Trócsányi Zoltán. Kozmológia alapfokon

Hasonló dokumentumok
2. Rész A kozmikus háttérsugárzás

Trócsányi Zoltán. Kozmológia alapfokon

Trócsányi Zoltán. Kozmológia alapfokon

2011 Fizikai Nobel-díj

A világegyetem elképzelt kialakulása.

Az univerzum szerkezete

Újabb eredmények a kozmológiában

Bevezetés a kozmológiába 1: a Világegyetem tágulása

Bevezetés a kozmológiába 1: a Világegyetem tágulása

Csillagászat. A csillagok születése, fejlődése. A világegyetem kialakulása 12/C. -Mészáros Erik -Polányi Kristóf

Válaszok a feltett kérdésekre

A sötét anyag és sötét energia rejtélye

BevCsil1 (Petrovay) A Föld alakja. Égbolt elfordul világtengely.

TRIGONOMETRIKUS PARALLAXIS. Közeli objektum, hosszú bázisvonal nagyobb elmozdulás.

Galaxisfelmérések: az Univerzum térképei. Bevezetés a csillagászatba május 12.

Modern kozmológia. Horváth István. NKE HHK Katonai Logisztikai Intézet Természettudományi Tanszék

Az ősrobbanás elmélete

Nemzetközi Csillagászati és Asztrofizikai Diákolimpia Szakkör Távcsövek és kozmológia Megoldások

Kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás anizotrópiája

A KOZMIKUS HÁTTÉRSUGÁRZÁS KUTATÁSÁNAK TÖRTÉNETE ÉS KILÁTÁSAI

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

CERN: a szubatomi részecskék kutatásának európai központja

A csillagközi anyag. Interstellar medium (ISM) Bonyolult dinamika. turbulens áramlások MHD

Részecskefizika 2: kozmológia

FIZIKA. Sugárzunk az elégedettségtől! (Atomfizika) Dr. Seres István

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

Modern fizika vegyes tesztek

KÖSZÖNTJÜK HALLGATÓINKAT!

Kozmológia egzakt tudomány vagy modern vallás?

Az atommag összetétele, radioaktivitás

ATOMMODELLEK, SZÍNKÉP, KVANTUMSZÁMOK. Kalocsai Angéla, Kozma Enikő

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

Színképelemzés. Romsics Imre április 11.

Magfizika tesztek. 1. Melyik részecske nem tartozik a nukleonok közé? a) elektron b) proton c) neutron d) egyik sem

Hadronok, atommagok, kvarkok

Axion sötét anyag. Katz Sándor. ELTE Elméleti Fizikai Tanszék

2016. április 5. Balogh Gáspár Sámuel Kvazárok április 5. 1 / 28

KÖSZÖNTJÜK HALLGATÓINKAT!

Rezgés, Hullámok. Rezgés, oszcilláció. Harmonikus rezgő mozgás jellemzői

Az elektromágneses hullámok

OPTIKA. Fénykibocsátás mechanizmusa fényforrás típusok. Dr. Seres István

Ősrobbanás: a Világ teremtése?

A világegyetem szerkezete és fejlődése. Összeállította: Kiss László

Fekete lyukak, gravitációs hullámok és az Einstein-teleszkóp

Izotóp geológia: Elemek izotópjainak használata geológiai folyamatok értelmezéséhez.

Pósfay Péter. ELTE, Wigner FK Témavezetők: Jakovác Antal, Barnaföldi Gergely G.

A modern fizika születése

Radiokémia vegyész MSc radiokémia szakirány Kónya József, M. Nagy Noémi: Izotópia I és II. Debreceni Egyetemi Kiadó, 2007, 2008.

Az optika tudományterületei

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (e) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: december 3. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Bevezetés a kozmológiába 2: ősrobbanás és vidéke

egyetemi állások a relativitáselmélet általánosítása (1915) napfogyatkozás (1919) az Einstein-mítosz (1920-tól) emigráció 1935: Einstein-Podolsky-

Csillapított rezgés. a fékező erő miatt a mozgás energiája (mechanikai energia) disszipálódik. kváziperiódikus mozgás

Atommodellek de Broglie hullámhossz Davisson-Germer-kísérlet

Úton az elemi részecskék felé. Atommag és részecskefizika 2. előadás február 16.

A gravitáció hatása a hőmérsékleti sugárzásra

A Föld helye a Világegyetemben. A Naprendszer

Csillagászati észlelés gyakorlat I. 2. óra: Távolságmérés

Hogyan lehet meghatározni az égitestek távolságát?

A világ keletkezése: Ősrobbanás és teremtés

A hőmérsékleti sugárzás

A relativitáselmélet története

Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék április 28.

Paritássértés FIZIKA BSC III. MAG- ÉS RÉSZECSKEFIZIKA SZEMINÁRIUM PARITÁSSÉRTÉS 1

A TételWiki wikiből. A Big Bang modell a kozmológia Standard modellje. Elsősorban megfigyelésekre és az általános relativitáselméletre épül.

Hullámmozgás. Mechanikai hullámok A hang és jellemzői A fény hullámtermészete

Kozmológia: a világ keletkezése ősrobbanás és teremtés

Atomfizika. A hidrogén lámpa színképei. Elektronok H atom. Fényképlemez. emisszió H 2. gáz

Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék április 28.

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (a) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: november 15. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Van-e a vákuumnak energiája? A Casimir effektus és azon túl

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal. Dr. Vincze Árpád

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (korlátok) Fókusz: a légzsák (Air-Bag Systems) kémiája


Műszeres analitika II. (TKBE0532)

A sötét anyag nyomában. Krasznahorkay Attila MTA Atomki, Debrecen

Bevezetés a részecske fizikába

Csillagászati földrajz december 13. Kitekintés a Naprendszerből

Atommagok alapvető tulajdonságai

A világ keletkezése: ősrobbanás és teremtés

Röntgensugárzás. Röntgensugárzás

Bevezetés a kozmológiába 2: ősrobbanás és vidéke

Műszeres analitika II. (TKBE0532)

Az ionizáló sugárzások fajtái, forrásai

Csillagászati megfigyelések

A fény mint elektromágneses hullám és mint fényrészecske

Biofizika. Sugárzások. Csik Gabriella. Mi a biofizika tárgya? Mi a biofizika tárgya? Biológiai jelenségek fizikai leírása/értelmezése

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Termodinamika (Hőtan)

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (limitációk) Fókusz Légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Dr. Berta Miklós. Széchenyi István Egyetem. Dr. Berta Miklós: Gravitációs hullámok / 12

Fázisátalakulások, avagy az anyag ezer arca. Sasvári László ELTE Fizikai Intézet ELTE Bolyai Kollégium

Kozmológia és vallás - a világ keletkezése: ősrobbanás és teremtés

Mechanikai hullámok. Hullámhegyek és hullámvölgyek alakulnak ki.

Kozmológiai n-test-szimulációk

Galaxishalmazok. Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék március 17.

Bevezetés a kozmológiába 2: ősrobbanás és vidéke

A Világ keletkezése: mese a kozmológiáról

Röntgensugárzás az orvostudományban. Röntgen kép és Komputer tomográf (CT)

A légköri sugárzás. Sugárzási törvények, légköri veszteségek, energiaháztartás

Átírás:

Magyar fizikatanárok a CERN-ben 2007. augusztus 12-19. Trócsányi Zoltán Kozmológia alapfokon Részecskefizikai vonatkozásokkal

l úl d á d Az elmúlt negyedszázad a mikro- és makrokozmosz fizikájának összefonódását hozta

A Világegyetem gy szerkezete Egy-egy galaxisban 10 11 db csillagot látunk

A Világegyetem gy szerkezete 10 11 db galaxist látunk Nagy skálán homogén és izotróp, Kis skálán szerkezete van: Galaxisban (0,1Mfényév) é ρ/ρ = 1000 000 Galaxishalmazokban l (3 Mfényév) ρ/ρ / = 1000 Szuperhalmazokban (100 Mfényév) é ρ/ρ = 10

A VE nagyléptékű szerkezete

Teljes kozmológiai elv: homogén, izotróp és stacionárius Világegyetem? Kozmológiai elv: Hit, hogy a Világegyetemet bárhol tartózkodó megfigyelő gy minden irányban ugyanolyan y szerkezetűnek látja. A Világegyetem látszólag időben is állandó Az időbeli állandóság nem lehetséges Newton: a gravitáció végtelen hatótávolságú => véges kiterjedésű Világegyetemnek össze kell omlani. Ha végtelen: Olbers paradoxon: az éjszakai égboltnak is fényesnek kellene lenni, mert akármerre nézünk, előbb-utóbb az adott irányban fénylő csillagnak kell lennie Einstein gravitációelméletének nincs homogén, izotróp, stacionárius megoldása A. Friedman (1922): talált homogén, izotróp, de nem stacionárius megoldást

A modern kozmológia kezdete: Hubble forradalma 1920-29: Edwin Hubble a minden korábbinál jobb felbontású, Palomar-hegyi új távcsővel Változócsillagot (Cefeidát) fedez fel az Andromédában

Cefeida az Andromédában Miért érdekes ez?

Hubble felfedezésének jelentősége A Világegyetemben léteznek csillagrendszerek

Hubble felfedezésének jelentősége A Világegyetemben léteznek csillagrendszerek Távolságmérésre használható Parallaxis módszer: π/2-θ = h/(d/2) 1pc = 1AU/1 Rejtvény: Honnan ismerjük d-t (1AU)?

Hubble felfedezésének jelentősége A Világegyetemben léteznek csillagrendszerek Távolságmérésre használható Parallaxis módszer: 100 pc távolságig Nagyobb távolságra: távolságlétra Csillagok fényessége alapján 50 kpc-ig Herztsprung-Russel diagram: csillagok abszolút fényessége és hőmérséklete közötti összefüggés továbbá M - m = 5 5 lg (h/pc) Rejtvény: Honnan ismerjük a csillagok hőmérsékletét? é é δ Cefei változócsillagok 4 Mpc-ig

Henrietta S. Leavitt A Cefeida időperiódusából következtetni lehet az abszolút fényességére, abból pedig a távolságára h = 10 ( m M +5) /5 pc

Cefeida az M100-ban

Hubble felfedezésének jelentősége A Világegyetemben léteznek csillagrendszerek Távolságmérésre használható Parallaxis módszer: 100 pc távolságig Nagyobb távolságra: távolságlétra Csillagok fényessége alapján 50 kpc-ig δ Cefei változócsillagok 4 Mpc-ig Standard gyertyák: Gömbhalmazok, galaxisok, galaxishalamzok, nóvák, szupernóvák,

Hubble forradalma 1920-29: Edwin Hubble a minden korábbinál jobb felbontású, Palomar-hegyi új távcsővel Változócsillagot (Cefeidát) fedez fel az Andromédában Megméri az Androméda és 17 másik galaxis távolságát és sebességét De honnan tudhatjuk a galaxis a sebességét? ss

A Nap színképe Hőmérsékleti sugárzás: T > 0 hőmérsékletű testek sugároznak J. Fraunhofer (1787-1826) 1826)

Sebességmérés a Doppler hatás alapján A hullámforrás v sebességgel távolodik, egy teljes hullám kibocsátásának ideje T, a hullámfront c sebességgel halad => a λ = ct hosszúságú hullám λ = ct + vt hosszúságúra nyúlik, λ /λ = 1 + c/v, v = c z, z = (λ λ)/ λ Lényegében helyes eredmény hibás levezetésből! Hullámhosszeltolódás igen pontosan mérhető színképelemzéssel Vöröseltolódás kékeltolódás

J. Fraunhofer

Hubble forradalma 1920-29: Edwin Hubble a minden korábbinál jobb felbontású, Palomar-hegyi új távcsővel Változócsillagot (Cefeidát) fedez fel az Andromédában Megméri az Androméda és 17 másik galaxis távolságát és sebességét Felfedezi a Hubble-törvényt és megalkotja a táguló Világegyetem képét

A Hubble-törvény v = H 0 r H 0 =100 h (km/s) /Mpc=9,78 h/gév h=0,7 Rejtvény: mit ad meg H 0 reciproka?

Hubble eredeti mérése távolság távolodás sebessége

Hubble törvény kísérleti ellenőrzése m-m Sötét energia? vöröseltolódás

A táguló Világegyetem gy A távoli galaxisok fényében vöröseltolódást észlelünk A hatás a távolsággal arányos (alátámasztja a kozmológiai elv helyességét) A teljes kozmológiai elv nem teljesülhet A vöröseltolódás a térrel együtt táguló fényhullám hullámhossznövekedésének az eredménye (nem Doppler hatás)

A feldobott kő Átlagos galaxis úgy mozog, mint a feldobott kő: Ha elegendő az energiája a végtelenbe távozik, Ha nem, akkor emelkedik, megáll, visszaesik Ezért nincs statikus megoldása a gravitációnak Ha lenne statikus VE, olyan lenne, mint a lebegő kő Mohamed koporsója

A kritikus sűrűség r sugarú gömb tömege M = 4r 3 π ρ 3 A gömb felszínén található m tömegű galaxis potenciális energiája mozgási energiája E p = G Mm r = G 4r 2 πρm 3 1 2 Em = mv, v = H 0 r 2 A galaxis a végtelenbe távozik, ha teljes mechanikai energiája 2 1 2 2 4 r π E m + E p = mh 0 r G ρ m = > 0 2 3 0 ρc = 2 3H 0 8Gπ

A feldobott kő Átlagos galaxis úgy mozog, mint a feldobott kő: Ha elegendő az energiája a végtelenbe távozik, Ha nem, akkor emelkedik, megáll, visszaesik Ezért nincs statikus megoldása a gravitációnak Ha lenne statikus VE, olyan lenne, mint a lebegő kő Friedman megoldások három osztálya: ρ >ρc, VE végtelen és örökké tágul ρ <ρc, VE véges, összeomlik ρ =ρc, VE kritikus Ω = ρ/ρc ρ ρ => Ωc Ω = 1, Ω <,>,=,, 1

A táguló Világegyetem gy Ha a Világegyetem valóban tágul, akkor régen kisebb, ezért melegebb volt A kisebb VE melegebb, a hőmérséklet a mérettel fordítottan arányos az elegendően forró VE-t elektromágneses plazma töltötte ki, amelynek hűlése során kialakultak az atomok és a mindent kitöltő kozmikus elektromágneses háttérsugárzásá á

Az ősrobbanás modell jóslata a sugárzásra

A kozmikus sugárzás felfedezése 1965: A. Penzias és R. Wilson (Bell Lab) érzékeny mikrohullámú antennája

A kozmikus sugárzás 1965: A. Penzias és R. Wilson érzékeny mikrohullámú antennát készített, amellyel iránytól napszaktól, évszaktól független elektromágneses sugárzást észleltek Az antenna hibáját kizárták (Még a véletlen felfedezéshez is elengedhetetlen a pontosság!) Mi lehet a titokzatos sugárzás forrása?

A kozmikus sugárzás 1965: A. Penzias és R. Wilson érzékeny mikrohullámú antennája iránytól napszaktól, évszaktól független elektromágneses sugárzást á észleltek lt Az antenna hibáját kizárták Mi lehet a titokzatos sugárzás forrása? Penzias és Wilson mérése szerint a sugárzás hőmérséklete 3,5 K (Kérdés: Mit jelent ez?) Mi már sejtjük, nekik P.J.E. Peebles sugallta a választ: A VE-t az első perceiben elektromágneses sugárzás töltötte ki, ami azóta is ott van, csak hullámhossza a tágulás arányában megnőtt a sugárzás hőmérséklete (?) 10K

Vajon valóban kozmikus háttérsugárzást észlelt lt Penzias és Wilson? Válasz ebéd után

A Cosmic Background Explorer űrszonda

A FIRAS (spektrofotométer a CoBE-n) spektrum A l h lát tt l tökél t s bb hőmé sékl ti A valaha látott legtökéletesebb hőmérsékleti sugárzási spektrum

A CoBE által mért sugárzási görbe hullámhossz su ugárz zás int tenzit tása Planck-görbe öb frekvencia

A CMB spektrum A l h lát tt l tökél t s bb hőmé sékl ti A valaha látott legtökéletesebb hőmérsékleti sugárzási spektrum

A FIRAS (spektrofotométer a CoBE-n) spektrum A hőmérsékleti sugárzás spektrumát a Planckféle eloszlás írja le n ( 4 3 kt ) x d x h x ( ch) x e 1 kt dε ( ν, T ) = 8π, = d 3 ( ) ( ) 3 ν kt = 8π ( 3 ch) 2 dε d 6 γ γ = x x = 413 10 x 3 hνν e 1 m 0 ch 0 H atom ρc 5 3 m An nukleáris részecske/foton sk arány (jegyezzük meg!) ν η =10 ( 9 1) 10 ±

Izotrópnak látta-e a COBE VE-t? A Tejút hatását le kell vonni

Izotrópnak látta-e a COBE VE-t? A dipólus anizotrópia a Föld mozgásának p p g következménye (szintén le kell vonni)

A COBE felfedezése A piros és kék tartományok hőmérséklet különbsége 10-5 K (0,01mm-es 01 hullámok az uszodában)

Nobel-díj átadás 2006. december 10. A Fizikai Nobel-díj érme: Inventas vitam juvat excoluisse per artes Kik felfedezéseikkel jobbítják a világot

Fizikai Nobel-díj 2006 John C. Mather George F. Smoot (NASA Goddard Űrközpont) p (Californiai Egyetem, Berkeley) a kozmikus háttérsugárzás Planck-formájának és irányfüggésének felfedezéséért

A COBE felfedezése Hogyan lehet ezt a képet mennyiségileg il megragadni?

Előbb azonban Az EM plazma hasonlóan átlátszatlan, mint a felhő, amely szétszórja a Nap fényét

Hogyan,,láthatnánk az EM plazma mögé? Modellt alkotunk, amelynek a mai VE-re vonatkozó jóslatait össze kell vetni a valósággal (igy következtetett Peebles arra, hogy a VE-t EM sugárzás töltötte ki) ez az Ősrobbanás modellje A VE,,végtelen végtelen sűrű, forró anyaggal kitöltött,,kicsi térben született, és a kezdőpillanat óta tágul. Kevéssel a születése után voltak kezdeti pillanatok, amikor a VE milliárdszor forróbb volt, mint most - ekkor még az atommagok sem lehettek stabil képződmények Ak ive b n l játs ódó f l m t k t l mi A korai VE-ben lejátszódó folyamatokat az elemi részecskék fizikája írja le!

Mikor keletkeznek az atommagok? Rejtvény: Miért vasból van a Föld magja?

Könnyű elemek atommagjainak keletkezése Z < 6 rendszámú elemek: H [p, d=(pn), t=(pnn)], He [(ppn), (ppnn)],li, Be, B akkor keletkeznek, amikor az EM plazmában található legnagyobb energiájú fotonok hν energiája kisebb, mint a keletkező deuteronok kötési energiája ekkor T = 900 MK; az érték η-tól függ 1.4 Rejtvény: 1.2 Hol kezdődik a 1 Planck-görbe farka, 0.8 amely alatti terület 0.6 10-9 -része a teljes 0.4 görbe alatti 0.2 területnek? 2 4 6 8 10

Könnyű elemek atommagjainak keletkezése Z < 6 rendszámú elemek: H [p, d=(pn), t=(pnn)], He [(ppn), (ppnn)],li, Be, B akkor keletkeznek, amikor az EM plazmában található legnagyobb energiájú fotonok hν energiája kisebb, mint a keletkező deuteronok kötési energiája ekkor T = 900 MK; az érték η-tól függ A hőmérséklet megszabja a protonok és neutronok egymáshoz viszonyított arányát (keletkezéskor közel azonos, de a n bomlik) Rejtvény: Miért a semleges n bomlik töltött p-ba? Ősi d, He, Li atommagok hidrogénhez viszonyított tömegaránya egyetlen η értékkel megmagyarázható

A könnyű elemek előfordulási gyakorisága g a pontosság nem nagyon meggyőző - lehet-e pontosabb mérési eredmény?

A választ a COBE felfedezése adja Hogyan lehet ezt a képet mennyiségileg il megragadni?

Egy kis hangtan A hangokat három fizikai tulajdonsággal jellemezzük: hangerősség hangrezgések amplitudója hangmagasság hangrezgések frekvenciája hangszín spektrum (az előző kettő)

Egy kis hangtan A hangokat három fizikai tulajdonsággal jellemezzük: hangerősség hangrezgések amplitudója hangmagasság hangrezgések frekvenciája hangszín spektrum (az előző kettő) ACOBE mérései é nem elegendően pontosak Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Ch. Bennet June 30, 2001

A WMAP hőmérsékleti térképe Föld Világegyetem 13 milliárd éve kezdte az útját a maradványsugárzás. Útja alatt a Világegyetem tágult, a hullámhosszak növekedtek, jelenleg a mikrohullámnál (~1mm) van a maximum.

A COBE és a WMAP térképe

A kozmikus zene hangszíne (a háttérsugárzás hatványspektruma) Az első csúcs helye Ω-tól függ A magasság ΩB függvénye

BBN jóslatok és a mérések: WMAP előtt

BBN jóslatok és a WMAP jóslat η10 = 6,14 ± ΩB = 0,0432 ± 0,25 0,0018 Ω = 0, m 25 lum = 0,0033 Ω Ω =11 Sötét anyag, Sötét energia is létezik!

Megválaszolatlan kozmológiai kérdések amelyekre a részecskefizika adhat választ Miért kritikus a sűrűség? Honnan származik az anyag? Kezdetben anyag és antianyag feltehetően ugyanannyi volt. Valami miatt ez a szimmetria megsérült. éültavetá tágulásával láá laz anyag és antianyag EM sugárzássá alakult át, és visszamaradt egy kevés anyag (kb. egymilliárd fotonra jut egy proton) Mi a VE finomszerkezetének forrása? Mi a sötét anyag?

Hogyan látjuk ma a világot? A VE születése után 0,02 mp-cel, 13,7 milliárd ( 1%) évvel ezelőtt igen nagy sűrűségű és hőmérsékletű elektromágneses plazmával (elektronok, pozitronok, fotonok, kevéske proton és neutron) volt kitöltve A VE tágult és hűlt. A harmadik perc végén hőmérséklete 900 millió K alá süllyedt. Ekkor kialakultak a könnyű elemek (H, He, Li, Be, B) 379 ezer évvel később hőmérséklete 3000 K alá süllyedt. Ekkor kialakultak a semleges atomok, így a sugárzás és anyag közötti kölcsönhatás megszünt. Ettől kezdve a sugárzás szabadon tágult a VE-mel és hűlt a ma mérhető 2,73 K-es értékre. Az első csillagok 200 millió évvel később gyulladtak ki. (film)

Hogyan látjuk ma a világot? A VE tágulását meghatározó Hubble-állandó értéke 71 (km/s)/mpc ( 5%) Az adatok jelenlegi értelmezése szerint a VE örökké tágulni fog, A VE tömegének 4%-a a bennünket is felépítő atomokból áll. 22%-a olyan hideg sötét anyag, amelyet laboratóriumban nem sikerült előállítani. 74%-a ismeretlen eredetű sötét energia. Mindez csak 100 Mpc léptékben, nem a Földön! Az első 0,02 másodperc történéseire is lehet következtetni a WMAP adataiból (felfúvódás?) és részecskefizikai kísérletekből (film)