.Praha: Mladá fronta, 2009. ISBN 978-80-204-1902-6.KIRSHNER, R. P. Výstřední vesmír (Explodující hvězdy, temná energie azrychlování kosmu). Praha a Litomyšl: Paseka, 2005.ISBN 80-7185-729-7.KLECZEK, J. Encyklopedie Vesmíru. Praha: Academia, 2002.ISBN 80-200-0906-X.KLECZEK, J. Toulky vesmírem. Praha: Aldebaran Group forAstrophysics, 2013. ISBN 978-80-904582-4-6.LIDDLE, A. R. An Introduction to Modern Cosmology. Chichester: JohnWiley & Sons Ltd, 2003. ISBN 978-0470848357.REES, M. Náš neobyčejný vesmír. Praha: Dokořán, 2002.ISBN 80-86569-17-9.SINGH, S. Velký třesk. Praha: Argo-Dokořán, 2007.ISBN 978-80-86569-62-8. 96 / 99

.. Použité prameny... a náměty pro další čtení …

CALDWELL, R., KAMIONKOWSKI M. Cosmology: Dark matter anddark energy. Nature, roč. 458, 2 April 2009, s. 587–589,doi:10.1038/458587aČERVENKA, M. Temná hmota ve vesmíru [online]. Aldebaran.cz.Dostupnéz http://www.aldebaran.cz/bulletin/2003_29_thv.html.PERLMUTTER, S. Supernovae, Dark Energy, and the AcceleratingUniverse. Physics Today, roč. 56, č. 4, 2003, s. 53–60.PODOLSKÝ, J. Stručný průvodce po kosmologii 20. století [online].XIV. seminář o filosofických otázkách matematiky a fyziky, VelkéMeziříčí 18.–21. srpna 2008. Dostupné z http://www.gvm.cz/images/stories/seminare/IV/kosmologie1.pdf.WAGNER, V. Kde všude vznikají neutrina? [online]. Osel.cz, 2009.Dostupné z http://www.osel.cz/index.php?clanek=4799.WAGNER, V. Překračují neutrina mezní rychlost světla? [online]. Osel.cz,2011. Dostupné z http://www.osel.cz/index.php?clanek=5896.European Association for Astronomy Education [online]. Dostupnéz http://eaae-astronomy.org.

97 / 99

.. Použité prameny... a náměty pro další čtení …ESA – Planck [online]. Dostupnéz http://www.esa.int/SPECIALS/Planck/index.html.HubbleSite – Out of the ordinary...out of this world [online]. Dostupnéz http://hubblesite.org/.Lens Simulation Movie (large Synoptic Survey Telescope) [online].Dostupnéz http://www.lsst.org/lsst/public_lensing_simulation.Merging Neutron Stars [online]. Dostupnéz http://www.ukaff.ac.uk/movies/nsmerger/.The Nobel Prize in Physics 2011 [online]. Dostupné z http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2011/.The High-Z SN Search Project [online]. Dostupnéz http://www.cfa.harvard.edu/supernova/home.html.The supernova Cosmology Project [online]. Dostupnéz http://supernova.lbl.gov.Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) [online]. Dostupnéz http://map.gsfc.nasa.gov.

Použité snímky: ESA, NASA, Wikipedie, www.rencin.cz98 / 99

If you’re puzzled by what dark energyis, you’re in good company.

Saul PerlmutterSnaha pochopit vesmír je jednouz velmi mála věcí, jež lidský životmírně povznášejí nad úroveň frašky adodávají mu trochu důstojnostitragédie. Steven Weinberg

Za 3,75Gy (srážka za ≈ 4Gy)