Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Ewolucja Wszechświata Wykład 6 Mikrofalowe promieniowanie tła Krystyna Wosińska, WF PW.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Ewolucja Wszechświata Wykład 6 Mikrofalowe promieniowanie tła Krystyna Wosińska, WF PW."— Zapis prezentacji:

1 Ewolucja Wszechświata Wykład 6 Mikrofalowe promieniowanie tła Krystyna Wosińska, WF PW

2 Rozseparowanie materii i promieniowania lat Temperatura 3000 K Protony i jądra przyłączają elektrony (rekombinacja) – tworzą się atomy. Promieniowanie nie jest w stanie istotnie oddziaływać z materią nie jest w stanie w efektywny sposób jonizować i wzbudzać atomów. Od tej chwili temperatura promieniowania maleje wraz z ekspansją Wszechświata: Obecna wartość T = 2,73 K Materia nie ma wpływu na promieniowanie - promieniowanie reliktowe Krystyna Wosińska, WF PW

3 Promieniowanie reliktowe Energia fotonu: Średnia energia fotonu zależy od temperatury: Średnia energia fotonu maleje wraz z temperaturą Długość fali fotonu rośnie temperatura 2,73 K3000 K Krystyna Wosińska, WF PW

4 Promieniowanie reliktowe W 1964 r. Arno Penzias i Robert Wilson odkryli promieniowanie tła r. sonda kosmiczna WMAP (Wilkinson Microwave Anizotropy Probe) Widmo promieniowania tła zgadza się z widmem promieniowania ciała doskonale czarnego. Wyniki COBE T = (2,725 0,002) K Krystyna Wosińska, WF PW 1992 r. sonda kosmiczna COBE 2006

5 Promieniowanie reliktowe Animacja z kliknij Krystyna Wosińska, WF PW

6 Eksperyment WMAP Sonda kosmiczna wystrzelona roku Pomiar promieniowania mikrofalowego w 5 przedziałach częstości: od 23 GHz (13 mm) do 94 GHz (3,2 mm). Porównanie pomiarów w różnych zakresach częstości umożliwia odjęcie tła pochodzącego od Galaktyki. Aby zminimalizować tło pochodzące od Ziemi i Słońca sondę umieszczono na orbicie wokół tzw. punktu Lagrangea Quasi-stabilna konfiguracja WMAP – Ziemia -Słońce Krystyna Wosińska, WF PW

7 Eksperyment WMAP Animacja z kliknij Krystyna Wosińska, WF PW

8 Eksperyment WMAP 1. Trzy pętle wokół Ziemi 2. Wykorzystanie grawitacji Księżyca WMAP na orbicie – tyłem do Ziemi i Słońca Animacja z kliknij

9 Podróż w czasie Animacja z kliknij Oddalając się od Ziemi, cofamy się w czasie. Dochodzimy do momentu, gdy Wszechświat wypełniał zjonizowany gaz. Gdy jego temperatura spadła do 3000 K, powstały atomy i promieniowanie z tego momentu zarejestrował WMAP. Krystyna Wosińska, WF PW

10 Eksperyment WMAP Różne kolory oznaczają różne temperatury. Mapa temperatur Ziemi. Fluktuacje temperatury promieniowania tła – fotografia rozkładu materii we Wszechświecie w wieku lat. Bez fluktuacji gęstości nie powstałyby galaktyki. Krystyna Wosińska, WF PW

11 Wpływ ruchu Ziemi względem globalnego układu z prędkością 337 km/s ( T 1 mK) W pierwszym przybliżeniu promieniowanie jest izotropowe ( T 1 K) Po odjęciu efektu Dopplera widzimy promieniowanie naszej Galaktyki ( T 200 K) Po odjęciu promieniowania Galaktyki i innych znanych źródeł ( T 100 K) Fluktuacje temperatury Krystyna Wosińska, WF PW

12 Fluktuacje temperatury promieniowania tła – fotografia rozkładu materii we Wszechświecie w wieku lat. Krystyna Wosińska, WF PW

13 Przed fazą rekombinacji istniały w ośrodku fluktuacje gęstości energii (i temperatur). Eksperyment WMAP Obszary o gęstości większej niż średnia, kurczyły się pod wpływem grawitacji i nagrzewały. Jednocześnie wzrastające z temperaturą ciśnienie promieniowania prowadziło do zahamowania kolapsu i do rozszerzania. Obszar taki oscylował z amplitudą i częstością, które związane były z warunkami fizycznymi ośrodka. Krystyna Wosińska, WF PW

14 Fluktuacje W chwili przed rozpoczęciem inflacji: t = s, kT GeV Maksymalna odległość między punktami połączonymi przyczynowo: ct m Fluktuacje temperatury i gęstości: Zasada nieoznaczoności spowoduje wystąpienie różnic temperatury rzędu: Krystyna Wosińska, WF PW

15 Fluktuacje Kwantowe fluktuacje pola inflatonowego, wzmocnione ekpansją inflacji, utworzyły początkowe zaburzenia o amplitudach w przybliżeniu jednakowych we wszystkich skalach. Inflacja wywołała wszystkie zaburzenia jednocześnie. Fazy fal dźwiękowych były zsynchronizowane. Powstało widmo podobne do widma dźwięków instrumentów muzycznych Krystyna Wosińska, WF PW

16 Świat Nauki Krystyna Wosińska, WF PW

17 Świat Nauki Wyższe harmoniczne oscylowały 2, 3 i więcej razy szybciej niż fala podstawowa W epoce rekombinacji maksima i minima temperatury pojawiły się w mniejszych obszarach. Krystyna Wosińska, WF PW

18 Animacja z kliknij Powstanie niejednorodności zjonizowanej materii Wszechświata można porównać do powstawania zmarszczek w cieczy. Krystyna Wosińska, WF PW

19 Eksperyment WMAP Analiza statystyczna fluktuacji – odstępstwa od średniej temperatury w obszarach o różnej skali. Krystyna Wosińska, WF PW

20 Eksperyment WMAP Analiza statystyczna fluktuacji – odstępstwa od średniej temperatury w obszarach o różnej skali. Krystyna Wosińska, WF PW

21 Eksperyment WMAP Analiza statystyczna fluktuacji – odstępstwa od średniej temperatury w obszarach o różnej skali. Krystyna Wosińska, WF PW

22 Eksperyment WMAP 0,2 0 0, Świat Nauki Krystyna Wosińska, WF PW

23 Pierwszy (największy) pik odpowiada modom fluktuacji o rozmiarach porównywalnych z rozmiarami horyzontu akustycznemu w czasie ostatniego rozproszenia. droga jaką może przebiec dźwięk w ciągu ok lat Obszary największych odchyleń zajmują na niebie około 1 0 łuku (2 średnice Księżyca) w momencie rekombinacji obszary te miały rozmiar około miliona lat świetlnych - teraz miliard lat świetlnych. Krystyna Wosińska, WF PW

24 Eksperyment WMAP Kątowe rozmiary fluktuacji Typowa amplituda fluktuacji Dwie krzywe teoretyczne obliczone dla różnych gęstości materii Wszechświata. Krystyna Wosińska, WF PW

25 Typowe rozmiary fluktuacji odpowiadają horyzontowi akustycznemu czyli rozmiarowi, jaki może przebiec dźwięk w ciągu ok lat. Rozmiar takiego horyzontu można teoretycznie oszacować i policzyć, jakie powinny być rozmiary kątowe horyzontu, rzutowane dzisiaj na sferę niebieską. Wynik zależy od geometrii Wszechświata. Eksperyment WMAP płaski zamknięty otwarty Rozmiary fluktuacji… …powiększone …pomniejszone Animacja z kliknij Krystyna Wosińska, WF PW

26 Eksperyment WMAP Precyzyjny pomiar korelacji kątowych w promieniowaniu tła umożliwił jednoczesne dopasowanie wielu parametrów. Dominują fluktuacje o rozmiarach kątowych rzędu 0,8 0. Wszechświat jest płaski! Krystyna Wosińska, WF PW

27 Po inflacji gęstsze obszary ciemnej materii wciągają siłami grawitacji bariony i fotony. W epoce rekombinacji efekty grawitacji i fali akustycznej sumują się. Pierwsze maksimum: Ciemna materia moduluje sygnały akustyczne w promieniowaniu tła. Świat Nauki Krystyna Wosińska, WF PW

28 Drugie maksimum: Skupiska ciemnej materii odpowiadające fali drugiego maksimum na długo przed rekombinacją maksymalizują temp. promieniowania w dolinach. Jest to punkt zwrotny – ciśnienie gazu zaczyna wypychać bariony i fotony z dolin. Efekt – drugie maksimum jest niższe. Świat Nauki Krystyna Wosińska, WF PW

29 Efekt ten wyjaśnia dlaczego pierwsze maksimum jest wyższe niż drugie. Porównując amplitudy maksimów można wyznaczyć gęstość materii barionowej i ciemnej materii. Krystyna Wosińska, WF PW

30 Szybki spadek fluktuacji poza trzecim maksimum można wytłumaczyć tłumieniem fal dżwiękowych. W ośrodku nie mogą rozchodzić się fale o długości mniejszej niż średnia droga swobodna cząsteczek. W pierwotnej plazmie wynosiła ona około 10 tys. lat świetlnych. Tłumienie zaczynało się w skalach 10 razy większych – dziś odpowiadają im odległości rzędu 100 mln lat świetlnych.

31 Fluktuacje mniejsze od przewidywanych. Fluktuacja statystyczna spowodowana mała liczbą rozłącznych obszarów o dużych rozmiarach? Niedoskonałość teorii inflacji, topologii Wszechświata itp.?

32 Eksperyment WMAP Stwierdzono polaryzację promieniowania mikrofalowego w dużych skalach kątowych na niebie. Polaryzacja spowodowana rozpraszaniem na cząstkach naładowanych. Kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu około 17% fotonów promieniowania reliktowego było rozpraszanych przez zjonizowany gaz. Powstał on w wyniku powtórnej jonizacji kosmicznego wodoru i helu przez promieniowanie pochodzące z pierwszego pokolenia bardzo masywnych i gorących gwiazd. Pierwsze gwiazdy w epoce mln lat po Wielkim Wybuchu. Wniosek: Krystyna Wosińska, WF PW

33 Eksperyment WMAP Wyniki: Atomy (bariony) wypełniają tylko 4% Wszechświata. 23% stanowi ciemna materia 73% to ciemna energia, którą opisujemy przez stałą kosmologiczną. Wiek Wszechświata –13,7 mld lat (z dokł. 1%) Promieniowanie reliktowe pochodzi z okresu lat po Big Bang Ciemna energia powoduje przyspieszenie ekspansji Wszechświata! Polaryzacja promieniowania – dodatkowy dowód teorii inflacji. Pierwsze gwiazdy powstawały 200 mln lat po Big Bang Krystyna Wosińska, WF PW

34 Eksperyment Planck …dostarczy jeszcze dokładniejszych danych o promieniowaniu reliktowym: Mapa promieniowania z rozdzielczością minut kątowych z rozdzielczością (ΔT/T) rzędu – pozwoli to wyznaczyć fundamentalne parametry (krzywizna Wszechświata, stała Hubblea, gęstość barionowa) z dokładnością kilku procent. Polaryzacja promieniowania – test teorii inflacji. Wystrzelono Animacja z kliknij Krystyna Wosińska, WF PW Publikacja: Journal: Astronomy &Astrophysics Planck Early Results I: The Planck Mission

35 Historia Wszechświata Świat Nauki fotonproton jądro helu foton mikrofalowego promieniowania tła atom wodoru pierwsze gwiazdy Krystyna Wosińska, WF PW


Pobierz ppt "Ewolucja Wszechświata Wykład 6 Mikrofalowe promieniowanie tła Krystyna Wosińska, WF PW."

Podobne prezentacje


Reklamy Google