Astrophysics 2: The expanding Universe

814 views

Published on

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

0 Comments
1 Like
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
814
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
6
Actions
Shares
0
Downloads
0
Comments
0
Likes
1
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Astrophysics 2: The expanding Universe

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

×