• Share
  • Email
  • Embed
  • Like
  • Save
  • Private Content
Astrophysics 2: The expanding Universe
 

Astrophysics 2: The expanding Universe

on

  • 864 views

אסטרופיסיקה והחיים 2 - הרצאה 2 ...

אסטרופיסיקה והחיים 2 - הרצאה 2
חוק הבל והתרחקות הגלקסיות
קרינת הרקע בגלי מיקרו
תיאורית המפץ הגדול
הצפיפות הקריטית ואנרגיה אפלה
העיקרון האנתרופי

Statistics

Views

Total Views
864
Views on SlideShare
863
Embed Views
1

Actions

Likes
0
Downloads
0
Comments
0

1 Embed 1

http://www.slideshare.net 1

Accessibility

Categories

Upload Details

Uploaded via as Microsoft PowerPoint

Usage Rights

© All Rights Reserved

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
Post Comment
Edit your comment

    Astrophysics 2: The expanding Universe Astrophysics 2: The expanding Universe Presentation Transcript

    • ‫היקום המתפשט‬ The Expanding Universe 2 ‫אסטרופיסיקה והחיים‬ A. Wandel, HUJI
    • ‫קוסמולוגיה על קצה המזלג‬ ‫‪‬‬ ‫?מדוע שמי הלילה אפלים :‪Olbers‬פרדוקס‬ ‫?יקום סטטי או יקום מתפשט ‪‬‬ ‫‪Hubble‬התרחקות הגלקסיות: הסטה לאדום וחוק ‪‬‬ ‫? יקום עקום או שטוח ‪‬‬ ‫?סופי או אינסופי ? סגור או פתוח ‪‬‬ ‫?התפשטות מואטת או מואצת ‪‬‬ ‫ההד מן המפץ הגדול :)‪(CMB‬קרינת הרקע הקוסמית ‪‬‬ ‫יצירת היסודות הקלים: הליום ודאוטריום ‪‬‬
    • ‫פרדוקס‬ ‫אולברס: אל‬ ‫האינסוף‬
    • ‫פרדוקס אולברס‬ ‫‪‬‬ ‫?מדוע שמי הלילה אפלים‬ ‫אפקט היער: ”לו מספר הכוכבים היה אינסופי, בכל נקודה ‪‬‬ ‫"בשמים ובכל כיוון היינו רואים כוכב‬ ‫שמי הלילה היו אמורים להיו בהירים כמו פני השמש ‪‬‬ ‫‪dr‬נחלק את המרחב לקליפות בעובי קבוע ‪‬‬ ‫‪πr2dr*n‬מספר הכוכבים בכל קליפה 4 ‪‬‬ ‫/‪πr2 L‬הבהירות הנראית של כל כוכב 4 ‪‬‬ ‫-‪r‬לא תלויה ב=‪ ; Lndr‬סה"כ הבהירות של כל שכבה ‪‬‬
    • ‫‪II‬פרדוקס אולברס‬ ‫‪‬‬‫יקום אינסופי =< אינסוף שכבות, בהירות אינסופית‬ ‫שמי הלילה היו אמורים להיו בהירים לפחות כמו פני השמש>= ‪‬‬ ‫עשינו 3 הנחות: היקום אחיד, אינסופי וסטטי ‪‬‬ ‫:אבל למעשה, שלשתן אינן נכונות ‪‬‬ ‫היקום אינו אחיד - הכוכבים מקובצים בגלקסיות ‪‬‬ ‫היקום )הנראה( אינו אינסופי ‪‬‬ ‫היקום אינו סטטי )הגלקסיות מתרחקות ולכן אורן נחלש בשל ‪‬‬ ‫(אפקט דופלר‬
    • ‫‪HUBBLE‬הגלקסיות של הבל‬ ‫‪‬‬ ‫)‪(spiral nebulae‬תעלומת הערפיליות הלוליניות‬ ‫? קרובות או רחוקות ‪‬‬ ‫הבל מודד את המרחק לערפילית אנדרומדה ‪‬‬ ‫הערפיליות הן בעצם איים של כוכבים - גלקסיות מרוחקות ‪‬‬ ‫צבעי הקשת: ספקטרום והקשר בין צבע לאורך הגל ‪‬‬ ‫הקווים ה"מוזזים" בספקטרום הגלקסיות ‪‬‬ ‫אפקט דופלר: תנועה גורמת לשינוי אורך הגל ‪‬‬ ‫בכל הגלקסיות הקווים מוזזים לכיוון האדום ‪‬‬ ‫המסקנה: כל הגלקסיות מתרחקות מאיתנו ‪‬‬
    • ‫ספקטרום וקווים של יסודות שונים‬ ‫אורך גל‬ ‫תדירות‬ ‫אורך הגל‬
    • ‫הסחה לאדום והתרחקות‬ ‫הגלקסיות‬ ‫ככל שגלקסיה יותר‬ ‫רחוקה, האור המגיע‬ ‫ממנה מוזז לאורכי גל‬ ‫ארוכים יותר - לכיוון‬ ‫האור האדום‬ ‫(שבספקטרום )קשת‬ ‫מסקנה: ככל‬ ‫שגלקסיה יותר‬ ‫רחוקה, כך היא‬ ‫מתרחקת מאיתנו‬ ‫במהירות גבוהה‬ ‫.יותר‬ ‫!היקום מתפשט‬
    • The Doppler Effect λ z = ∆ =v λ c v = zc
    • ‫חוק הבל והתפשטות היקום‬ ‫‪‬‬ ‫כל הגלקסיות מתרחקות מאיתנו‬ ‫חוק הבל ‪ V=H0 R‬‬ ‫מרחק ‪X‬מהירות ההתרחקות = קבוע הבל‬ ‫‪‬‬ ‫העקרון הקוסמולוגי: איזוטרופיות והומוגניות ‪‬‬ ‫‪ : Big Bang‬היקום מתפשט ‪‬‬ ‫הערכת מרחק ‪‬‬ ‫‪v = H r ⇒ r = v/ H‬‬ ‫0‬ ‫0‬ ‫ע"י חוק הבל‬ ‫)‪v (km/s) = H r (Mpc‬‬ ‫0‬ ‫‪H = 65 km/s /Mpc‬‬ ‫0‬
    • ‫הערכת גיל היקום‬ ‫‪‬‬ ‫הגלקסיות מתרחקות זו מזו לפי חוק הבל‬ ‫‪ v=H0 R‬‬ ‫‪‬‬ ‫לו היינו מציגים את "סרט היקום" אחורנית, באיזה שהוא זמן‬ ‫בעבר כל הגלקסיות היו מרוכזות בנקודה אחת‬ ‫:הזמן הזה ניתן להערכה בקירוב מתוך קבוע הבל ‪‬‬ ‫‪v = H r ⇒ t = r / v = r / H r = 1/ H‬‬ ‫0‬ ‫0‬ ‫0‬ ‫‪1/ H = 1s * Mpc/ 65 km = 1s *3*1019 / 65 ~ 17Gyr‬‬ ‫0‬
    • ‫התפשטות‬ ‫היקום‬ ‫והמרחב‬
    • ‫‪Redshift and Recession Velocity‬‬ ‫גדול ‪Z‬כאשר‬ ‫הקשר בין מהירות‬ ‫‪ C‬מתקרב ל‪V‬‬ ‫ההתפשטות לבין‬ ‫התארכות הגלים‬ ‫()הסטה לאדום‬ ‫הגידול היחסי ‪=Z‬‬ ‫באורך הגל‬ ‫‪-Z‬הקשר ליניארי ל‬ ‫קטן‬ ‫∆= ‪z‬‬‫‪λ‬‬ ‫‪λ‬‬ ‫1 < ‪for z‬‬ ‫<‬ ‫‪v = zc‬‬
    • ‫:ההד מן המפץ הגדול‬ ‫גילוי קרינת הרקע בגלי מיקרו ,‪Penzias & Wilson‬‬ ‫5691‬
    • ‫טלסקופ בחלל למחקר גלי מיקרו וקרינת הרקע 0991‬ ‫‪COBE - COsmic Background Explorer‬‬
    • CMB: Black Body radiation T=2.726K 1/ ‫טמפרטורה ~ אורך גל‬ COBE: Perfect thermal spectrum (1990)
    • Motion Through Space Doppler Effect COBE: Temperature Map COLD CMB photons ‫אי אחידות בקרינת הרקע‬ ‫בשל תנועת הארץ והשמש‬ ‫בחלל ואפקט דופלר‬ HOT
    • ‫אי-אחידות בקרינת הרקע : זרעי המבנה הגדול‬ ‫ביקום‬ ‫5−01≈ ‪∆T‬‬ ‫:‪COBE‬‬ ‫‪T‬‬
    • ‫(יקום סגור )כדורי(, שטוח או פתוח )היפרבולי‬
    • ‫אי-אחידות בקרינת הרקע : היקום שטוח‬ ‫‪MAP‬‬
    • ‫?עתיד היקום: התפשטות נצחית או קריסה‬ ‫‪2q0= ρ/ρ0 = Ω‬‬
    • ‫צפיפות החומר ביקום: הצפיפות הקריטית‬ ‫:‪M‬ומסה ‪R‬נדון באזור ביקום בעל רדיוס‬ ‫‪R‬‬ ‫הצפיפות הקריטית היא הצפיפות שעבורה יש שוויון בין‬ ‫‪v‬‬ ‫½‪M‬‬ ‫½‪M‬‬ ‫½2‪Mv‬האנרגיה הקינטית של ההתפשטות‬ ‫(‪M)2/R ½G‬והאנרגיה הפוטנציאלית הגרביטציונית‬ ‫½ ‪Mv2= GM2/4R‬‬ ‫‪=> 2v2R=GM‬‬ ‫‪ ,v=HoR => 2Ho2R3=GM‬נציב את חוק הבל‬ ‫>= ‪: M/(4πR3/3)= ρ‬הגדרת הצפיפות=נפח/מסה‬ ‫‪3Hο2/2πG ~ 10-29 g/cm3= ρo‬‬
    • ‫?התפשטות קבועה, מואטת או מואצת‬ ‫‪‬‬ ‫>=תצפית בגלקסיות מרוחקות‬ ‫התפשטות היקום בעבר הרחוק ‪‬‬ ‫אם מהירות ההתרחקות של ‪‬‬ ‫גלקסיות רחוקות )עבר(‬ ‫>=מתכונתית לזו של הקרובות‬ ‫היקום מתפשט בקצב קבוע ‪‬‬ ‫אם מהירות הרחוקות קטנה יותר ‪‬‬ ‫התפשטות מואצת >= ‪‬‬ ‫וההפך ‪‬‬
    • Is the Universe accelerating?
    • ‫הקוסמולוגיה החדשה:‬ ‫יקום שטוח מואץ עם קבוע קוסמולוגי‬ ‫1= ‪Ω‬‬ ‫היחס בין צפיפות היקום לצפיפות הקריטית :‪Ω‬‬ ‫‪Ω = ΩM +ΩΛ‬‬ ‫)‪(M‬צפיפות היקום מורכבת מצפיפות החומר‬ ‫)‪(Λ‬וצפיפות האנרגיה האפלה‬ ‫‪Ω‬מניתוח נתוני קרינת הרקע: היקום שטוח 1=‬ ‫7.0 = ‪Ω Λ‬‬ ‫ממדידת סופרנובות בגלקסיות מרוחקות: היקום מואץ‬ ‫3.0 = ‪Ω M‬‬ ‫( מצבירי גלקסיות: צפיפות המסה )מאירה+אפלה‬
    • ‫‪The new‬‬ ‫‪Cosmology‬‬ ‫:מקרינת הרקע‬ ‫היקום שטוח‬ ‫1= ‪Ω‬‬ ‫‪ΩM‬‬ ‫‪Ω = ΩM +ΩΛ‬‬ ‫:מסופרנובות‬ ‫היקום מאיץ‬ ‫מצבירי גלקסיות‬ ‫3.0 = ‪Ω M‬‬
    • ‫תולדות היקום הקדום‬ ‫‪‬‬ ‫0‬ ‫)‪(Big Bang‬המפץ הגדול -‬ ‫)‪(Inflation‬שניה - אינפלציה 01 -03 ‪‬‬ ‫שניה 1 ‪‬‬ ‫- מ”מרק חלקיקים” לפרוטונים‬ ‫)‪(Nucleo-synthesis‬דקות - יצירת גרעיני היסודות 3 ‪‬‬ ‫)‪(matter dominated‬שנה - מקרינה לחומר 301 3 ‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫היקום הופך לשקוף )‪(Recombination‬שנה - מפלסמה לאטומים 3 501‬ ‫)‪(CMB‬לקרינה, קרינת הרקע‬ ‫‪‬‬ ‫שנה - יצירת הגלקסיות הראשונות 901‬
    • ‫(תפיחה )אינפלציה‬ Exponential growth
    • Why Inflation? Problems of Cosmology: Flatness – the Universe is too flat for chance Homogeneity – we expect quantum nonuniformities in the early universe Horizon Problem – the CBR is smoother than the early Universe should have been Inflation solves all problems: Inflating a sphere makes it flatter Smoothes out inhomegenieties Solves the “Horizon Problem” – before Inflation all parts of the Universe could “communicate”
    • Hot Big Bang: Unification of the 4 Forces
    • ‫יצירת היסודות הקלים במפץ הגדול‬ ‫בתחילה החומר ביקום הוא מרק חלקיקים תת-אטומיים •‬ ‫‪ - T~109K‬כ-3 דקות אחרי המפץ היקום מתקרר ל•‬ ‫נייטרונים ופרוטונים מצליחים להתחבר ויוצרים •‬ ‫.)‪ He‬והליום 3 )3 )2‪(H‬הליום, דאוטריום •‬ ‫נייטרונים חפשיים מתחילים להתפרק לפרוטונים ואלקטרונים •‬ ‫כמות הדאוטריום וההליום ביקום נקבעת ע"י ירידת •‬ ‫הטמפרטורה, התפשטות היקום וקצב התגובות הגרעיניות‬
    • ‫יצירת היסודות הקלים במפץ הגדול‬
    • ‫חומר,‬ ‫קרינה‬ ‫ואנרגיה‬ ‫אפלה )קבוע‬ ‫(קוסמולוגי‬
    • ‫עידן הרקומבינציה‬ ‫פרוטונים ואלקטרונים מתחברים לאטומים‬ ‫היקום נעשה שקוף לקרינה‬
    • Early History of the Universe
    • ‫מן המפץ הגדול לכוכבים‬ ‫מיקרו ‪‬‬ ‫: ‪CMB‬קרינת הרקע בגלי‬ ‫אי האחידות וזרעי המיבנה ‪‬‬ ‫המיבנה הגדול, צבירי גלקסיות ‪‬‬ ‫היווצרות הגלקסיות ‪‬‬ ‫סוגי גלקסיות ‪‬‬ ‫מגלקסיות לכוכבים ‪‬‬ ‫הווצרות יסודות החיים בכור ההיתוך הכוכבי ‪‬‬
    • ‫העיקרון האנטרופי‬ ‫‪The Antropic Principle‬‬ ‫‪‬‬ ‫צפיפות החומר ביקום קרובה מאוד לצפיפות הקריטית‬ ‫יתכנו אינספור ”יקומים“ בעלי צפיפות שונה מאוד ‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫:התפתחות חיים אפשרית רק ביקום הקרוב לצפיפות הקריטית‬ ‫‪‬‬ ‫-‬ ‫יקום הרבה יותר צפוף היה קורס תוך זמן קצר מדי‬ ‫ביקום בעל צפיפות קטנה מדי לא יוצרו גלקסיות וכוכבים - ‪‬‬ ‫ייתכן וקיימים יקומים רבים בעלי צפיפות שונה מאוד - ‪‬‬ ‫אולם בהם לא ייתכנו חיים, ואין מי שיהרהר בקיומם‬ ‫(דקרט(” ‪ :”Je pense, donc j’existe‬העיקרון האנטרופי ‪‬‬
    • ‫המבנה בגדול‬ ‫מיפוי פיזור הגלקסיות בפרוסה סביב הגלקסיה שלנו‬
    • ‫יצירת המבנה ביקום‬ ‫וקריסה ‪‬‬ ‫גרביטציה מול לחץ: אי-אחידות‬ ‫בסקלות הגדולות הגרביטציה גוברת ‪‬‬ ‫יצירת המבנה הגדול: גלקסיות וצבירי גלקסיות ‪‬‬ ‫בתוך הגלקסיות גוברים הלחץ ותנועת הכוכבים ‪‬‬ ‫על התפשטות היקום‬ ‫כוכבים, חומר בינכוכבי וחומר אפל ‪‬‬
    • ‫סימולצית מחשב של יצירת המבנה‬ ‫ביקום‬
    • Clusters of Galaxies ‫צבירי גלקסיות‬ The Coma Cluster M ≈1015M  N ≈103 gal V ≈103 km/s rms R ≈5Mpc
    • … To the Most Distant Hubble Deep Field
    • ‫סיכום‬ ‫דינמי ‪‬‬‫?טבע היקום:עקום או שטוח ‪ ‬יקום‬ ‫בראשית: המפץ הגדול ‪‬‬ ‫?סגור או פתוח ‪‬‬ ‫אחיד או גבשושי ‪‬‬ ‫?סופי או אין-סופי ‪‬‬ ‫היווצרות המבנה ‪‬‬ ‫?יקום יחיד או רבים ‪‬‬ ‫יצירת הכוכבים ‪‬‬ ‫?קבוע קוסמולוגי ‪‬‬ ‫חיים ביקום ???‬
    • SUMMARY  Dynamical universe  Nature of the universe: flat  Origin - big bang or curved?  From smooth to lumpy  Open or closed?  Structure formation  Finite or infinite?  Star formation  One or many universes?  Cosmological constant? Life in the Universe ???
    • Experimental Cosmology
    • Structure Formation  Gravitational Instability: gravity vs pressure  On large scales: gravity wins!!!  Large scale structure: distribution of galaxies  Structure of collapsed objects  Distribution of dark vs luminous matter
    • The Big Questions of Cosmology  The nature of the universe (geometry, topology, …)  The value of the cosmoligical parameters (H0, Ω 0, Λ, ..)  The matter/energy content (dark matter, cosmologial constant, ‘ordinary matter’, ..)  Formation of structure (large scale structure, halos, galaxy formation …)  WHY IS THE UNIVERSE THE WAY IT IS? Anthropic principle, ‘Theory of Everything’?