MODERN CSILLAGÁSZATI VILÁGKÉPÜNK STONEHENGE-TŐL A KOZMOLÓGIAI NOBEL-DÍJIG Dr. Both Előd a Magyar Asztronautikai Társaság alelnöke Szent László Gimnázium, Természettudományos Önképzőkör Budapest, 2015. április 27.
Világképünk fejlődése 1. fordulat (XVII. sz.): a távcső megjelenése 2. fordulat (XX-XXI. sz.): megfigyelések a teljes elektromágneses spektrumban Az ősrobbanás kozmológiája Gyorsulva tágul? napjaink kozmológiája Kozmikus telitalálat a megbundázott Világegyetem
Világképünk fejlődése
A CSILLAGÁSZAT KEZDETEI A (vagy az egyik) legősibb természettudomány Ősi kultúrák archeoasztronómia: naptárak, égi jelenségek szabad szemmel
A GÖRÖG CSILLAGÁSZAT Ókori görög (és hellenisztikus) csillagászok: Arisztarkhosz (Kr. e. III. sz.): a Hold és a Nap távolságának (és méretének) aránya, heliocentrikus világkép (feledésbe merül) Eratoszthenész (Kr. e. III. sz.): megméri/kiszámítja a Föld kerületét Hipparkhosz (Kr. e. II. sz.): csillagkatalógus, magnitúdóskála (fényrendek) Ptolemaiosz (Kr. u. II. sz.): Almageszt: geocentrikus világkép
VILÁGKÉPÜNK FEJLŐDÉSE Nincs világkép A megfigyelés forradalma: ókori görögök szabad szemes megfigyelései, mérései (Kr. e. III. Kr. u. II. sz.) A távcső forradalma (XVII. sz.) Ptolemaioszi világkép Kopernikuszi világkép Az új minőségű távcsövek forradalma (XX. sz. II. fele) A táguló Világegyetem világképe
AZ ELSŐ MINŐSÉGI UGRÁS: A TÁVCSŐ
A CSILLAGÁSZAT TÖRTÉNETÉNEK LEGFONTOSABB ÉVTIZEDE 1600: Kepler Tycho asszisztense lesz 1601: Tycho halála 1604: Kepler-szupernóva 1608: a (földi) távcső feltalálása 1609: Galilei elkészíti távcsövét 1609: Kepler: Astronomia Nova 1610: Galilei csillagászati felfedezései 1611: Kepler: Dioptrice - Kepler-távcső
GALILEI KORA
Első megfigyelési eredményei (saját kezű rajzaival illusztrálva) már 1610. márciusában megjelennek Sidereus Nuncius (Csillaghírnök, Égi hírnök) c. könyvében
GALILEI MEGFIGYELÉSEI Hold hegyei, megméri a magasságukat Vénusz fázisai és méretváltozása a kopernikuszi rendszer fontos bizonyítéka Jupiter 4 nagy holdja - nem a Nap a mozgások egyetlen középpontja! Tejút csillagai - a csillagok pontszerűek A Szaturnusz gyűrűje - de a gyűrű alakot nem ismeri fel Napfoltok Fiastyúk
FORDULAT A CSILLAGÁSZAT TÖRTÉNETÉBEN: 1543-1687 megsejtette (1543) megfigyelte (1576-97) bebizonyította (1610) értelmezte (1609, 1619) megmagyarázta (1687) Magyarországon: Buda török megszállása
A KOPERNIKUSZI VILÁGKÉP KORA A TÁVCSŐ FEJLŐDÉSE GALILEITŐL A XX. SZ. KÖZEPÉIG: MENNYISÉGI VÁLTOZÁS A klasszikus távcsőtípusok lencsés: Galilei- (földi), Kepler- (csillagászati) tükrös: Newtonkésőbb: Cassegrain- (fúrt tükör) A legnagyobbak: Yerkes (100 cm lencsés, 1897) Palomar-hegy (5 m-es tükrös, 1948)
VILÁGKÉPÜNK FEJLŐDÉSE Nincs világkép A megfigyelés forradalma: ókori görögök szabad szemes megfigyelései, mérései (Kr. e. III. Kr. u. II. sz.) A távcső forradalma (XVII. sz.) Ptolemaioszi világkép Kopernikuszi világkép Az új minőségű távcsövek forradalma (XX. sz. II. fele) A táguló Világegyetem világképe
A MÁSODIK MINŐSÉGI UGRÁS A megfigyelések a teljes elektromágneses színképre kiterjednek Optikai űrtávcsövek (főként a HST) Földi optikai távcsövek: fordulat az 1980-as évek után, a technikai (mechanika, új anyagok, elektronika) fejlődésnek köszönhetően vékony óriástükrök, aktív és adaptív optika szegmensekből álló tükör több, összehangoltan működő tükör több, összehangoltan működő távcső (interferométer) Összefonódás a részecskefizkával
A TELJES ELEKTROMÁGNESES SZÍNKÉP Földről: rádiótávcsövek űrből: mikrohullámú, infravörös, ibolyántúli, röntgen, gamma
A TELJES ELEKTROMÁGNESES SZÍNKÉP
OPTIKAI ŰRTÁVCSÖVEK
Keck I. és II. (USA, Hawaii, 1990-es évek) 36 szegmens, 10 m átmérő
ESO VLT (Európa, Chile) 4 db 8,2 m átmérőjű önálló távcső
TOVÁBBI, MŰKÖDŐ, OPTIKAI ÓRIÁSOK Subaru (Japán, Hawaii) 8,2 m Gemini North (1999, Hawaii), Gemini South (2000, Chile) 8,1 m átmérőjűek, egyetemek nemzetközi konzorciuma üzemelteti Hobby-Eberly (USA, Texas) és SALT (Dél-Afrika, nemzetközi) Afrika óriás szeme 91 hatszögű szegmens, 9,2 m, illetve 10 m átm., csak azimutális mozgatás
Nagy Binokuláris Távcső (LBT, Mt. Graham, Arizona, USA) 2 db 8,4 m-es tükör, 2008 óta
GranTeCan (Gran Telescopio Canarias, GTC) Kanáriszigetek, 2400 m magas csúcson, 10,4 m átmérő, 36 szegmensű tükör 2009. július óta működik, ma a világ legnagyobb távcsöve
Giant Magellan Telescope (Chile, 2010-2018) 7 db 8,4 m-es tükör, 625 millió USD www.gmto.org
Thirty Meter Telescope (Hawaii, bár az őslakosok tiltakoznak) 30 m átmérő, 492 db 1,4 m átmérőjű, hatszögletű szegmens
A Chiélében épülő LSST óriástávcső
A TÁVOLABBI JÖVŐ European Extremly Large Telescope (E-ELT) 2022-re Helyszín: Chile 39,3 m átmérő, közel 1000 db 1,45 m átmérőjű, hatszögű szegmens www.eso.org (Korábban 100, majd 60 majd 42 m átmérőjűre tervezték, várható költség 1055 millió euró)
VILÁGKÉPÜNK FEJLŐDÉSE Nincs világkép A megfigyelés forradalma: ókori görögök szabad szemes megfigyelései, mérései (Kr. e. III. Kr. u. II. sz.) A távcső forradalma (XVII. sz.) Ptolemaioszi világkép Kopernikuszi világkép Az új minőségű távcsövek forradalma (XX. sz. II. fele) A táguló Világegyetem világképe
A TÁGULÓ VILÁGEGYETEM
A FELFEDEZŐ: EDWIN P. HUBBLE (1889 1953) 1920-as évektől: Wilson-hegy, 2,5 m- es Hooker-távcső galaxisok kutatása Hubble-törvény a Világegyetem tágulása, a modern kozmológia alapja
AZ ŐSROBBANÁS ELMÉLETE Einstein (1916): általános relativitáselmélet Lemaitre (1927): megoldja a téregyenleteket akár tágulhat is! (ősatom hipotézis) Einstein: Ne táguljon >> bevezeti a kozmológiai állandót ( élete nagy tévedése ) Hubble (1929): mégiscsak tágul! Hoyle (1940-es évek): nem kell tágulni, ha anyag keletkezik (állandó állapotú Világegyetem) Hoyle (1950): megalkotja az Ősrobbanás (Big Bang) kifejezést, gúnyszóként! 1965: mikrohullámú háttérsugárzás túl homogén! Alan Guth (1980-as évek): felfúvódó Világegyetem 1990-es évek műholdjai: nem is olyan homogén! 1990-es évek (HST): kora 13,7 milliárd év
1998: GYORSULVA TÁGUL A kozmológiát alapjaiban megrengető felfedezés! 10 év megfigyelései után 42 db távoli, Ia típusú SN kerül a Hubble-diagramra Halványabbak, mint amilyennek egyenletesen táguló Világegyetem esetén látszaniuk kellene A Világegyetemben valamilyen antigravitációs hatás működik sötét energia! Vagy talán valamit nem vettünk figyelembe? A kozmológiában a sötét energia az a feltételezett energiaforma, mely az egész Világegyetemben jelen van, és erős negatív nyomást fejt ki. Az általános relativitáselmélet szerint a negatív nyomás nagy távolságokon a gravitációs vonzást semlegesíti. Ez jelenleg a legelfogadottabb elmélet annak a megfigyelésnek a magyarázatára, hogy a Világegyetem gyorsulva tágul.
2011: FIZIKAI NOBEL-DÍJ Saul Perlmutter (1959), amerikai fizikus, csillagász, Berkeley-i Kalifornia Egyetem Adam Guy Riess (1969), amerikai asztrofizikus (Johns Hopkins Egyetem) Brian P. Schmidt (1967), amerikai-ausztrál asztrofizikus, Ausztrál Nemzeti Egyetem, Mount Stromlo Obszervatórium a Világegyetem gyorsuló tágulásának távoli szupernóvák vizsgálata által történt felfedezéséért
MAI CSILLAGÁSZATI VILÁGKÉPÜNK HÁROM PILLÉREN NYUGSZIK: 1. Kozmikus körforgás 2. Az ősrobbanás kozmológiája 3. Kozmikus telitalálat
1. KOZMIKUS KÖRFORGÁS Csillagok keletkezése: por és gázfelhőkből porkorongok, bolygókeletkezés, exobolygók kémiai elemek felépülése a vasig a csillagokban a csillagfejlődés végállapotai (fehér törpe, neutroncsillag, fekete lyuk) szupernóvarobbanás: a vasnál nehezebb elemek felépülése és szétszóródása új gáz- és porfelhők, keveredés a régiekkel minden kezdődik elölről
2. AZ ŐSROBBANÁS KOZMOLÓGIÁJA A Világegyetem kora 13,73 ± 0,12 milliárd év (a mérés pontossága 0,9%). A Hubble-állandó 70,1 ± 1,3 km/s/mpc.
MIBŐL ÁLL? A Világegyetem teljes tömegéből: 4,6% ± 0,15% atomos (barionokból álló) anyag, 23% ± 1% a nem barionokból álló, ún. sötét anyag 72% ± 1,5% a sötét energia. Utóbbi kettő mibenlétéről szinte semmit sem tudunk, de azt legalább pontosan ismerjük, mennyi van belőlük.
Az Ősrobbanás utáni (a Világegyetem nagyléptékű szerkezetét kialakító) mikroszkopikus kvantumfluktuációk véletlenszerűek voltak. A teret kozmikus neutrínó-háttér tölti ki. (Az Ősrobbanás utáni néhány percben a nagyon sűrű anyagban bekövetkező magreakciók melléktermékei.) Az Ősrobbanás után 380 000 évvel (amikorról a ma megfigyelhető mikrohullámú háttérsugárzás ered), a neutrínók még az univerzum anyagának és energiájának 10%-át tették ki, szemben mai, nullához közelítő részesedésükkel.
A Világegyetem sötét korszaka (amikor az Ősrobbanás fénye már nem világított, az első csillagok viszont még nem alakultak ki), mintegy 400 millió évvel ezelőtt kezdett véget érni ( reionizáció ). A téridő szerkezete sík (1% pontossággal) a felfúvódó (inflációs) kozmológiai modellt támogatja. A Világegyetem a végtelenségig tágul. A sötét energia nem vesz részt a tér tágulásában, inkább a téridő eredendő sajátossága (mint az Einstein-féle kozmológiai állandó ). Nem fenyeget a Nagy Hasadás veszélye (az elkövetkező évmilliárdok során a Világegyetem az egyre gyorsuló tágulás miatt teljesen szétszakad).
3. KOZMIKUS TELITALÁLAT Az általunk ismert élet létezése érzékenyen függ a fizika törvényeiben és a Világegyetem szerkezetében tapasztalható számos, látszólag szerencsés véletlen jellegzetességétől. Szén atommag rezonanciája: e nélkül nem működne a csillagok energiatermelése. A természet négy kölcsönhatásának erőssége - ha bármelyiknek akár csak kissé más lenne az értéke, nem létezhetne élet. Egyes alapvető elemi részecskék tömege nem térhet el jelentős mértékben a mi világunkban megfigyelttől. Az egybeesések magyarázata fontos megoldatlan természettudományos és filozófiai probléma!
IRODALOM Természet Világa csillagászati különszám (2009) Simonyi Károly: A fizika kultúrtörténete Steven Weinberg: A világ magyarázata John Gribbin: A tudomány története 1543-tól napjainkig John Gribbin: Kozmikus körforgás Paul Davies: Kozmikus telitalálat