Савремена космологија и Гравитациони таласи

Проф. др Горан Ђорђевић

ПМФ у Нишу – Департман за физику

У сарадњи са Љ. Нешићем, М. Милошевићем и Д. Делибашићем1

Сурдулица, 25. новембар 2016. године

Alexander Friedmann

Rodjen Jun 16, 1888, SanktPetersburg, Russia

Umro – Septembar 16, 1925,Lenjingrad, SSSR)

Ključni rad 1922. godine, u casopisu Z. fuer Physik

Kosmološki princip

Na maloj skali materija je rasporedjeno veoma ‚‚neregularno‚‚ - nehomogeno

Što je skala veća distribucija materije je sve uniformnija – potvrda konstantnost temperature mikrotalasnog pozadisnkog zračenja (Cosmic microwave background - CMB) u svim pravcima

Na veoma velikoj skali svemir je izotropan sa velikom preciznošću

Kosmološki princip ‚‚U bilo kom trenutku svemir izgleda isto iz

svih prostornih tačaka i svi pravci u prostoru u ma kojoj tački su ekvivalentni

Metrika i pokretni koordinatni sistem

Pokretni koordinatni sistem

jiij dxdxgdtcds −= 222

Kako se univerzum širi rastojanje između galaksija (probnih čestica) povećava se proporcionalno faktoru skale:

0( ) ( )L t a t L=

Kosmološki crveni pomak, Hablova konstanta i crveni pomak Predviđanje modela svemira koji se širi je ‚‚crveni pomak‚‚ Talasna dužina svetlosti (fotona) koja stiže iz dalekog svemira

ima povećanu talasnu dužinu jer se prostor-vreme širi. Kao posledicu imamo da će se talasna dužina svetosti pomeriti ka crvenom delu spektra

Očigledno je z uvek pozitivno! Zašto? Pored kosmološkog postoje (lokalno) klasični Doplerov i

gravit. crveni pomak...

eeetataz

λλ

λλ ∆

=−=−= 11)()( 00

Posmatrajući sjaj i brzinu udaljavanja galaksija u kojim je otkrio promenljive zvezde – CEFEIDE, Habl je otkrio LINEARNU vezu izmedju brzine udaljavanja ( ) i udaljenosti galaksije rod posmatrača (recimo nas, Zemlji)

H je tzv. Hablova konstanta (u stvari zavisi od vremena) a za njenu trenutnu vrednost se obično uzima da je 75km/s Mpc.

H(t) meri brzinu promene skale (u vezi je sa radijusom svemira) i koriste se za određivanje starosti svemira

HV

HrVH =

)()()()(.

0

.tltHtl

aala

dtdltv ====

0H

Fridmanove jednačine

Tzv. Prva ili vremenska jednačina

Druga ili ‚‚prostorna‚‚ jednačina

38

3

2

2

2

2

.2 ρπGc

Rkc

RR

=Λ

−+

22

2

2

2

...2

82 c

pGcRkc

RR

RR π−=Λ−++

Fridmanovi modeli bazirani na Ajnštajnovim jednačinama

U stvari “običan” kosi hitac!!!

Kako ovo izgleda u prostoru

Zatvoreni model svemira

Otvoreni model svemiraa) Ravni model svemira

b) model sa negativnom krivinom

Originalna merenja su bila samo ovde!

Moderni Hubble-ov Diagram

Ne postoje objekti koji se ne udaljavaju od nas

Cela evolucija svemira

Implikacije ekspanzije

Svemir se danas širi.

Vratimo sliku unazad:

U prošlosti, svemir je bio mnogo manji.

Gustina je bila mnogo veća.

Temperatura je bila mnogo veća.

Vruće stvari emituju elektromagnetnozračenje.

Mozemo li da vidimo zračenje iz rane faze evolucije univerzuma?

Termalna radijacijaKako izgleda termalna radiacija?

• Svi objekti koji emituju samo svetlost imaju isti spektar• Topliji objekti su svetliji (~ T4)• Topliji objekti su plaviji (λ ∝ 1/T)

Izgleda “belo” Izgleda crveno Nevidljivo

CMBR –slika neba

COBE team

T = 2.7 K

Topliji i hladniji delovi svemira, prema COBE-u, pre nastanka galaksija

Najpreciznija CMBR slika neba do sada. Satelit: WMAP

Sa WMAP website-a

Kako nastaju atomi

Šta je bilo pre toga?

Univerzum je bio još topliji i jošgušći.

Kao unutrašnjost sunca danas.

Toliko topao da je mogao da podrži nukleranu fuziju.

Fuzija kreira nove elemente.

Nuklearna fuzija vodonika u helijum, helijuma u ugljenik itd.

Sve do gvožđa. Fuzija elemenata

težih od gvožđa zahteva utrošak energije i ne može da bude spontana.

Sastav Univerzumaili

Sada znamo da mnogo ne znamo

Konačna slika big bang-a Obzervacije:

Ekspanzija

Termalna radijacija CMBR

Dominacija lakih elemenata

Precizni testovi: Istorija ekspanzije Sastav UniverzumaΩM = 0.04ΩDM = 0.23ΩΛ = 0.73

Preostale misterije: tamna matrija (dark matter) i tamna energija (dark energy) ili kosmološka konstanta. Njihovo prisustvo je detektovano ali za sada nemamo ideju šta bi to moglo da bude.

Imamo Standardni Kosmološki Model

Čemu još inflacija?

Problem horizonta (horizon problem)

Problem ``ravnoće``

Problem velikih kosmičkih struktura

Problem monopola

Inflatorni modeli

Šta je inflacija

U kosmologiji pod inflacijom podrazumevamo period evolucije vasione u kome se ona širila po eksponencijalnom zakonu

)exp()( Htta ∝

26

Нова црна рупа

62 масе Сунца

3 масе Сунца су израчене у виду таласа

Шта је регистровано 14.9.2015?

Спајање две црне рупе:

36 маса Сунца

29 маса Сунца

Шта смо до сада/тада регистровали из Универзума?

Гама опсег (бљескови)

27

ИЦ - инфрацрвени

Микроталасни опсег (COBE)

ВИС

Унниверзум на више начина Дијагностика света око

нас и природе и друштва

Како изгледа Сунце?

ВИС, ИЦ, УВ, Х

28

Заједничко овим сликама

Електромагнетни спектар

Ерстед, 1820 – струја –> магнетно поље

Фарадеј, 1831 – магнетно поље –> струја

Максвел, 1864 – „2+2= „

Променљиво магнетно поље ствара променљиво електрично и обрнуто

Брзина EM таласа, 3 x 108 м/с

G040457-00-E

EM таласи Периодична промена ЕМ поља

• Налектрисања која осцилују → талас одређене карактеристичне дужине

• Таласи различитих таласних дужина чине спектар

G040457-00-E

Eлектромагнетна астрономија –земаљска астрономија

ВИС: једини облик астрономије до 1930

Омогућује да се виде светлећа тела - звезде

Такође уколико има рефлексије (планете у Сунчевом систему)

G040457-00-E 32

Eлектромагнетна астрономија –земаљска астрономија

Радио: револуција у погледу на Универзум!

Електрони који се крећу јако великим брзинама

Активне галаксије, Велики Прасак

G040457-00-E 33

Eлектромагнетна ванземаљска астрономија

X и γ зраци: Још дубљи продор и поглед у драматичније догађаје

Соларне бакље, неутронске звезде, термонуклеарне детонације звезда

Историја - учитељица

Нове таласне дужине су довеле до револуције у астрономији

И недавно откривени гравитациони таласи имају читав нови спектар!

34

35

Гравитациони таласи Посматра се „позадинско“ гравитационо поље и његова промена

• Осцилације маса производе гравитационе таласе аналогно као у случају ЕМ таласа

36

Гравитациони таласи

• Осцилације маса производе гравитационе таласе аналогно као у случају ЕМ таласа

• Амплитуда таласа (h)

Природа гравитацијеЊутн

• “Деловање на даљину”.

• Њутнов закон описује ефекте гравитације али их не објашњава.

Ајнштајн

• Гравитација је последица кривине простор-времена.

• Свака маса/енергија закривљује простор-време.

• Слободно падајући објекти прате локалну кривину простор-времена.

Извори

EM - убрзана наелектрисана тела (осцилујући диполи)

Гравитациони таласи - убразане „масе“ (осцилујући квадруполи).

Суштина

EM таласи се креће кроз простор – време

Гравитациони талас јесте периодична промена самог простор - времена.

Типичне фреквенције

EM (107 Hz – 1020 Hz)

Гравитациони таласи (10-9 Hz – 104 Hz) – „звучна“ област

ЕМ и гравитациони таласи

Шта се зна о гравитационимталасима?

• “Набори” у простор-времену.•Изазивају промене растојања.•Типична вредност h је ~10-21.•Мала вредност јер је простор веома „крут“!

40

Извори гравитационих таласа Supernova: Експлозија изазвана колапсом старе

звезде која је сагорела гориво

Изазива гравитационо зрачење које није симетрично

Неутронске звезде:

Ротирају са око 600 обрта у секунди

Емитују непрекидно зрачење које је опет несиметрично

Колапс бинарног система: две неутронске звезде или црне рупе

Јак извор зрачења

Примордијална „позадина“: Реликт зрачења са почетка универзума

Изгледа као „шум“ (аналогно ЕМ шуму)

Космичке струне

Детекција – мерење растојања између дваобјекта у простору – то умемо!?.

• Подела на лењиру мора да буде мања од растојања атома лењира.

• Тела могу да оду некотролисано једно од другог. Треба их контролисати без да их ограничио превише.

• Дужина лењира се такође мења под дејством гравитационих таласа.

• Зашто је тешко детектовати нешто што је 10-21

Да ли имамо представу о малим величинама?

Ширимо опсег својих чула инструментима

Треба нам инструмент за мерење растојања који може да осети промене у дужини од 1/1021

42

LIGO

LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory)

43

LIGO Мерење таласа

LIGO и eLISA

LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory)

eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna)

45

Последња опека у здању Ајнштајнове теорије

Феномен Ајнштајн

Теорија која је настала „наопачке“

Ајнштајн и поупуларизација физике

46

Шта нас још чека?

Само 4% материје Универзума је састављено од нама познате материје

Ајнштајнов легат – неквантнована теорија гравитације

Пуно посла за младе (теоријске) физичаре47