Astrophysics 2: The expanding Universe

  • 497 views
Uploaded on

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

  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Be the first to comment
    Be the first to like this
No Downloads

Views

Total Views
497
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0

Actions

Shares
Downloads
0
Comments
0
Likes
0

Embeds 0

No embeds

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
    No notes for slide

Transcript

  • 1. ‫היקום המתפשט‬ The Expanding Universe 2 ‫אסטרופיסיקה והחיים‬ A. Wandel, HUJI
  • 2. ‫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 ‪‬‬
  • 3. ‫פרדוקס‬ ‫אולברס: אל‬ ‫האינסוף‬
  • 4. ‫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 ‪‬‬
  • 5. ‫‪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
  • 6. ‫‪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 ‪‬‬
  • 7. ‫ספקטרום וקווים של יסודות שונים‬ ‫אורך גל‬ ‫תדירות‬ ‫אורך הגל‬
  • 8. ‫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
  • 9. The Doppler Effect λ z = ∆ =v λ c v = zc
  • 10. ‫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
  • 11. ‫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
  • 12. ‫התפשטות‬ ‫היקום‬ ‫והמרחב‬
  • 13. ‫‪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
  • 14. ‫:ההד מן המפץ הגדול‬ ‫גילוי קרינת הרקע בגלי מיקרו ,‪Penzias & Wilson‬‬ ‫5691‬
  • 15. ‫טלסקופ בחלל למחקר גלי מיקרו וקרינת הרקע 0991‬ ‫‪COBE - COsmic Background Explorer‬‬
  • 16. CMB: Black Body radiation T=2.726K 1/ ‫טמפרטורה ~ אורך גל‬ COBE: Perfect thermal spectrum (1990)
  • 17. Motion Through Space Doppler Effect COBE: Temperature Map COLD CMB photons ‫אי אחידות בקרינת הרקע‬ ‫בשל תנועת הארץ והשמש‬ ‫בחלל ואפקט דופלר‬ HOT
  • 18. ‫אי-אחידות בקרינת הרקע : זרעי המבנה הגדול‬ ‫ביקום‬ ‫5−01≈ ‪∆T‬‬ ‫:‪COBE‬‬ ‫‪T‬‬
  • 19. ‫(יקום סגור )כדורי(, שטוח או פתוח )היפרבולי‬
  • 20. ‫אי-אחידות בקרינת הרקע : היקום שטוח‬ ‫‪MAP‬‬
  • 21. ‫?עתיד היקום: התפשטות נצחית או קריסה‬ ‫‪2q0= ρ/ρ0 = Ω‬‬
  • 22. ‫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
  • 23. ‫?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 ‪‬‬
  • 24. Is the Universe accelerating?
  • 25. ‫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
  • 26. ‫‪The new‬‬ ‫‪Cosmology‬‬ ‫:מקרינת הרקע‬ ‫היקום שטוח‬ ‫1= ‪Ω‬‬ ‫‪ΩM‬‬ ‫‪Ω = ΩM +ΩΛ‬‬ ‫:מסופרנובות‬ ‫היקום מאיץ‬ ‫מצבירי גלקסיות‬ ‫3.0 = ‪Ω M‬‬
  • 27. ‫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
  • 28. ‫(תפיחה )אינפלציה‬ Exponential growth
  • 29. 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”
  • 30. Hot Big Bang: Unification of the 4 Forces
  • 31. ‫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
  • 32. ‫יצירת היסודות הקלים במפץ הגדול‬
  • 33. ‫חומר,‬ ‫קרינה‬ ‫ואנרגיה‬ ‫אפלה )קבוע‬ ‫(קוסמולוגי‬
  • 34. ‫עידן הרקומבינציה‬ ‫פרוטונים ואלקטרונים מתחברים לאטומים‬ ‫היקום נעשה שקוף לקרינה‬
  • 35. Early History of the Universe
  • 36. ‫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 ‪‬‬
  • 37. ‫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 ‪‬‬
  • 38. ‫המבנה בגדול‬ ‫מיפוי פיזור הגלקסיות בפרוסה סביב הגלקסיה שלנו‬
  • 39. ‫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 ‪‬‬
  • 40. ‫סימולצית מחשב של יצירת המבנה‬ ‫ביקום‬
  • 41. Clusters of Galaxies ‫צבירי גלקסיות‬ The Coma Cluster M ≈1015M  N ≈103 gal V ≈103 km/s rms R ≈5Mpc
  • 42. … To the Most Distant Hubble Deep Field
  • 43. ‫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 ???‬
  • 44. 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 ???
  • 45. Experimental Cosmology
  • 46. 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
  • 47. 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’?