Ősrobbanás: a Világ teremtése?

Átírás

1 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 1/37 Ősrobbanás: a Világ teremtése? (A kozmológia alapjai) Horváth Dezső horvath@rmki.kfki.hu MTA KFKI Részecske és Magfizikai Kutatóintézet, Budapest és MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen

2 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 2/37 Vázlat Táguló világegyetem, kozmológiai elv. Kozmikus háttérsugárzás. Ősrobbanás, infláció. Ősrobbanás és vallás. Sötét anyag és sötét energia. COBE, WMAP Hubble-teleszkóp Forrás: Stephen Hawking: Az idő rövid története Talentum Kiadó, Budapest, 1998

3 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 3/37 Előszó A fizika egzakt tudomány (képletgyűjtemény!) Pontos matematikai formalizmuson alapszik. Elmélet érvényes, ha kiszámítható, és eredmény egyezik kísérlettel. Az igazi fogalmak mérhető mennyiségek, a szavak csak mankók. Szavak mögött pontos matematika és kísérleti tapasztalat

4 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 4/37 Mi a kozmológia? Világegyetem egészével foglalkozik. Hogyan jött létre? Nem miért? Statikus vagy táguló? Lapos, nyitott vagy zárt? Anyaga, összetétele? Múltja, jövője?

5 A Hubble-állandó Doppler-hatás: z = (λ v λ 0 )/λ 0 λ v : hullámhossz v sebességnél Közeledő motor hangja magasabb, távolodóé mélyebb William Huggins, 1868: csillagokban z > 0: vöröseltolódás Tőlünk távolodó objektum fényhullámhossza nő vörösebb Henrietta S. Leavitt, 1920: Változócsillagok (cefeidák) periódusa abszolút fényessége távolságuk levezethető Edwin Hubble, 1929: Cefeidák galaxisokban távolodnak tőlünk H = 70 km/s/mpc v = Hr sebességgel Hubble-konstans: (1 Mpc m fényév) (1 parsec = távolság, ahonnan 2 d(nap-föld) 1 szögmp alatt látszik) A Világegyetem kora: H év Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 5/37

6 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 6/37 Táguló világegyetem Kozmológiai elv: Ha a tágulás lineáris v(b/a) = v(c/b) v(c/a) = v(b/a) + v(c/b) = 2v(B/A) homogén világegyetem, nincs kitüntetett pont A világegyetem tágulása a téré, táguló koordináták tömegek között vonzás, lokális inhomogenitás Valamikor minden közelebb volt: ősrobbanás (Big Bang)

7 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 7/37 Kozmikus háttérsugárzás Arno Penzias és Robert Wilson, 1964 (Nobel-díj, 1978) Kiszűrhetetlen mikrohullámú háttérsugárzás Modell: T=3 K kozmikus sugárzás (CMB) COBE: COsmic Background Experiment T = 2, 728 K, pontos hőmérsékleti görbén eredetileg 3000 K-es fotonok lehülése (1000-szeres!) táguláskor Helyi irány-anizotrópia: magok galaxisok kialakulásához Megerősítés, sokkal pontosabban: WMAP: Wilkinson Microwave Anisotropy Probe John C. Mather és George F. Smoot (COBE): Nobel-díj, 2006 A COBE űrszonda

8 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 8/37 A COBE anizotrópiája Vörös = 2,721 K kék = 2,729 K Dipól: Nap mozgása Tejútrendszer Maradék anizotrópia

9 A WMAP anizotrópiája, Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 9/37

10 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 10/37 Ősrobbanás (Big Bang) Látható anyag: 75% hidrogén, 25% hélium, < 1% más Hidrogénből hélium csak csillagokban, nem lenne ennyi forró korai Univerzum kiadja Kozmikus háttérsugárzás eredete: Big Bang után 30 perc: plazma, T = K. Sugárzás dominál, fotonok halmaza átlátszatlan közegben év: lehülés 3000 K-re, semleges atomok, fotonoknak átlátszó Mostanra: tágulás, fotonok lehűltek Galaxisok eredete: Térbeli anizotrópia sötét anyag gravitációs gödrei barionos anyag sűrűsödése csillagok begyulladnak

11 Ősrobbanás, felfúvódás, sugárzás Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 11/37

12 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 12/37 Ősrobbanás, evolúció és vallás Ősrobbanás értelmezéséhez az evolúció a fő kérdés Protestantizmus általában elveti. Vatikán flexibilis. XII. Pius beletörődött az evolúcióba és 1951-ben üdvözölte az Őrobbanást, mint a Világ teremtését II. János Pál, Pontifical Academy of Sciences, 1996: Mára... új tudásunk elfogadja, hogy az evolúció elmélete több, mint hipotézis. Valóban figyelemre méltó, ahogy a kutatók a tudomány különböző területein tett felfedezések hatására, fokozatosan elfogadták ezt az elméletet. A függetlenül végzett munka eredményeinek sem nem keresett, sem nem fabrikált konvergenciája önmagában is jelentős bizonyítéka az elméletnek.

13 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 13/37 Evolúció és vallás február: G. Ravasi bíboros, a Pontifical Academy of Sciences elnöke, abból az alkalomból, hogy a Vatikán konferenciát szervezett Charles Darwin: A fajok eredete megjelenésének 150. évfordulójára: Habár a Vatikán korábban ellenséges volt a darwinizmussal szemben, soha nem vetette hivatalosan el.... Az evolúció ötlete már Szent Ágoston és Aquinói Szent Tamás müveiben is fellelhető. Szent Ágoston ( ): Isten a semmiből ősanyagot teremtett, észcsirákat helyezett el benne, abból fejlődött ki a Világ (ezt kettős és folytonos teremtésnek hívta)

14 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 14/37 Ősrobbanás és vallás II. János Pál, Pontifical Academy of Sciences, 1996:... úgy tűnik, hogy a modern tudománynak sikerült megtalálnia az elsődleges fiat lux (legyen világosság) pillanatát, amikor a semmiből az anyag mellett fény és sugárzás tengere tört elő, az elemek meghasadtak és kavarogtak és galaxisok millióivá váltak.... Tehát megtörtént a teremtés. Kijelentjük: tehát létezik Teremtő. Tehát Isten létezik! Állítólag a kollégái viccelődésére Edwin Hubble kifakadt, hogy nem érti, miért volt az elméletére szükség Isten létének bizonyításához. Stephen W. Hawking, miután beszélt II. János Pállal, aki azt tanácsolta, ne feszegessék az Ősrobbanás pillanatát, mert az Isteni beavatkozás volt: Örültem, hogy nem ismerte a konferencián éppen elhangzott előadásom témáját a lehetőségét annak, hogy a tér-idő ugyan véges, de nincs határa, kezdete sem, tehát a Teremtésnek sincs időpontja.

15 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 15/37 Szent Ágoston vallomásai, XI. könyv Idézetek az időről (Dr. Vass József fordítása) V. fejezet: Isten a világot semmiből teremtette VI. fejezet: A teremtő ige nem lehetett valami időben elhangzó parancs. Akárminek képzelem ugyanis azt a teremtést megelőző valamit, ami hordozója lett volna parancsodnak, biztosan nem volt, hacsak azt is meg nem teremted vala. X. fejezet: Működött-e Isten a világ teremtése előtt? XI. fejezet: Isten örökkévalóságához nincs köze időnek. XII. fejezet: A teremtés előtt Isten kifelé, vagyis teremtő módon semmit nem cselekedett. XIII. fejezet: A teremtés előtt nem volt idő, mert ez maga a teremtmény.

16 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 16/37 Szent Ágoston vallomásai, XII. könyv VII. fejezet: Semmiből lett az ősanyag, az ősanyagból az egész világ. IX. fejezet: Sem a mennyország, sem az ősanyag megteremtése nem időben történt. XIII. fejezet: Kezdetben teremté Isten a mennyországot és az ősanyagot... a mennyet én szellemi égnek tartom, amelyben a megismerés nem "rész szerint", nem "tükör által és homályban" (1Kor 13,12) történik, hanem egyenlő a teljesen megvilágosított: a színről színre való látással. Nem hullámzik egyszer erre, egyszer arra; hanem, amint említettem, egyszerre és együtt való látás, időbeli változás nélkül. XXIV. fejezet: Úgy vélekedik, hogy e szó "kezdetben" az Igét jelenti, de vallja, hogy más magyarázat is lehetséges.

17 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 17/37 A Hubble-teleszkóp Fellőve: Tömeg: kg Közel körpálya, magassága: 559 km Keringés: perc Átmérő: 2,4 m Fókusztáv: 57,6 m Érzékeny hullámhosszak: Közeli infravörös optikai (látható) ultraibolya

18 A Hubble-teleszkóp működése Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 18/37

19 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 19/37 A Hubble-teleszkóp javítása az űrben 1993 óta több javítási akció: tükörkorrekció, giroszkópcsere (6!), műszerek cseréje

20 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 20/37 Hubble-teleszkóp: a Világegyetem mélye 250 nap megfigyelés egy sötét ponton > tízmilliárd évnél régebbi galaxis

21 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 21/37 Hubble-teleszkóp: eredmények A galaxisok kialakulása már az Ősrobbanás után millió évvel megkezdődött Korai galaxisok kisebbek és kevésbé szimmetrikusak gyorsabb formálódás A galaxisok centrumában általában fekete lyuk van A legtávolabbi felvételeken nyomon követhető csillagok képződése Az ultramély felvétel kis része kinagyítva évvel fiatalabb galaxisok

22 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 22/37 Általános relatívitáselmélet Newtoni gravitáció + állandó fénysebesség (Einstein, 1916) Görbült téridő (t,x,y,z) Görbület tömegtől Szabadesés geodéziai vonalak mentén Gravitációs potenciál görbületi tenzor Friedmann-Lemaitre megoldás: általános relatívitáselmélet homogén univerzumra

23 Gravitációs lencse: tér görbülete Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 23/37

24 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 24/37 A Világegyetem jövője Ha nincs kozmológiai állandó, Λ = 0: k 0: nyílt univerzum, állandó, lassuló tágulás k > 0: zárt univerzum, big crunch Ha Λ > 0: örökös, gyorsuló tágulás ( k) Jelenlegi kép: Λ > 0; k = 0: Lapos, gyorsulva táguló Univerzum

25 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 25/37 Ősrobbanás (Big Bang) időrendje Esemény idő hőmérséklet ρ 1/4 Planck-idő (infláció?) s GeV Nagy egyesítés s GeV Elektrogyenge? (bariogenezis) 10 6 s K 100 GeV Kvark hadron 10 4 s K 100 MeV Nukleonok s K 0,1 1 MeV Lecsatolódás 10 5 év 2500 K 0,1 ev Szerkezet kialakulása > 10 5 év Mai helyzet 14 G év 2,7 K ev

26 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 26/37 Sötét energia?? Kozmológiai állandó: Λ > 0 Einstein legnagyobb tévedése, mégis létezik Vákuum gravitáló energiája, összes tömeg 70%-a! Ősrobbanás után nagy, korai univerzumban sokkal kisebb, térrel nő Ma dominál. Igazából micsoda? Nem vákuum-energia: szor kisebb (Elmélet és kísérlet eltérésére világrekord :-) Rengeteg modell, spekuláció: inflaton, kvintesszencia...

27 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 27/37 Sötét anyag Spirálgalaxisok sebessége kifelé nem csökken, pedig Kepler II: v = GM(r) r Sokkal több gravitáló anyag, mint látható Micsoda? WIMP... SUSY?? Látható tömegsűrűség luminozitás: ρ lum (r) I(r) De ρ M (r) ρ lum (r)!

28 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 28/37 Fekete lyukak, sötét anyag Galaxisok magjában fekete lyukak (black hole, BH): M BH > 3 naptömeg, R BH pár km Einstein-kereszt: 10 milliárd fényévre levő pulzárt több pontba nagyít és fókuszál 1 milliárd fényévre levő galaxis fekete lyukkal a közepén (ESO, Very Large Telescope, Chile, 2008) Többszörös kép: nem egyenletes tömegeloszlás Fekete lyuk + sötét anyag

29 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 29/37 Anyagegyensúly ma Jelenleg: lapos, anyag-dominálta (Ω M >> Ω R ) Kozmológiai paraméterek: Ω R, Ω M = Ω B + Ω CDM, Ω Λ,H 0 Barionos anyag (csillagok, fekete lyukak, por, gáz): Ω B 4% Csomósodó, nem-barionos, hideg sötét anyag: Ω CDM 26% Gyorsuló tágulás: sötét energia Ω Λ 70%

30 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 30/37 Antianyag az Univerzumban? CPT-invariancia: legalapvetőbb elméleti tétel Töltés (C), térkoordináták (P), idő (T) tükrözése nem változtat fizikát anyag = antianyag De: nincsenek antianyag-galaxisok (nincs dicsfény) Sugárzási időszak után nel több anyag (bariogenezis). Magyarázható CPT-sértés nélkül? Andrej Szaharov, 1967: Igen, 3 feltétel mellett: bariontöltés megmaradásának sértése CP-szimmetria sértése gyorsabb tágulás, mint barion-antibarion keltése azonnali annihiláció kisebb valószínűséggel. CP-sértés igen, tágulás talán, barionszám-sértés nem. Kísérleti ellenőrzés: LHCb a CERN-ben

31 Az LHCb kísérlet a CERN-ben Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 31/37

32 A történet eddig Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 32/37

33 Köszönöm a figyelmet Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 33/37

34 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 34/37 A WMAP eredménye, Akusztikus spektrum: rezgési módusok Csúcsok helye: sötét anyag nem barionos Lapos Univerzum, Λ 0

35 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 35/37 Távolságskála görbült téridőben Együttmozgó koordináták: (t, r, Θ, Φ) Euklideszi távolság: dl 2 = [ dr 2 + r 2 (dθ 2 + sin 2 ΘdΦ 2 ) ] Görbült térben: dl 2 = a 2 (t) dr 2 1 kr + r 2 (dθ 2 + sin 2 ΘdΦ 2 ) 2 a(t): 2D téridő-görbület k: 3D térgörbület k = 0 k > 0 k < 0 lapos univerzum zárt univerzum nyílt univerzum Galaxisok távolsága a(t) tágulás

36 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 36/37 A Friedmann-törvény Skálatényező változása: ) 2 (ȧa H 2 = 8πG 3c ρ 2 R + 8πG 3c ρ 2 M kc2 Λ a a 4 a 3 a 2 a 0 Sugárzás anyag görbület vákuum Dominancia időrendje (némelyik elmaradhat)

37 Horváth Dezső: A kozmológia alapjai Telki, p. 37/37 Anyagegyensúly ma Friedmann-egyenletből (X 0 : mai érték, /H 2 0 ) 8πG 3H 2 0 c2 (ρ R 0 + ρ M 0) kc2 a 2 0 H2 0 + Λ 3H 2 0 Ω R + Ω M Ω k + Ω Λ = 1 Univerzum lapos, ha Ω 0 = Ω R + Ω M + Ω Λ = 1 Jelenleg: lapos, anyag-dominálta (Ω M >> Ω R ) Kozmológiai paraméterek: Ω R, Ω M = Ω B + Ω CDM, Ω Λ,H 0 Barionos anyag (csillagok, fekete lyukak, por, gáz): Ω B 4% Csomósodó, nem-barionos, hideg sötét anyag: Ω CDM 26% Gyorsuló tágulás: sötét energia Ω Λ 70%