Trócsányi Zoltán. Kozmológia alapfokon

Hasonló dokumentumok
Trócsányi Zoltán. Kozmológia alapfokon

Bevezetés a kozmológiába 1: a Világegyetem tágulása

Trócsányi Zoltán. Kozmológia alapfokon

Bevezetés a kozmológiába 1: a Világegyetem tágulása

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

TRIGONOMETRIKUS PARALLAXIS. Közeli objektum, hosszú bázisvonal nagyobb elmozdulás.

2011 Fizikai Nobel-díj

Csillagászati földrajz december 13. Kitekintés a Naprendszerből

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

A világegyetem elképzelt kialakulása.

Csillagászati észlelés gyakorlat I. 2. óra: Távolságmérés

Az Univerzum szerkezete

Kozmológia egzakt tudomány vagy modern vallás?

Nemzetközi Csillagászati és Asztrofizikai Diákolimpia Szakkör Távcsövek és kozmológia Megoldások

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

KÖSZÖNTJÜK HALLGATÓINKAT!

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

Hogyan lehet meghatározni az égitestek távolságát?

A Föld helye a Világegyetemben. A Naprendszer

Válaszok a feltett kérdésekre

Az univerzum szerkezete

A világegyetem szerkezete és fejlődése. Összeállította: Kiss László

Milyen színűek a csillagok?

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

A sötét anyag és sötét energia rejtélye

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

2. Rész A kozmikus háttérsugárzás

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

A galaxisok csoportjai.

A gravitációs hullámok miért mutathatók ki lézer-interferométerrel?

Csillagászati megfigyelések

Galaxishalmazok. Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék március 17.

Színképelemzés. Romsics Imre április 11.

Ősrobbanás: a Világ teremtése?

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

OPTIKA. Fénykibocsátás mechanizmusa fényforrás típusok. Dr. Seres István

A FÖLD KÖRNYEZETE ÉS A NAPRENDSZER

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

9. évfolyam. Osztályozóvizsga tananyaga FIZIKA

A világtörvény keresése

Tömegvonzás, bolygómozgás

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

Minden olyan, nagy méretű csillagcsoportot így nevezünk, amely a Tejútrendszer határán túl van. De, hol is húzódik a Galaxis határa?

Képlet levezetése :F=m a = m Δv/Δt = ΔI/Δt

Kozmológiai n-test-szimulációk

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

Az ősrobbanás elmélete

A relativitáselmélet története

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

Földünk a világegyetemben

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

FIZIKAI NOBEL-DÍJ 2011: SZUPERNÓVÁK ÉS A GYORSULVA TÁGULÓ UNIVERZUM Szalai Tamás SZTE Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék, Szeged

Modern fizika vegyes tesztek

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

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

Fekete lyukak, gravitációs hullámok és az Einstein-teleszkóp

Gravitációelméletek tesztelése gömbhalmazokkal

Asztrometria egy klasszikus tudományág újjászületése. ELFT Fizikus Vándorgyűlés, Szeged, augusztus 25.

Az elektromágneses hullámok

Megmérjük a láthatatlant

Theory hungarian (Hungary)

Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék április 28.

Légköri termodinamika

A hőmérsékleti sugárzás

A csillagok fénye 1. Az atomoktól a csillagokig. Dávid Gyula Az atomoktól a csillagokig dgy

ATOMMODELLEK, SZÍNKÉP, KVANTUMSZÁMOK. Kalocsai Angéla, Kozma Enikő

KÖSZÖNTJÜK HALLGATÓINKAT!

A modern fizika születése

Újpesti Bródy Imre Gimnázium és Ál tal án os Isk ola

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

Abszorpciós spektroszkópia

FIZIKA KÖZÉPSZINTŐ SZÓBELI FIZIKA ÉRETTSÉGI TÉTELEK Premontrei Szent Norbert Gimnázium, Gödöllı, május-június

[ ]dx 2 # [ 1 # h( z,t)

FIZIKA SZÓBELI VIZSGA TÉMAKÖREI ÉS MÉRÉSEI

Nemzetközi Csillagászati és Asztrofizikai Diákolimpia Szakkör Asztrofizika II. és Műszerismeret Megoldások

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

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

Fontos tudnivalók. Fizikai állandók táblázata. Hasznos matematikai összefüggések

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban A fény; Abszorpciós spektroszkópia

Spektrográf elvi felépítése. B: maszk. A: távcső. Ø maszk. Rés Itt lencse, de általában komplex tükörrendszer

METRIKA. 2D sík, két közeli pont közötti távolság, Descartes-koordinátákkal felírva:

Belső energia, hőmennyiség, munka Hőtan főtételei

11.3. Az Achilles- ín egy olyan rugónak tekinthető, amelynek rugóállandója N/m. Mekkora erő szükséges az ín 2 mm- rel történő megnyújtásához?

A Mindenség mérése. Mi a kozmológia? PATKÓS ANDRÁS

SZAKDOLGOZAT Az extragalaktikus távolságlétra Takáts Katalin

Sugárzásos hőtranszport

Csillagok parallaxisa

Egy részecske mozgási energiája: v 2 3 = k T, ahol T a gáz hőmérséklete Kelvinben 2 2 (k = 1, J/K Boltzmann-állandó) Tehát a gáz hőmérséklete

A sötét anyag nyomában

Az atommag összetétele, radioaktivitás

Az Univerzum kezdeti állapotáról biztosat nem tudunk, elméletekben azonban nincs hiány. A ma leginkább elfogadott modell, amelyet G.

FIZIKAI NOBEL-DÍJ 2011: SZUPERNÓVÁK ÉS A GYORSULVA TÁGULÓ UNIVERZUM Szalai Tamás SZTE Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék, Szeged

Axion sötét anyag. Katz Sándor. ELTE Elméleti Fizikai Tanszék

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban 4/11/2016. A fény; Abszorpciós spektroszkópia

Gravitational lenses as cosmic rulers: Ωm, ΩΛ from time delays and velocity dispersions

Reológia Mérési technikák

Részecskefizika 2: kozmológia

A változócsillagok. A pulzáló változók.

MODERN CSILLAGÁSZATI VILÁGKÉPÜNK

Termodinamika (Hőtan)

Átírás:

Magyar fizikatanárok a CERN-ben 2015. augusztus 16-22. Trócsányi Zoltán Kozmológia alapfokon Részecskefizikai vonatkozásokkal

Hogy kerül a csizma az asztalra? Az elmúlt negyedszázad a kozmológia forradalmát, valamint mikro- és makrokozmosz fizikájának összefonódását hozta

A kvantumvilág megválaszolatlan nagy kérdései http://www.interactions.org/quantumuniverse/qu/index.html Vannak-e eddig fel nem fedezett természeti törvények? Hogyan érthetjük meg a sötét energia rejtélyét? Létezik-e több mint három tér-dimenzió? Egyesülnek-e az alapvető kölcsönhatások? Miért van oly sokfajta elemi részecske? Van-e esetleg több? Mi a sötét anyag, elő tudjuk-e állítani laboratóriumban? Mit mondanak a neutrínók? Hogyan keletkezett a Világegyetem? Hová tűnt az antianyag?

Értjük-e ezeket a kérdéseket? Vannak-e eddig fel nem fedezett természeti törvények? Hogyan érthetjük meg a sötét energia rejtélyét? Létezik-e több mint három tér-dimenzió? Egyesülnek-e az alapvető kölcsönhatások? Miért van oly sokfajta elemi részecske? Van-e esetleg több? Mi a sötét anyag, elő tudjuk-e állítani laboratóriumban? Mit mondanak a neutrínók? Hogyan keletkezett fejlődött a Világegyetem? Hová tűnt az antianyag?

A Világegyetem szerkezete Nagy skálán homogén és izotróp, (1. kérdés: Honnan tudjuk, ha látha- tóan szerkezete van?) Galaxisban (0,1Mfényév) Δρ/ρ = 1000 000 Galaxishalmazokban (3 Mfényév) Δρ/ρ = 1000 Szuperhalmazokban (100 Mfényév) Δρ/ρ = 10

A VE összetétele (%-os járulék az energiasűrűséghez) nehéz elemek! 0.03% neutrínók! 0.3% sötét anyag! 26.8% sötét energia 68.3% fénylő! anyag! 0.3% H, He! gáz! 4% Részecskefizikai kapcsolat

Honnan tudjuk mindezt? Sok-sok kozmológiai megfigyelésből... szemezgessük...de nincs időnk a legérdekesebbeket! mind áttekinteni

1. rész A táguló Világegyetem

A Világegyetem szerkezete Egy-egy galaxisban mintegy 10 11 db csillagot látunk (2. kérdés: Honnan tudjuk?)

A Világegyetem szerkezete 10 11 db galaxist látunk

Minél messzebb nézünk, annál korábbra látunk d 2 d 1 Δt = (d 2 -d 1 )/c

Hubble űrtávcső 10-12 milliárd fényévre is lát

Hubble űrtávcső

Hogyan lehet ezeket a képeket mennyiségileg vizsgálhatóvá tenni?

Méretek Háromszögelés:!! r!! r = d d vagy d = /r! jellemző szögméret a szögmásodperc (4.85 µrad) pl. Nap sugara 6.955 10 8 m = 0.004652 CsE, Nap - Föld távolság 1 CsE = 1.5 10 11 m = 16 3. kérdés: Honnan ismerjük r-t (1 CsE)?

Méretek Távolságmérésre használható (kis távolságra) Parallaxis módszer: π-2 = r/d 1pc = 1 CsE/1

Luminozitás és fluxus Égitest luminozitása (L) az égitest által kisugárzott összes teljesítmény, [L] = W Észlelt fluxus (f ) a távcsőben mért energiaáramsűrűség [f ] = W/m 2! d távolságra található L luminozitású égitestről a távcsőbe érkező fluxus f = L/(4πd 2 ) 4. kérdés: Egy kékes színű csillag 1.36 pc távolságra van, és a Földön mért fluxusa 8.3 10-9 W/m 2. Nagyon hasonló csillagot sikerült találni egy távoli csillaghalmazban, amelynek mért fluxusa 8.5 10-21 W/m 2. Hány Mpc távolságra van a csillaghalmaz?

Távolságmérés standard gyertyákkal (luminozitásuk ugyanakkora => d = L/(4πf) ) luminozitás-távolság: d = 10 (m-m+5)/5 pc m: látszó M: abszolút fényesség

Színkép (spektrum): a sugárzás fluxusának hullámhosszfüggése df d (W/m 3 ) hullámhossz (nm) ( ) 5. kérdés: Milyen hullámhossznál van az 5000 K hőmérsékletű feketetest sugárzó színképének maximuma?

Spektrum: a sugárzás fluxusának (intenzitásának) hullámhosszfüggése egy csillag spektruma általában abszorpciós vonalakat tartalmaz df d hullámhossz (nm)

J. Fraunhofer fedezte fel a nap színképvonalait

J. Fraunhofer fedezte fel a nap színképvonalait távolodó égitestek színképvonalai a vörös felé eltolódnak (vöröseltolódás, z) z = ( - 0 )/ 0

Sebességmérés színképelemzés alapján Ha a távolodó égitest sebessége v << c, és a vöröseltolódás a Doppler-hatás eredménye => a 0 = ct hosszúságú hullám = ct + vt hosszúságúra nyúlik, - 0 = vt és z = v/c! Hullámhosszeltolódás (z) igen pontosan mérhető színképelemzéssel vöröseltolódás kékeltolódás

Hubble felfedezése 1920-29: Edwin Hubble a minden korábbinál jobb felbontású, Palomar-hegyi új távcsővel megméri az Androméda és 17 másik galaxis távolságát és vöröseltolódását (sebességét) tapasztalat: a távolodás sebessége arányos a távolsággal

J. Fraunhofer fedezte fel a nap színképvonalait

Hubble eredeti mérése távolodás sebessége távolság

A Hubble-törvény értelmezése: a Világegyetem mindenhol egyformán tágul v = H 0 r, H 0 =100 h (km/s) /Mpc =h/(9,78 10 9 év), h=0,7 6. kérdés: Mit ad meg H 0 reciproka?

Egyetemes tágulás: a skálafaktor a(t) megmutatja, hogy bármely távolság t 0-ban hogyan aránylik ugyanahhoz a távolsághoz t = 0-ban (most) z = / 0-1 = 1/a(t) -1 a(t) = 1/(z +1) Az egyetemes tágulást felülírhatják a helyi mozgások, ha az anyag elég sűrű, és a gravitáció erősebb 7. kérdés: Miért nem tágul a méterrúd?

8. kérdés: A Föld z = 0.58-nál keletkezett. A hozzánk legközelebbi csillagrendszerek most 1 Mpc távolságra vannak, és luminozitásuk 10 37 W. Csupán Hubble-féle tágulást feltételezve hány Mpc távolságra voltak ezek a csillagrendszerek a Föld keletkezésekor? 29

Hubble törvény kísérleti ellenőrzése m-m 9. kérdés: Milyen messze van ez a SN? Gyorsuló tágulás! vöröseltolódás, z = / 0-1

Fizikai Nobel-díj 2011 Saul Perlmutter Brian P. Schmidt Adam G. Riess Lawrence Berkeley Ausztrál Nemzeti Johns Hopkins Nemzeti Labor, USA Egyetem, AUS Egyetem, USA a Világegyetem gyorsuló tágulásának felfedezéséért távoli szupernóvák megfigyelése révén

A táguló Világegyetem A távoli galaxisok fényében vöröseltolódást észlelünk, a hatás a távolsággal arányos Nagy skálán a vöröseltolódás a térrel együtt táguló fényhullám hullámhossznövekedésének eredménye Amikor a fényhullámok elindultak (régen), sokkal kisebb volt hullámhosszuk, tehát a Világegyetem sokkal sűrűbb és forróbb volt Szokásos értelmezés: Ősrobbanásban keletkezett (az elnevezés félrevezető) Van-e erre bizonyíték?

Az energiaegyenlet R sugarú gömb tömege M = 4 3 R3 A gömb felszínén található m tömegű galaxis potenciális energiája mozgási energiája E p = G mm R = Gm4 3 R2 E m = 1 2 mv2,v= dr A teljes mechanikai energia állandó: dt E m + E p = 1 2 m dr dt 2 Gm 4 3 R2 = E

A kritikus sűrűség E előjele határozza meg a VE sorsát: E > 0: a VE örökké tágul E < 0: a VE tágul, majd összeomlik E = 0: a VE kritikus állapotban van, az ehhez tartozó tömegsűrűség: ρ c 0= 1 2 m HR 2 Gm 4 3 R2 c ) c = 3H2 8 G 10. kérdés: Hány H atomot jelent ρ c m 3 -ként?

A szokásos egység A tömegsűrűséget ρ c egységben szokás mérni: Ω = Ω x + Ω y + pl. Ω L = 3 ρ x = Ω x ρ c! három lehetőség: Ω < 1 (ρ < ρ c ): a VE örökké tágul Ω > 1 (ρ > ρ c ): a VE tágul, majd összeomlik Ω = 1 (ρ = ρ c ): a VE kritikus állapotban van

c = 3H2 8 G A Friedmann-egyenlet ) H 2 8 G 3c 2 " tömegsűrűség jellegű energiasűrűség több forrása lehet A skálatényező változása (az Einstein-egyenletből): ȧ 2 a (t) = H 2 (t) = 8 G 3c 2 " r(t) + 8 G 3c 2 " kc 2 m(t) a 2 + c2 3 sugárzás anyag görbület vákuum ~ a -4 ~ a -3 ~ a -2 ~ a 0

c = 3H2 8 G A Friedmann-egyenlet ) H 2 8 G 3c 2 " tömegsűrűség jellegű energiasűrűség több forrása lehet A skálatényező változása (az Einstein-egyenletből): ȧ 2 a (t) = H 2 (t) = 8 G 3c 2 " r(t) + 8 G 3c 2 " kc 2 m(t) a 2 + c2 3 sugárzás anyag görbület vákuum ~ a -4 ~ a -3 ~ a -2 ~ a 0 Alexander Friedmann vezette le 1922-ben

A dominancia időrendje ȧ 2 a (t) = H 2 (t) = 8 G 3c 2 " r(t) + 8 G 3c 2 " m(t) kc 2 a 2 + c2 3 H 2 a -4 sugárzás anyag görbület vákuum ~ a -4 ~ a -3 ~ a -2 ~ a 0 a -3 a -2 a 0 jelen 0 1 ln a

A dominancia időrendje ȧ 2 a (t) = H 2 (t) = 8 G 3c 2 " r(t) + 8 G 3c 2 " m(t) kc 2 a + c2 3 H 2 a -4 sugárzás anyag görbület vákuum ~ a -4 ~ a -3 ~ a -2 ~ a 0 egyes időszakok hiányozhatnak a -3 a -2 a 0 jelen 0 1 ln a

Honnan lehet tudni, mennyi van az egyes energiasűrűség járulékokból? Válasz holnap de mielőtt elszaladnátok

+1 kérdés: Mekkora tömegű egy csillagrendszer? kétféle megközelítés: 1. kisugárzott energia átváltása tömeggé (fénylő anyag tömegét adja) 2. anyag mozgásából következtetünk a gravitáló tömeg mennyiségére

Fénylő anyag tömege Ismerjük a Nap tömegét (M ) és luminozitását (L ), Y = M /L Feltevés: Napunk átlagos csillag Y G = Y M G /L G = M /L M G = (L G /L ) M = (f G /f ) (d G /d ) 2 M Példa: M33 csillagrendszer fluxusa: f M33 = 10-13 f távolsága: d M33 = 900 kpc = 1.86 10 11 d tömege: M M33 = 3.5 10 9 M

Feltevés pontosítása: Napunk nem teljesen átlagos csillag, a Herzsprung-Russel diagram szerint Y G = 4Y Fénylő anyag tömege L, Nap=1 színképosztály hőmérséklet óriások M M G = 4(L G /L ) M főág M33 fénylő tömege M M33 = 1.4 10 10 M fehér törpék színindex

mért sebességek Gravitáló anyag tömege R sugarú gömbön belül található anyag tömege M a gömb felszínén keringő m tömegű anyag (pl. csillag, porfelhő) mozgásának dinamikai feltétele m v2 R = GmM R 2 ) v = Csillagrendszer megfigyelt és jósolt forgási görbéje r GM R forgási sebesség távolság a középponcól Kepleri jóslat

Gravitáló anyag tömege R sugarú gömbön belül található anyag tömege M a gömb felszínén keringő m tömegű anyag (pl. csillag, hidrogénfelhő) mozgásának dinamikai feltétele v 2 m R = GmM R 2 ) v = Csillagrendszer megfigyelt és jósolt forgási görbéje r GM R forgási sebesség távolság a középponcól Kepleri jóslat forgási sebesség távolság a középponcól Tejút

M33 gravitáló tömege fénylő anyag széléig: M M33 = 3.2 10 10 M összesen: M M33 = 13.2 10 10 M teljes sötét anyag csillagok gáz

Magyarázat módosított newtoni dinamikával (MOND)!!! tömegvonzás erőtörvénye módosul: F g = G mm R 2 +f 0 Remekül leírja a forgási görbéket!! Newton elmélete pontos a Naprendszerben (~10 2 CsE) Csillagrendszerek mérete ~10 10 CsE! Kiterjeszthetjük szabadon 8 nagyságrenddel az elméletet?!

MOND vagy SAny? Olyan ellenőrzési lehetőséget kell keresni, amelyre különböző a jóslatuk! Golyó halmaz? (ütköző galaxishalmazok) röntgen tartományban gravitációs hatás fényre