(a kozmológia alapjai)horvath/talks/2010/telki2010jan14.pdf · ix. fejezet: sem a mennyország,...

Osrobbanás: a Világ teremtése?(A kozmológia alapjai)

Horváth Dezso

[email protected]

MTA KFKI Részecske– és Magfizikai Kutatóintézet, Budapest

és MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen

Horváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 1/37

Vázlat

Táguló világegyetem, kozmológiai elv.

Kozmikus háttérsugárzás.

Osrobbanás, infláció.

Osrobbanás és vallás.

Sötét anyag és sötét energia.

COBE, WMAP

Hubble-teleszkóp

Forrás:http://hu.wikipedia.org/wiki/ Osrobbanás

Stephen Hawking: Az ido rövid történeteTalentum Kiadó, Budapest, 1998


Eloszó

A fizika egzakt tudomány (képletgyujtemény!)

Pontos matematikai formalizmuson alapszik.

Elmélet érvényes, ha kiszámítható, és eredményegyezik kísérlettel.

Az igazi fogalmak mérheto mennyiségek, a szavakcsak mankók.

Szavak mögött pontos matematika és kísérleti tapasztalat


Mi a kozmológia?

Világegyetem egészével foglalkozik.

Hogyan jött létre? Nem miért?

Statikus vagy táguló?

Lapos, nyitott vagy zárt?

Anyaga, összetétele?

Múltja, jövoje?


A Hubble-állandóDoppler-hatás: z = (λv − λ0)/λ0 λv: hullámhossz v sebességnél

Közeledo motor hangja magasabb, távolodóé mélyebb

William Huggins, 1868: csillagokban z > 0: vöröseltolódás

Tolünk távolodó objektum fényhullámhossza no ⇒ vörösebb

Henrietta S. Leavitt, 1920:

Változócsillagok (cefeidák) periódusa ∼ abszolút fényessége ⇒

távolságuk levezetheto

Edwin Hubble, 1929: Cefeidák galaxisokban távolodnak tolünk

v = Hr sebességgel

Hubble-konstans:

H = 70 km/s/Mpc (1 Mpc ≈ 3 × 1022 m ≈ 3 × 106 fényév)

(1 parsec = távolság, ahonnan 2× d(Nap-Föld) 1 szögmp alatt látszik)

A Világegyetem kora: H−1

0∼ 14 × 109 év


Táguló világegyetem

Kozmológiai elv: Ha a tágulás lineárisv(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 koordinátáktömegek között vonzás, lokális inhomogenitás

Valamikor minden közelebb volt: osrobbanás (Big Bang)


Kozmikus háttérsugárzásArno Penzias és Robert Wilson, 1964

(Nobel-díj, 1978)Kiszurhetetlen mikrohullámú háttérsugárzás

Modell: T=3 K kozmikus sugárzás (CMB)

COBE: COsmic Background ExperimentT = 2, 728 K, pontos homérsékleti görbén

eredetileg 3000 K-es fotonok lehülése(1000-szeres!) táguláskor

Helyi irány-anizotrópia: magok galaxisokkialakulásához

Megerosítés, sokkal pontosabban:WMAP: Wilkinson Microwave Anisotropy Probe

John C. Mather és George F. Smoot (COBE):Nobel-díj, 2006

A COBE urszonda


A COBE anizotrópiája

Vörös = 2,721 K kék = 2,729 KDipól: Nap mozgása

Tejútrendszer

Maradék anizotrópia


A WMAP anizotrópiája, 2001-2003


Osrobbanás (Big Bang)

Látható anyag: ∼ 75% hidrogén, ∼ 25% hélium, < 1% másHidrogénbol hélium csak csillagokban, nem lenne ennyi

⇒ forró korai Univerzum kiadja

Kozmikus háttérsugárzás eredete:Big Bang után 30 perc: plazma, T = 300 000 000 K.

Sugárzás dominál, fotonok halmaza átlátszatlan közegben

380000 év: lehülés 3000 K-re, semleges atomok,fotonoknak átlátszó

Mostanra: tágulás, fotonok lehultek

Galaxisok eredete:Térbeli anizotrópia

⇒ sötét anyag gravitációs gödrei⇒ barionos anyag surusödése

⇒ csillagok begyulladnakHorváth Dezso: A kozmológia alapjai Telki, 2010.01.14 – p. 10/37

Osrobbanás, felfúvódás, sugárzás


Osrobbanás, evolúció és vallás

Osrobbanás értelmezéséhez az evolúció a fo kérdés

Protestantizmus általában elveti. Vatikán flexibilis.

XII. Pius beletörodött az evolúcióba és 1951-ben üdvözölteaz Orobbanást, mint a Világ teremtését

II. János Pál, Pontifical Academy of Sciences, 1996:Mára ... új tudásunk elfogadja, hogy az evolúció elméletetöbb, mint hipotézis. Valóban figyelemre méltó, ahogy a

kutatók a tudomány különbözo területein tett felfedezésekhatására, fokozatosan elfogadták ezt az elméletet. Afüggetlenül végzett munka eredményeinek sem nem

keresett, sem nem fabrikált konvergenciája önmagában isjelentos bizonyítéka az elméletnek.


Evolúció és vallás

2009. február: G. Ravasi bíboros, a Pontifical Academy ofSciences elnöke, abból az alkalomból, hogy a Vatikán

konferenciát szervezett Charles Darwin: A fajok eredetemegjelenésének 150. évfordulójára:

Habár a Vatikán korábban ellenséges volt a darwinizmussalszemben, soha nem vetette hivatalosan el. ... Az evolúció

ötlete már Szent Ágoston és Aquinói Szent Tamásmüveiben is fellelheto.

Szent Ágoston (354–430): Isten a semmibol osanyagotteremtett, észcsirákat helyezett el benne, abból fejlodött ki a

Világ (ezt kettos és folytonos teremtésnek hívta)


Osrobbanás és vallásII. János Pál, Pontifical Academy of Sciences, 1996:

... úgy tunik, hogy a modern tudománynak sikerült megtalálnia azelsodleges fiat lux (legyen világosság) pillanatát, amikor a semmibol az

anyag mellett fény és sugárzás tengere tört elo, az elemek meghasadtakés kavarogtak és galaxisok millióivá váltak. ... Tehát megtörtént ateremtés. Kijelentjük: tehát létezik Teremto. Tehát Isten létezik!

Állítólag a kollégái viccelodésére 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 Osrobbanás pillanatát, mert az

Isteni beavatkozás volt:Örültem, hogy nem ismerte a konferencián éppen elhangzott eloadásom

témáját — a lehetoségét annak, hogy a tér-ido ugyan véges, de nincshatára, kezdete sem, tehát a Teremtésnek sincs idopontja.


Szent Ágoston vallomásai, XI. könyvIdézetek az idorol (Dr. Vass József fordítása)

V. fejezet: Isten a világot semmibol teremtette

VI. fejezet: A teremto ige nem lehetett valami idoben elhangzó

parancs. Akárminek képzelem ugyanis azt a teremtést

megelozo valamit, ami hordozója lett volna parancsodnak,

biztosan nem volt, hacsak azt is meg nem teremted vala.

X. fejezet: Muködött-e Isten a világ teremtése elott?

XI. fejezet: Isten örökkévalóságához nincs köze idonek.

XII. fejezet: A teremtés elott Isten kifelé, vagyis teremto

módon semmit nem cselekedett.

XIII. fejezet: A teremtés elott nem volt ido, mert ez maga a

teremtmény.


Szent Ágoston vallomásai, XII. könyvVII. fejezet: Semmibol lett az osanyag, az osanyagból az

egész világ.

IX. fejezet: Sem a mennyország, sem az osanyag

megteremtése nem idoben történt.

XIII. fejezet: Kezdetben teremté Isten a mennyországot és az

osanyagot ... a mennyet én szellemi égnek tartom, amelyben

a megismerés nem "rész szerint", nem "tükör által és

homályban" (1Kor 13,12) történik, hanem egyenlo a teljesen

megvilágosított: a színrol színre való látással. Nem hullámzik

egyszer erre, egyszer arra; hanem, amint említettem,

egyszerre és együtt való látás, idobeli változás nélkül.

XXIV. fejezet: Úgy vélekedik, hogy e szó "kezdetben" az Igét

jelenti, de vallja, hogy más magyarázat is lehetséges.


A Hubble-teleszkóp

Fellove: 1990.04.24Tömeg: 11110 kgKözel körpálya,

magassága: 559 kmKeringés: 96–97 perc

Átméro: 2,4 mFókusztáv: 57,6 m

Érzékenyhullámhosszak:Közeli infravörösoptikai (látható)

ultraibolya


A Hubble-teleszkóp muködése


A Hubble-teleszkóp javítása az urben

1993 óta több javítási akció:tükörkorrekció, giroszkópcsere (6!), muszerek cseréje


Hubble-teleszkóp: a Világegyetem mélye

250 nap megfigyelés egy sötét ponton ⇒

> 10000 tízmilliárd évnél régebbi galaxis


Hubble-teleszkóp: eredmények

A galaxisok kialakulása már azOsrobbanás után 500-800millió évvel megkezdodött

Korai galaxisok kisebbek éskevésbé szimmetrikusak ⇒

gyorsabb formálódás

A galaxisok centrumábanáltalában fekete lyuk van

A legtávolabbi felvételekennyomon követheto csillagokképzodése

Az ultramély felvételkis része kinagyítva1010 évvel fiatalabb

galaxisok


Általános relatívitáselméletNewtoni gravitáció + állandó fénysebesség (Einstein, 1916)

Görbült térido (t, x, y, z)

Görbület tömegtol

Szabadesés geodéziai vonalak mentén

Gravitációs potenciál ⇒ görbületi tenzor

Friedmann-Lemaitre megoldás:általános relatívitáselmélet homogén univerzumra


Gravitációs lencse: tér görbülete


A Világegyetem jövoje

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


Osrobbanás (Big Bang) idorendje

Esemény ido homérséklet ρ1/4

Planck-ido (infláció ↓?) 10−36 s 1018 GeVNagy egyesítés 10−32 s 1016 GeVElektrogyenge ↑?

(bariogenezis) 10−6 s 1015 K 100 GeVKvark → hadron 10−4 s 1012 K 100 MeVNukleonok 1–1000 s 109 − 1010 K 0,1 – 1 MeVLecsatolódás 105 év 2500 K 0,1 eVSzerkezet kialakulása > 105 évMai helyzet 14 G év 2,7 K 3 · 10−4 eV


Sötét energia??

Kozmológiai állandó: Λ > 0

Einstein legnagyobb tévedése, mégis létezik

Vákuum gravitáló energiája, összes tömeg 70%-a!

Osrobbanás után nagy, korai univerzumban sokkal kisebb,térrel no

Ma dominál. Igazából micsoda?

Nem vákuum-energia: 10−120-szor kisebb(Elmélet és kísérlet eltérésére világrekord :-)

Rengeteg modell, spekuláció: inflaton, kvintesszencia...


Sötét anyag

Spirálgalaxisoksebessége kifelé

nem csökken,

pedig Kepler II:v = GM(r)

r

Sokkal többgravitáló anyag,

mint látható

Micsoda?WIMP...

SUSY??

Látható tömegsuruség ∼ luminozitás:ρlum(r) ∼ I(r)

De ρM (r) 6= ρlum(r)!


Fekete lyukak, sötét anyagGalaxisok magjában fekete lyukak (black hole, BH):

MBH > 3 naptömeg, RBH pár km

Einstein-kereszt:

10 milliárd fényévre levo pulzárttöbb pontba nagyít és fókuszál 1

milliárd fényévre levo galaxisfekete lyukkal a közepén

(ESO, Very Large Telescope,Chile, 2008)

Többszörös kép: nemegyenletes tömegeloszlásFekete lyuk + sötét anyag


Anyagegyensúly ma

Jelenleg: lapos, anyag-dominálta (ΩM >> ΩR)

Kozmológiai paraméterek: ΩR, ΩM = ΩB + ΩCDM, ΩΛ, H0

Barionos anyag (csillagok, fekete lyukak, por, gáz):ΩB ∼ 4%

Csomósodó, nem-barionos, hideg sötét anyag:ΩCDM ∼ 26%

Gyorsuló tágulás: sötét energia ΩΛ ∼ 70%


Antianyag az Univerzumban?CPT-invariancia: legalapvetobb elméleti tétel

Töltés (C), térkoordináták (P), ido (T) tükrözése nemváltoztat fizikát ⇒ anyag = antianyag

De: nincsenek antianyag-galaxisok (nincs dicsfény)Sugárzási idoszak után 10−9-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 valószínuséggel.

CP-sértés igen, tágulás talán, barionszám-sértés nem.Kísérleti ellenorzés: LHCb a CERN-ben


Az LHCb kísérlet a CERN-ben


A történet eddig


Köszönöm a figyelmet


A WMAP eredménye, 2001-2003

Akusztikusspektrum: rezgési

módusok

Csúcsok helye:sötét anyag nem

barionos

Lapos Univerzum,Λ 6= 0


Távolságskála görbült téridobenEgyüttmozgó koordináták: (t, r, Θ, Φ)

Euklideszi távolság: dℓ2 = dr2 + r2(dΘ2 + sin2 ΘdΦ2)

Görbült térben: dℓ2 = a2(t)[

dr2

1−kr2 + r2(dΘ2 + sin2 ΘdΦ2)]

a(t): 2D térido-görbület k: 3D térgörbület

k = 0 k > 0 k < 0lapos univerzum zárt univerzum nyílt univerzum

Galaxisok távolsága ∼ a(t) ⇒ tágulás


A Friedmann-törvénySkála-

tényezováltozása:

(

aa

)2≡ H2 = 8πG

3c2 ρR + 8πG3c2 ρM − kc2

a2 + Λ3

∼ a−4 ∼ a−3 ∼ a−2 ∼ a0

Sugárzás anyag görbület vákuum

Dominancia idorendje(némelyik elmaradhat)


Anyagegyensúly ma

Friedmann-egyenletbol (X0: mai érték, /H20 )

8πG3H2

0c2

(ρR0 + ρM0) − kc2

a2

0H2

0

+ Λ3H2

0

≡ ΩR + ΩM − Ωk + ΩΛ = 1

Univerzum lapos, ha Ω0 = ΩR + ΩM + ΩΛ = 1

Jelenleg: lapos, anyag-dominálta (ΩM >> ΩR)

Kozmológiai paraméterek: ΩR, ΩM = ΩB + ΩCDM, ΩΛ, H0

Barionos anyag (csillagok, fekete lyukak, por, gáz):ΩB ∼ 4%

Csomósodó, nem-barionos, hideg sötét anyag:ΩCDM ∼ 26%

Gyorsuló tágulás: sötét energia ΩΛ ∼ 70%


(a kozmológia alapjai)horvath/talks/2010/telki2010jan14.pdf · ix. fejezet: sem a mennyország,...

Documents