Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

Evolucija zvezda i nastanak crnih rupa - kako smo videli nevidljivo

60 views

Published on

Predavanje održano 6. novembra 2019. godine u gimnaziji u Zaječaru u okviru projekta "Apolo na mreži" koji realizuje AD Alfa uz podršku centra za promociju nauke.

Published in: Education
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

Evolucija zvezda i nastanak crnih rupa - kako smo videli nevidljivo

  1. 1. Evolucija zvezda i nastanak crnih rupa prva fotografija crne rupe - kako smo videli nevidljivo? dr Milan Milošević Departman za fiziku Prirodno-matematički fakultet Zaječar, 6. novembar 2019. Projekat „Apolo na mreži“ realizuje AD „Alfa“ uz podršku Centra za promociju nauke
  2. 2. 2019. godina – godina jubileja • 50 godina od sletanja Apola 11 na Mesec • 30 godina od nastanka World Wide Web-a u CERN-u • 50 godina nastanka interneta • 100 godina pomračenja Sunca i provere OTR • 100 godina Međunarodne astronomske unije • Međunarodna organizacija profesionalnih astronoma • 13680 članova, 107 država, 35 specijalizovanih komisija, 54 radnih grupa • 150 godina Mendeljejevog periodnog sistema elemenata Projekat „Apolo na mreži“ realizuje AD „Alfa“ uz podršku Centra za promociju nauke
  3. 3. Šta je to crna rupa? • Objekat čije je gravitaciono polje toliko jako da nijedan oblik materije ili zračenja ne može da „pobegne“ iz nje • Prema opštoj teoriji relativnosti mesto u kome je prostor-vreme beskonačno zakrivljeno • Džon Viler (1967) prvi put pojam „crna rupa“ • Grafički opis ideje koja je stara 200+ godina
  4. 4. Šta je to crna rupa? • Prva ideja: Džon Mičel, 1783. godine (Kembridž) • Ako je zvezda dovoljno masivna i gusta; smatrao je da postoji mnogo takvih zvezda ali ne mogu da se vide već samo detektuje efekat njihove gravitacije • Slična ideja: Pjer Laplas, nekoliko godina kasnije • Smatrao da malo znamo o prirodi svetlosti da bi mogli da pretpostavimo kako na nju deluje gravitacija i da nije sasvim na mestu izjednačiti svetlost sa topovskom đuladi u Njutnovoj teoriji gravitacije, jer je brzina svetlosti konstantna • Albert Ajnštajn, 1915. godine – Opšta teorija relativnosti
  5. 5. Skretanje svetlosti • Pomračenje Sunca: 29. maj 1919. godine • Britanski astronomi Frenk Dajson i Artur Edington • Zapadna Afrika, ostrvo Prinsipe (manje od dva ostrva države Sao Tome i Prinsipe, 136 km2, danas 5000 stanovnika) • Prva ideja o skretanju svetlosti: Johan Džordž fon Soldner (1801), iz Njutnove gravitacije • Prvi Ajnštajnovi proračuni (1911) – pogrešni (rezultati približni Njutnovoj teoriji) • Pokušaj merenja pomračenje 1912. god. iz Brazila – oblačno! • Očekivani rezultati – gravitaciono sočivo, skretanje 1,75 lučnih sekundi (2 puta više od Njutnove teorije gravitacije)
  6. 6. Edingtonov eksperiment
  7. 7. Kako nastaju crne rupe?
  8. 8. Evolucija zvezda Nastanak hemijskih elemanata i crnih rupa
  9. 9. Odakle sve ovo?
  10. 10. Big Bang (veliki prasak)...
  11. 11. Big Bang (veliki prasak)...
  12. 12. Nukleosinteza ▪ Prva ideja – elementi nastali kad i svemir ▪ H i He – najrasprostranjeniji (ostali samo 2% mase Sunčevog sistema); sledeći O i C. ▪ Artur Edington (1920) – prva ideja o fuziji vodonika u zvezdama; mogu i ostali – slabo prihvaćena ideja. ▪ Hans Bete (1938) – nuklearne reakcije --> kako sija Sunce ▪ Fred Hojl – nastanak težih elemenata ▪ E. Margaret Burbidge, G. R. Burbidge, William A. Fowler, and F. Hoyle, Synthesis of the Elements in Stars, Rev. Mod. Phys. 29, 547 (1957) https://doi.org/10.1103/RevModPhys.29.547
  13. 13. Nukleosinteza ▪ Veliki prasak (H, He, Li, Be) • 100-300 sekundi nakon Velikog praska ▪ Nukleosinteza u zvezdama: • p-p ciklus, 3-alfa-proces, CNO ciklus, s-proces, fotodezintegracija ▪ „Eksplozivna“ nukleosinteza • Tokom supernova ▪ Sudar neutronskih zvezda • Glavni izvor r-procesa ▪ Kosmičko zračenje
  14. 14. http://vimeo.com/57130400 Zvezde su uvek iste?
  15. 15. Slike nam pričaju priču...
  16. 16. Slike nam pričaju priču...
  17. 17. Kako stvoriti zvezdu? ▪ Sastojci: • Vodonik • Gravitacija • Vreme... mnogo vremena
  18. 18. Zvezdano porodilište ● Gustina: ● 10 atoma vodonika/cm3 ● 16 vodonika – 1 helijum ● (vazduh - 30x1018 at./cm3) ● Temperatura: 100K (-173OC)
  19. 19. “Stubovi nastanka” ▪ Maglina Orao, ili M16; 6500 sv. Godina ▪ 1995. i 2015. godina ▪ Rezolucija: 1.5 milijardi piksela (600 HD televizora)
  20. 20. Tamna maglina
  21. 21. Globula http://www.youtube.com/watch?v=mZL7VBmeFxY
  22. 22. Protozvezda
  23. 23. Zvezda je rođena ⚫ Temperatura: 10 miliona stepeni
  24. 24. Kako sijaju zvezde? ▪ Vatra? Ne  ▪ Hemijska reakcija? Ne  ▪ Fuzija! DA! ☺
  25. 25. Proton-protonski ciklus 1 1 2 eH H H e + + → + + 2 1 3 H H He + → + 3 3 4 1 1 He He He H H + → + + + 1 4 4( ) 2 eH He  → + +
  26. 26. Koliko energije? ▪ Precizni eksperimenti na Zemlji - određene mase svih čestica u p-p ciklusu ▪ 4 protona - 6,6943◦10-27kg ▪ jezgro helijuma - 6,6466◦10-27kg ▪ defekt mase - 0,048◦10-27kg => 4,3◦10-12J (26,7 MeV) ▪ 1 kg vodonika => 6,4◦1013 J (više nego dovoljno) ▪ svake sekunde 700 miliona tona vodonika fuzijom prelazi u 695 miliona tona helijuma, a od 5 miliona tona nastaje energija ▪ 1 sekunda = 500000 godina potrošnje na Zemlji!
  27. 27. Početak kraja ⚫ “Sagorevanje” vodonika u ljusci oko jezgra ⚫ Jezgro ⚫ Temperatura 100 miliona stepeni ⚫ “sagorevanje” helijuma ⚫ “pepeo”: ugljenik i kiseonik ⚫ Zvezda raste, površina hladi ⚫ Zapremina oko milijardu puta veća ⚫ Crveni džin
  28. 28. Crveni džin ▪ Aldebaran (Bik) • 15 najsjajnijih zvezda, 15x veći od Sunca; orbita Merkura ▪ Antares (Škorpija) • 13. po sjaju, 12000x sjajniji od Sunca, ¾ rastojanja do Jupitera ▪ Betelgez (Orion) • 11. po sjaju, 15000x sjajniji od Sunca, 20x veća masa
  29. 29. Planetarna maglina M57 “Mačije oko”
  30. 30. Beli patuljak ▪ Mnogo praznog prostora... ▪ “Pritisak” elektrona ▪ 1,4 solarne mase, 10.000 km; ▪ 1 cm3 → 60 tona! ▪ Beli patuljci se hlade → temperatura međuzvezdanog prostora, mrki patuljci ▪ Neki beli patuljci – zanimljiva sudbina
  31. 31. Dijamant... ▪ ... nije najvredniji proizvod zvezda! ▪ A šta je vrednije? Saznaćemo malo kasnije ☺
  32. 32. www.svetnauke.org
  33. 33. ▪ Brzina: • 20 solarnih masa • vodonik - 10 miliona god. • helijum – milion godina • Ugljenik – 1000 godina • Kiseonik – 1 godina • Silicijum → gvozdeno jezgro za 1 dan ▪ Temperatura raste • 700 miliona – ugljenik • milijardu – kiseonik • 3 milijarde – silicijum ▪ Inertno gvožđe! Velike brzo žive...
  34. 34. Fuzija vodonika i helijuma ▪ Proton-protonski ciklus, temperatura 107K ▪ Tri-alfa proces, temperatura 108K 8 4 Be
  35. 35. Fuzija ugljenika ▪ Temperatura 109K ▪ Teža jezgra → veći broj protona → ogromne temperature ▪ Fuzija ugljenik-helijum, temperatura 6·108K 16O + 16O → 32S + energija 16O + 4He → 20Ne + energija ▪ proces zahvata helijuma
  36. 36. Alfa proces
  37. 37. Nije sve tako jednostavno ▪ Helijum nije jedini element koji učestvuje u fuzionim reakcijama sa drugim elementima ▪ Emisija i apsorpcija protona i neutrona ▪ Kad se pojavi silicijum – temperatura 3·109K ▪ Razaranje jezgara, gama zracima, na jezgra helijuma (fotodisintegracija) ▪ Ne samo da uništava silicijum, omogućava nastanak težih jezgara
  38. 38. ▪ Silicijum zahvata neku od nastalih alfa-čestica ▪ Proces u nekoliko etapa, konačno 28Si + 7(4He) → 56Ni + energija ▪ Alfa-proces ▪ nikl-56 → kobalt-56 → gvožđe-56 ▪ gvožđe-56 „najjače“ vezano atomsko jezgro • 26 protona, 30 neutrona • Najveća energija veze jezgra • Nagomilava u jezgru zvezde • Elementi grupe gvožđa – veća rasprostranjenost
  39. 39. Supernova ▪ Udarni talas – brzina nekoliko desetina hiljada km/s ▪ Eksplozija – odbacivanje spoljašnjih slojeva ▪ Ogromna oslobođena energija ▪ Sjajnija od galaksije! ▪ Bljesak svetlosti jednak sjaju milijardi Sunaca i taj sjaj dostiže za nekoliko sati. ▪ Ista zvezda može postati nova nekoliko puta, ali zvezda može biti supernova samo jednom! SN 2006gy
  40. 40. 100 miliona milijardi triliona atomskih bombi
  41. 41. Kako znamo? SN1006 SN1987 SN1572SN1054 SN1604
  42. 42. Elementi teži od gvožđa ▪ Zahvat neutrona ▪ Neutroni – sporedni produkti nuklearnih reakcija ▪ Nemaju naelektrisanje – nema odbojnih sila ▪ „Spajanje“ sa gvožđem → izotop veće mase ▪ S-proces (slow neutron capture) • Jezgro postaje nestabilno, raspada se 56Fe + n → 57Fe 57Fe + n → 58Fe 58Fe + n → 59Fe • 59Fe – radioaktivno, raspada se na kobalt-59, stabilan • Svaki uspešan zahvat – oko godinu dana, nestabilna jezgra imaju dovoljno vremena da pređu u stabilna • Nastali: olovo, bakar, srebro, zlato
  43. 43. Najteži elementi ▪ S-proces – do bizmuta-209 (najteži neradioaktivan element) ▪ Ne može torijum, uran, plutonijum ▪ S-proces nemoguć – novo jezgro raspada za kraće vreme nego što je potrebno za nastanak ▪ r-proces (rapid) • prvih 15 minuta eksplozije, broj slobodnih neutrona raste ▪ Stopa zahvata neutrona – velika ▪ Najteži elementi nastaju nakon smrti matične zvezde ▪ Rasprostranjenost oko milijardu puta manja nego vodonika i helijuma
  44. 44. Svaki atom na Zemlji... ... nekada je bio deo jedne zaboravljene zvezde!
  45. 45. Šta znači „videti“?
  46. 46. Sunce na različitim „talasima“
  47. 47. Ali, kako videti crnu rupu?
  48. 48. Detekcija
  49. 49. Prvi kandidat Cygnus X-1 • Dvojni sistem, najveći deo zračenja emituje u X spektru • Prvi kandidat Cygnus X-1 • Otkrili: Čarls Bolton i Pol Murdin (1972)
  50. 50. Sudar dve crne rupe… … gravitacioni talasi! GW150914
  51. 51. Gravitacioni talasi http://www.ligo.org/detections/GW170817.php
  52. 52. Sudar dve neutronske zvezde • Gravitacioni talasi • GW170817 • GW170814 • GW170104 • GW151226 • GW150914 • …. • Nobelova nagrada iz fizike • za 2017. godinu
  53. 53. Struktura crne rupe
  54. 54. Struktura crne rupe
  55. 55. Opšta teorija relativnosti
  56. 56. Animacija ☺Credit: NASA's Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman
  57. 57. A može i ovako… • Simulacija crne rupe objavljena 1979. godine (autor Jean-Pierre Luminet)
  58. 58. Supermasivne crne rupe • U centru skoro svih galaksija • U Mlečnom putu – lokacija Strelac A (najsnažniji radio izvor u našoj galaksiji) • Akrecija materije u SMBH je proces odgovoran za energiju kvazara i drugih aktivnih galaksija Vrsta Masa [𝑴⊙] Veličina Supermasivna 105 − 1010 0,001 – 10 AJ Srednjemasivna 102 − 105 103 km Zvezdana < 102 30 km Mikro ≪ 𝑀⊙ 0,1 mm
  59. 59. Kako znamo da postoje? • 𝐹𝑒 𝐾𝛼 linija u spektru Fabian, A. C. 2006, AN, 327, 943 Tanaka et al, 1995, Nature, 375, 659
  60. 60. Kako znamo da postoje? M. Milošević, M.A. Pursiainen, P. Jovanović, L.Č. Popović, Int. J. Mod. Phys. A. 33 (2018) 1845016. P. Jovanović, New Astron. Rev. 56 (2012), pp. 37 - 48. L. Popović, P. Jovanović, E. Mediavilla, A.F. Zakharov, C. Abajas, J.A. Munoz, G. Chartas, ApJ 637 (2006), pp. 620 - 630. L. Popović, E.G. Mediavilla, P. Jovanović, J.A. Munoz,, A&A 398 (2003), pp. 975 - 982. A. Čadež, C. Fanton, M. Calvani, New Astron. 3 (1998), pp. 647 - 654.
  61. 61. Galaksija M87 Image credit: NASA/JPL-Caltech/IPAC/Event Horizon Telescope Collaboration NASA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
  62. 62. Galaksija M87 • Daljina 52 miliona svetlosnih godina • Dimenzije 125.000 x 100.000 s.g. • Masa 2,6 ∙ 1012 𝑀⨀, 4,5 puta masivnija od naše galaksije • „jet“ (mlaz) 5.000 s.g. • Ogroman broj zbijenih jata, 12.000; u Mlečnom putu 150-200
  63. 63. Kako videti SMBH? • Da bi kroz teleskop videli neki objekat potrebno je da prividne dimenzije tog objekta budu veće od razdvojne moći teleskopa • Prosečne SMBH - otprilike 10x manja od mikrolučne sekunde! • Takvim teleskopom mogla da se vidi jabuka na površini Meseca sin 𝛼 = 1,22 𝜆 𝐷 𝛼 = 138 𝐷 Za male uglove i VIS, 𝜆 = 550 𝑛𝑚 𝐷 u milimetrima
  64. 64. Dimenzije & rastojanje https://www.youtube.com/watch?v=S_GVbuddri8
  65. 65. Teleskop veličine Zemlje • Takav optički teleskop ne postoji  • Radio teleskop, tačnije radio interferometar • Početak 1946. godine • 1970-tih mogućnost povezivanja prijema radio signala iz celog sveta • Povezivanje antena zamenilo sinhronizovano spajanje snimljenih signala (korelacija) Iztok Bončina/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
  66. 66. Teleskop veličine Zemlje • Event Horizon Teleskop, radi od 2007. godine • 8 radio teleskopa koji se nalaze na različitim kontinentima • Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) u Čileu, South Pole Telescope (SPT) na Antarktiku, IRAM 30 metarski teleskop u Španiji itd. • Mreža EHT teleskopa. Žutom bojom označene su stanice koje su korišćene 2017. i 2018. godine, crvenom oni teleskopi koji više nisu u upotrebi, zeleno su označeni teleskopi koji su se kasnije uključili u mrežu
  67. 67. Event Horizon Teleskop
  68. 68. Teleskop veličine Zemlje • Rastojanja 160 m do 10.700 km • Posle nekoliko godina pauze EHT ponovo uključen 4. aprila 2017. godine, posmatranje završilo 11. aprila • Snimali su na talasnoj dužini 1,3 mm • Za 5 dana svaki teleskop 900 TB podataka • Obični HDD – 85% otkazalo zbog niskog pritiska (korišćeni diskovi punjeni helijumom i zatvoreni hermetički)
  69. 69. Mnogo podataka ☺ • 200+ istraživača • ½ tone hard diskova • Opservatorija Mauna Kea • Oko 700 TB podataka • 8000 km od MIT • 50.400 sekundi (kamion + avion) • Brzina: 14 gigabajta/s (tj. 112 gigabita/s) • Najbrži internet: nekoliko gigabita/s ☺
  70. 70. Obrada podataka • Obrada i analize sačuvanih podataka pomoću superračunara • Max Planck institutu za radio astronomiju u Bonu, Nemačka, • MIT Haystack opservatoriji u SAD. • Na ovakav način EHT postiže oko 2000 puta bolju rezoluciju od teleskopa Habl.
  71. 71. Obrada podataka https://arxiv.org/abs/1512.01413 Katherine L. Bouman, Michael D. Johnson, Daniel Zoran, Vincent L. Fish, Sheperd S. Doeleman, William T. Freeman, Computational Imaging for VLBI Image Reconstruction, IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), 2016, pp. 913-922
  72. 72. CHIRP(Continuous High-resolution Image Reconstruction using Patch priors) https://arxiv.org/abs/1512.01413 KatherineL.Bouman,MichaelD.Johnson,DanielZoran,VincentL.Fish,Sheperd S.Doeleman,WilliamT.Freeman,ComputationalImagingforVLBIImage Reconstruction,IEEEConferenceonComputerVisionandPatternRecognition (CVPR),2016,pp.913-922
  73. 73. SMBH • Serije “fotografija” snimane 5, 6, 10 i 11 aprila 2017. godine, a svaka serija snimana je između 3 i 7 minuta. • Jasno uočljiv sjajan prsten sa tamnom centralnom oblašću. • Prečnik prstena iznosi 42, a debljina manje od 20 mikro-lučnih sekundi. • Upoređivanjem dobijenih fotografija sa simulacijama dobijnim na osnovu magnetohidrodinamičke teorije relativnosti (GRMHD) - tzv. Kerova crnoj rupi, tj. nenaelektrisanoj crnoj rupi koja rotira oko centralne ose. • Procenjeno da horizont događaja ima dimenzije od 3,8 mikro-lučnih sekundi i da crna rupa rotira u smeru kazaljke na satu.
  74. 74. SMBH u M87
  75. 75. SMBH u M87 • Procena mase ove crne rupe, na osnovu ranijih posmatranja, kretala se u intervalu od 3,5 do 7,22 milijarde masa Sunca • Na osnovu posmatranja EHT procenjeno da masa prve snimljene crne rupe iznosi 6,5 milijardi masa Sunca.
  76. 76. https://www.sciencemag.org/news/2019/04/black-hole
  77. 77. Pitanja? • dr Milan Milošević Departman za fiziku Prirodno-matematički fakultet • mmilan@svetnauke.org www.facebook.com/mmilan www.linkedin.com/in/mmilann/ • Svet nauke www.svetnauke.org www.facebook.com/svetnauke.org • Astronomsko društvo Alfa www.alfa.org.rs www.facebook.com/alfa.nis • Departman za fiziku PMF-a http://fizika.pmf.ni.ac.rs www.facebook.com/fizika.nis Projekat „Apolo na mreži“ realizuje AD „Alfa“ uz podršku Centra za promociju nauke

×