Elementy Kosmologii.

Prezentacja na temat: "Elementy Kosmologii."— Zapis prezentacji:

1 Elementy Kosmologii

2 1. Wstęp

3 Czym jest kosmologia Kosmologia jest nowoczesną nauką ścisłą, której przedmiotem badań jest Wszechświat rozumiany jako całość. Stanowi zatem uzupełnienie badań kosmicznych (sondy) i astronomicznych. Przedmiot badań kosmologicznych jest unikatowym tworem, który cechuje się pewnymi właściwościami jakich nie mają inne znane człowiekowi obiekty. Można powiedzieć, że początek współczesnej kosmologii nastąpił w momencie odkrycia prawa ekspansji Wszechświata. To prawo dotyczy Wszechświata jako całości, lecz nie dotyczy jego elementów składowych. Jest zatem specyficznym prawem kosmologicznym. Cechą szczególną kosmologii jest brak możliwości stosowania metod porównawczych, znamy przecież „z definicji” tylko jeden Wszechświat. Dlatego kosmolodzy w dużej mierze bazują na porównywaniu rozlicznych teoretycznych modeli matematycznych z dość nielicznymi faktami obserwacyjnymi.

4 KOSMOLOGIA bada Wszechświat jako całość
ASTRONOMIA bada tę część Wszechświata, która jest dostępna obserwacjom ~13 mld lat świetlnych BADANIA KOSMICZNE praktycznie ograniczone do Układu Słonecznego ~ 8 godzin świetlnych

5 Nauki zajmujące się Kosmosem
Astronomia Kosmologia Badania kosmiczne Astrofizyka Astrochemia Astrobiologia Planetologia ....

6 Terminologia i pojęcia
Współczesna kosmologia jest mocno związana z obserwacjami astronomicznymi. Przyjęto stosować w niej wiele specyficznych jednostek, pojęć i nazw które warto poznać aby zrozumieć język jakim się kosmologia posługuje.

7 Jednostki używane w Astronomii
Jednostki odległości: Jednostka astronomiczna 1 AU = mln km jej długość odpowiada średniej odległości Ziemi od Słońca

8 Jednostki używane w Astronomii
Rok świetlny to odległość jaką światło pokonuje w ciągu roku Rok świetlny [l.y.] = c · t = · 1015 m c – prędkość światła w próżni c = m/s t – długość roku podana w sekundach t1900 = [sekund] (w przybliżeniu wynosi: ·24·60·60 s) Stosuje się też jednostki pokrewne: świetlne minuty, świetlne sekundy

9 Jednostki używane w Astronomii
Paralaksa trygonometryczna: dzięki ruchowi orbitalnemu Ziemi można mierzyć zmiany położenia pobliskich gwiazd. Paralaksa

10 Jednostki używane w Astronomii
1 parsek = · 1016 m Parsek ~ PARalaksa SEKundowa Jest to odległość z jakiej promień orbity ziemskiej widać pod kątem jednej sekundy łuku PARSEK Kąt 1”

11 Paralaksy trygonometryczne gwiazd
Pierwszą paralaksę zmierzył F.W. Bessel (1838) dla gwiazdy 61 Cyg . Wynosi ona = 0.26” Największa paralaksa do najbliższej gwiazdy (Proxima Centauri) wynosi  = ” Jej odległość D od Słońca wyrażona w parsekach wynosi: D = 1/ = pc Najdokładniejsze pomiary paralaks wykonał satelita Hipparcos (brak niekorzystnych efektów atmosferycznych np.: seeingu). Metoda może być stosowana, niestety, tylko dla pobliskich gwiazd w naszej Galaktyce

12 Skala jasności gwiazd Wielkości gwiazdowe opisują obserwowane
Ptolemeusz, dla opisania jasności gwiazd wprowadził pojęcie „wielkość gwiazdowa”, (magnitudo), które nie ma nic wspólnego z rzeczywistymi rozmiarami gwiazd. Podzielił on gwiazdy widoczne gołym okiem na sześć klas od pierwszej do szóstej wielkości gwiazdowej. Wielkości gwiazdowe opisują obserwowane i absolutne jasności gwiazd

13 Skala jasności gwiazd Współcześnie nadal stosuje się tę skalę, rozszerzając jej zakres na wszystkie obiekty dostępne obserwacjom teleskopowym. Przykłady: Słońce –26 mag Syriusz -1 Księżyc Wega  0 Wenus -4 Zasięg oka do ~ 6 Inne planety -1 Teleskopy do ~ 30

14 Skala jasności gwiazd m = - 2.5 log I - 13.98
Związek wielkości gwiazdowej z jednostkami fizycznymi układu SI. m = log I gdzie I jest to ilość energii padającej na 1 m2 w ciągu sekundy Własności logarytmu: Log a b = c gdy a c = b log a = log10a ln a = log e a gdzie e = log(a/b) = log a - log b log (ab) = log a + log b log a x = x log a

15 Skala jasności gwiazd Wielkości gwiazdowe niestety nie odzwierciedlają prawdziwych jasności gwiazd. Gwiazdy o takiej samej mocy promieniowania (I1=I2) mogą różnić się obserwowaną wielkością gwiazdową jeśli znajdują się w różnych odległościach. Na przykład strumień energii od obiektu będącego 2 razy dalej będzie 22 razy słabszy a jego obserwowana wielkość gwiazdowa będzie się różnić o 2.5 log(4•I2/I1)  1.5 magnitudo. Logarytmiczny charakter wielkości gwiazdowych odpowiada percepcji ludzkich zmysłów (natężenie dźwięków też opisuje się w logarytmicznej skali decybeli

16 Spadek natężenia światła z kwadratem odległości
Taki sam strumień energii przechodzi przez sferę o promieniu R1 jak i przez sferę o promieniu R2=2R1. Powierzchnia drugiej sfery jest 4 razy większa: S1=4R12 S2= 4R22=4(2R1)2 = 44R12 = 4S1 Zatem: Natężenie oświetlenia (strumień energii na każdy m2) maleje z kwadratem odległości R R1 R2=2R1

17 Jasność obserwowana i absolutna
Aby bezpośrednio porównać moce promieniowania różnych gwiazd wprowadzono tak zwane absolutne wielkości gwiazdowe (M). Jest to wielkość gwiazdowa, jaką byśmy zaobserwowali, gdyby dana gwiazda znalazła się w odległości 10 pc od Ziemi.

18 Jasność obserwowana i absolutna
Związek obserwowanych i absolutnych wielkości gwiazdowych (m i M) z odległością obiektu od Ziemi M = m log D gdzie D to rzeczywista odległość gwiazdy wyrażona w parsekach

19 Kosmiczna drabina odległości
Niestety, nie istnieje jedna metoda wyznaczania odległości do obiektów kosmicznych, którą można by stosować od pobliskich gwiazd do najdalszych galaktyk. Astronomowie posługują się wieloma metodami, które są skuteczne w pewnym zakresie odległości. Wiele z nich polega na oszacowaniu jasności absolutnej M pewnej klasy obiektów, tak zwanych świec standardowych. Metody te są wzajemnie kalibrowane. Najczęściej stosowane metody to: -paralaksa trygonometryczna -paralaksa spektroskopowa -cefeidy -supernowe typu Ia

20 Paralaksa spektroskopowa
Obserwacje spektroskopowe pozwalają na zaklasyfikowanie danej gwiazdy do określonego typu widmowego zależnego od temperatury gwiazdy i oznaczonego literami O,B,A,F,G,K,M

21 Na diagramie Hertzsprnga-Russela (zależność typu widmowego od jasności absolutnej) gwiazdy gromadzą się w charakterystyczne pasy zwane klasami jasności (np. ciąg główny, ramię olbrzymów itp.) .Na podstawie jasności obserwowanej m, typu widmowego i klasy jasności szacujemy jasność absolutną M Odległość D obliczamy ze wzoru: M = m + 5 – 5 log D [D] = pc

22 Metoda cefeid W 1908 Henrietta Leavitt (1868-1921) odkryła
zależność jasności absolutnej M od P okresu zmian jasności gwiazd zmiennych typu Cefeid Mierząc jasność obserwowaną cefeid (m) oraz okres ich zmienności (P) można obliczyć jasność absolutną gwiazd (M) a w konsekwencji ich odległość (D) Metodę wykorzystano do pomiaru odległości gromad kulistych i najbliższych galaktyk Grupy Lokalnej Okres P

23 Metoda supernowych Supernowe typu Ia to wybuchy gwiazd wywołane przekroczeniem masy krytycznej przez jedną z pary gwiazd na skutek akrecji masy z drugiej gwiazdy. Niezależnie od tempa akrecji czy pierwotnych rozmiarów gwiazd, wybucha zawsze obiekt o masie równej masie krytycznej. Nic dziwnego, że taki wybuch jest doskonałą świecą standardową widoczną na wielkie odległości. Typ wybuchu rozpoznaje się po cechach widma i przebiegu zmian jasności. Stosowalność metody ogranicza się, niestety, jedynie do galaktyk w których zauważono wybuch takiej supernowej. Rysunek:

24 Różne metody pomiaru odległości

25 2. Kosmologia z przed wieków

26 Prehistoria kosmologii
Człowiek od zawsze dążył do ogarnięcia całego świata w jeden logiczny system, który z czasem objął również niebo i stawał się coraz bardziej skomplikowany. Naturalnym centrum takiego „Wszechświata była Ziemia, a reszta stanowiła jedynie dekoracyjny i funkcjonalny dodatek. Dzięki obserwacjom kolistego cienia Ziemi w czasie zaćmień Księżyca szybko przekonano się, że Ziemia jest kulą, którą otacza przestrzeń. W niej znalazły swoje miejsce Słońce, planety i gwiazdy.

27 Zarys cienia Ziemi na Księżycu
W czasie zaćmienia Księżyca cień Ziemi pada na Księżyc Cień Ziemi ma większą średnicę niż Księżyc lecz brzeg cienia jest zaokrąglony

28 Dowody kulistości globu ziemskiego
Wyłanianie się masztów statków zza horyzontu Zmiana wysokości Bieguna Niebieskiego przy zmianie szerokości geograficznej obserwatora Okrągły kształt cienia Ziemi widoczny podczas zaćmienia Księżyca Doświadczenie Eratostenesa (obserwacja wysokości górowania Słońca na różnych szerokościach geograficznych)

29 Efekty ruchu wirowego Ziemi
Zjawisko dnia i nocy Spłaszczenie Ziemi przez siłę odśrodkową bezwładności Zależność ciężaru od szerokości geograficznej Siła Coriolisa Zmiana płaszczyzny wahań wahadła Foucaulta

30 Model Ptolemeusza Naturalnym rozwinięciem pierwszych idei był model Wszechświata zaproponowany przez Ptolemeusza. Już w tym modelu można zauważyć, że rozmiary Ziemi są znacznie mniejsze niż odległości do planet czy gwiazd. Wszechświat ograniczony był przez sferę gwiazd stałych, nic nie wskazywało na jakieś zmiany ewolucyjne jego budowy.

31 Model Ptolemeusza Planety i Słońce obiegają Ziemię
Planety poruszają się po okręgach Prędkość obrotu jest stała Dla dokładności wprowadzono różne komplikacje jak np.: epicykle (koła wyższego rzędu)

32 Rewolucja Kopernika Zmiana modelu geocentrycznego na heliocentryczny zaproponowana przez Mikołaja Kopernika w jego słynnym dziele „O obrotach” zaowocowała nie tylko ulepszonymi tablicami położeń planet ale przede wszystkim zmianami w filozofii nauki. Nastał czas badania, obserwacji i doświadczeń. Spekulacje i domniemania ustąpiły faktom. Nastąpiło metodologiczne oddzielenie religii i nauki, zjawiska przyrodnicze miały objaśniać prawa naukowe a przedmiot religii stanął poza światem fizycznych eksperymentów. Ziemia przestała być centrum Wszechświata.

33 Model Kopernika Dzieło : „O obrotach sfer niebieskich”*
Ziemia nie jest centrum Wszechświata! Zachowano kołowe orbity i część epicykli _______________ * dodanie słów „sfer niebieskich” przez wydawców dzieła zaprzeczyło jego treści. Z treści traktatu wynika przecież, że nie ma kryształowych sfer niebieskich mających otaczać Ziemię.

34 Model Kopernika Konsekwencje modelu heliocentrycznego:
ruch paralaktyczny gwiazd zjawisko aberracji światła fazy Wenus i Merkurego - Fazy Wenus zaobserwował Galileusz około 1610 roku przez świeżo wynalezioną lunetę!

35 Kosmologia a filozofia
Niestety teorie naukowe nie są wystarczającym narzędziem dla opisu Wszechświata. Ich uzupełnieniem jest kilka założeń oraz zasad o charakterze filozoficznym i logicznym. To czy daną regułę uznajemy za wiążącą zależy od logiki, światopoglądu czy historycznego doświadczenia.

36 Założenia i zasady kosmologiczne
Prawa fizyki znane z laboratoriów są uniwersalne i obowiązują w całym Wszechświecie Wszechświat jest izotropowy (nie ma wyróżnionych kierunków. Wszechświat (w pewnej skali) jest jednorodny. Nie ma punków wyróżnionych we Wszechświecie (słaba zasada Kopernikańska) – wierzymy, że obowiązuje Nie ma wyróżnionych punktów w czasoprzestrzeni (silna zasada Kopernikańska) – nie obowiązuje dla teorii Wielkiego Wybuchu bo początek Wszechświata jest wyróżniony. Istnieje wiele innych zasad kosmologicznych (zobacz: K.Rudnicki – „Zasady kosmologiczne”, 2002)

37 Paradoks Olbersa Wieczny, nieskończony Wszechświat wypełniony gwiazdami. Oto model jaki wyłonił się wraz z umiejętnością pomiaru odległości do gwiazd przy pomocy paralaksy trygonometrycznej i spektroskopowej. W takim Wszechświecie kierując wzrok w jakikolwiek punkt nieba powinniśmy napotkać jakąś gwiazdę. Niebo nieskończonego, i wiecznego Wszechświata wypełnionego gwiazdami powinno być tak jasne jak powierzchnia fotosfer gwiazd. Dlaczego zatem w nocy jest ciemno?

38 Paradoks Olbersa Nawet jeśli przyjąć, że we Wszechświecie występują mgławice gazowe, to po nieskończonym czasie powinny one osiągnąć równowagę termiczną i emitować tyle samo promieniowania co pochłaniają. Jedynym rozwiązaniem było przyjęcie, że Wszechświat miał swój początek, i że do Ziemi dociera na razie światło leżących nie dalej niż cT (c- prędkość światła, T- wiek Wszechświata). Taki obserwacyjny horyzont oczywiście ciągle się rozszerza. Rysunek:

39 Paradoks grawitacyjny
Znane są cztery rodzaje oddziaływań fizycznych: grawitacyjne, elektromagnetyczne, oraz krótkozasięgowe silne i słabe oddziaływania jądrowe. Obserwacje wykazują, że Wszechświat jest elektrostatycznie obojętny. Zatem jedynie grawitacja może oddziaływać pomiędzy odległymi galaktykami. Jeśli Wszechświat byłby nieskończony i wypełniony gwiazdami to sumaryczne natężenie pól wszystkich gwiazd powinno w każdym miejscu osiągnąć nieskończoną wartość. W takiej sytuacji nie istniały by gradienty potencjału pola grawitacyjnego. Dlaczego zatem Ziemia krąży wokół Słońca? Paradoks grawitacyjny ma podobne rozwiązania jak paradoks fotometryczny Olbersa.

40 3. Obserwacje kosmologiczne

41 Ekspansja Wszechświata
Odkrycie ekspansji Wszechświata (a dokładnie ucieczki galaktyk) było możliwe dzięki pomiarom odległości galaktyk przeprowadzonych przez Edwina Hubble’a przy pomocy metody Cefeid oraz dzięki pomiarom prędkości radialnych galaktyk wykorzystującym efekt Dopplera. Linie widmowe większości galaktyk przesunięte są względem linii źródeł nieruchomych w stronę fal dłuższych czyli ku czerwieni (ang. redshift)

42 Pomiary prędkości radialnych
efekt Doppler’a (Johann Christian Andreas Doppler ) v=zc z=(  ) z - „redshift” poczerwienienie    - zmiana obserwowanej długości fali w stosunku do długości fali emitowanej przez źródło nieruchome

43 Ekspansja Wszechświata

44 Dla wielkich odległości z może być większe od 1,
wtedy stosuje się wzory przybliżone: V=c ln (1+z) do z=5

45 Ekspansja Wszechświata
Prawo Hubble’ a (Edwin Hubble ) Inne galaktyki oddalają się od Drogi Mlecznej proporcjonalnie do ich odległości. V = H D (H= 72 km/s / MPc)

46 Ekspansja Wszechświata
W małych skalach dominują ruchy własne galaktyk, obiegających środek masy naszej lokalnej gromady. W większych odległościach prawo Hubble’a widać znacznie wyraźniej. Stała Hubble’a (H= 72 km/s / MPc) jest miarą tempa ekspansji Wszechświata

47 Ekspansja Wszechświata
Prawo ekspansji nie oznacza, że żyjemy w wyróżnionym punkcie przestrzeni. Podobnie wygląda Wszechświat widziany z dowolnej galaktyki, gdyż wszystkie oddalają się od siebie nawzajem. Podobnie zachowują się kropki narysowane na powierzchni nadmuchiwanego balonu. W czasie nadmuchiwania rosną odległości pomiędzy wszystkimi kropkami. Skoro galaktyki się oddalają a my je widzimy to albo Wszechświat powstał niedawno (teoria Wielkiego Wybuchu) albo też istnieje wiecznie, ale ciągle tworzy się w nim materia (hipoteza stanu stacjonarnego)

48 Mikrofalowe promieniowanie tła
W 1965 roku Arno Penzias i William Wilson z Bell Laboratory uruchomili swój radioteleskop, który miał służyć do obserwacji radioźródeł w Drodze Mlecznej. Zauważyli, że ze wszystkich kierunków rejestrują mikrofalowy szum. Okazało się, że ten mikrofalowy szum odpowiada promieniowaniu termicznemu ciała doskonale czarnego o temperaturze 2.73 K. Istnienie tego promieniowania potwierdza teorię Wielkiego Wybuchu, Stanowi ono relikt gorącego promieniowania wypełniającego niegdyś Wszechświat. W rozkładzie promieniowania na niebie powinno być widać pierwotne fluktuacje wokół których gromadziła się materia tworząca pierwsze galaktyki.

49 Mikrofalowe promieniowanie tła
W ekspandującym Wszechświecie rośnie długość fal fotonów które się w nim poruszają. Około 100 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu nastąpił “rozdział” promieniowania od materii. Temperatura spadła do K co doprowadziło do powstania neutralnych atomów wodoru. Materia stała się przezroczysta dla promieniowania. Promieniowanie miało na początku temperaturę 3000 K i “stygło” na skutek wydłużania się długości fali spowodowanej ekspansją Wszechświata. Obecna temperatura tego promieniowania reliktowego powinna wynosić 2.7 K Rozkład intensywności odpowiada ściśle prawu Plancka.

50 Mikrofalowe promieniowanie tła
Mapa promieniowania uzyskana dzięki satelicie WMAP. Poniższe zdjęcie odpowiada światłu wysłanemu 380 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu.

51 Pierwotna nukleosynteza
Wszechświat był kiedyś na tyle gorący, że zachodziły w nim reakcje termojądrowe jak we wnętrzach gwiazd. Dlatego jest teraz 75% wodoru i 25% helu. Śladowe ilości litu, berylu i boru. Wszystko trwało za krótko, żeby powstawał węgiel. Skład chemiczny wskazuje na całkowitą masę materii we Wszechświecie. Większa ilość materii spowodowałaby wolniejsze ostyganie czyli umożliwiła syntezę ciężkich pierwiastków. Badając sumaryczną masę wszystkich świecących gwiazd (oszacowaną na podstawie ilości galaktyk i ilości gwiazd w galaktykach) możemy obliczyć, że to tylko połowa materii, która powstała po Wielkim Wybuchu.

52 Wiek gromad kulistych Gromady kuliste gwiazd są jednymi z najstarszych obiektów we Wszechświecie. badając położenie gwiazd (a w szczególności wygasłych białych karłów na diagramie H-R można oszacować ich wiek na 12.7 miliarda lat. Wynik ten nie zależy od żadnych teorii kosmologicznych. Wiek Wszechświata musi być oczywiście większy od tej wartości.

53

54 Rozkład galaktyk - obserwacje
Galaktyki tworzą grupy (grupa lokalna),a te z kolei tworzą większe struktury jak gromady galaktyk (gromada Virgo, Coma itp.), ściany (wielki mur) i włókna (Wielki Atraktor). Całość przypomina strukturę piany .....

55

56 Obserwowany rozkład galaktyk
Obserwowany rozkład galaktyk powinien być możliwy do wyjaśnienia na podstawie przyjętych teorii kosmologicznych. Wiadomo, że struktury te podlegają ewolucji i że prowadząc obserwacje odleglejszych obiektów obserwujemy wcześniejsze fazy rozwoju Wszechświata. Obecnie ważnym środkiem w badaniu tych procesów są symulacje komputerowe. Rysunek przestawia zmianę jakościową istniejących struktur jaka następuje w miarę zbliżania się do współczesności (dół rysunku).

57 Rozkład galaktyk - symulacje

58 4 Ewolucja Wszechświata

59 Ewolucja Wszechświata
Obecnie tempo ekspansji Wszechświata mierzy stała Hubble’a H. jest ona stała dla całego Wszechświata, ale jej wartość zmieni się z czasem gdyż oddziaływanie grawitacyjne między galaktykami hamuje ich ucieczkę. Tempo ekspansji oraz ewentualne jego spowalnianie zależą od ilości materii wypełniającej Wszechświat oraz od średnich odległości pomiędzy galaktykami. Możemy powiedzieć, że zależy od gęstości materii we Wszechświecie. Znając tempo ekspansji można obliczyć tzw. gęstość krytyczną czyli gęstość wystarczającą do zatrzymania ucieczki galaktyk przez ich grawitację.

60 Ogólna Teoria Względności
Wszechświat jest wypełniony materią, która jest źródłem pola grawitacyjnego. Nie znamy żadnych innych długozasięgowych oddziaływań, które mogłyby mieć znaczenie dla ewolucji Wszechświata. Zgodnie z teorią Einsteina grawitacja może być opisywana jako odkształcenie czasoprzestrzeni w pobliżu masy. Zakrzywienie czasoprzestrzeni wiąże się z egzotycznymi własnościami geometrycznymi (geometrie nieeuklidesowe).

61 Ogólna Teoria Względności
Właściwości geometryczne przestrzeni Rozkład materii-energii we Wszechświecie Stała kosmologiczna Forma wzoru Einsteina opisującego czasoprzestrzeń wypełnioną materią wskazuje, że własności geometryczne czasoprzestrzeni (w tym jej krzywizna) zdeterminowane są przez rozkład masy-energii (z E=mc2 wynika równoprawność tych form). Stałą kosmologiczną należy w nim rozumieć jak wyraz naturalnej tendencji Wszechświata do ekspansji. Przed odkryciem prawa Hubble’a była to jedyna szansa na utrzymanie statycznego, wiecznego Wszechświata. Bez członu kosmologicznego statyczny Wszechświat zaczyna się zapadać pod wpływem grawitacji. Po odkryciu ekspansji Wszechświata wydawało się że stała kosmologiczna jest niepotrzebna (wynosi zero).

62 Przyszłość Wszechświata
Przyszłość losów Wszechświata zleży od ilości materii w nim zawartej tj. od jego geometrii. Poszczególne krzywe reprezentują różne rozwiązania równania Einsteina

63 Przyszłość Wszechświata
Aby zbadać losy Wszechświata wystarczy sprawdzić jakie zasady geometrii w nim obowiązują

64 W płaskim Wszechświecie dwa równoległe promienie świetlne zawsze będą równoległe. Ekspansja ustanie po nieskończonym czasie. Wszechświat zamknięty posiada dodatnią krzywiznę przestrzeni (typu sfera) promienie świetlne powracają w miejsce wyjścia. Wszechświat otwarty ma ujemną krzywiznę, typ powierzchni siodłowej.

65 Badając odległe galaktyki możemy wyznaczać nie tylko obecne tempo ekspansji galaktyk w naszej okolicy ale również tempo ekspansji w dawno minionych epokach. Ku zaskoczeniu kosmologów okazuje się, że z wielu modeli (rozwiązań równania Einsteina) realizowany jest nierealny model Wszechświata bez materii lub płaski model Wszechświata ze stałą kosmologiczną różną od zera (na rysunku „Flat dark enegry”)

66

67 Problem ciemnej materii
Wszechświat ekspanduje tak, jakby był wypełniony materią o gęstości krytycznej. Oszacowania masy materii świecącej pozwalają stwierdzić, że stanowi ona jedynie 2% tej wartości. Na podstawie przebiegu nukleosyntezy po Wielkim Wybuchu wiadomo, że normalnej materii (atomów) jest dwukrotnie więcej. Tworzą one mgławice gazowe i pyłowe, planety, czarne dziury i inne nieświecące obiekty kosmiczne. Materia ta stanowi zatem zaledwie 4 % całości.

68 Pomiar rotacji galaktyk
Masę galaktyk można oszacować na podstawie pomiaru prędkości rotacji galaktyk. Centralne rejony o wielkiej gęstości gwiazd powinny rotować jak ciało sztywne (rysunek górny) a zewnętrzne zgodnie z prawami Keplera, czyli, że prędkość rotacji powinna maleć wraz oddalaniem się od centrum galaktyki. Pomiary prowadzi się przy zastosowaniu technik spektroskopowych i efektu Dopplera.

69 Pomiar rotacji galaktyk
Obserwowana krzywa wykazuje, że prędkość gwiazd w galaktykach poza centralną częścią praktycznie się nie zmienia. Oznacza to, że oprócz materii świecącej jest jeszcze materia ciemna, oddziałująca grawitacyjnie na ruchy gwiazd. Materii tej jest wielokrotnie więcej niż materii zwykłej. Obserwowana zależność Prawa dynamiki Newtona

70 Gromady galaktyk Również pomiary prędkości całych galaktyk, krążących wokół środka masy gromady wykazują, że musi istnieć tam ciemna materia, odpowiedzialna za ruchu poszczególnych składników gromady.

71 Ugięcie światła Teoria Einsteina przewiduje zagięcie czasoprzestrzeni w pobliżu wielkich mas. Promień świetlny biegnący w takiej zakrzywionej przestrzeni będzie odchylany od swojego pierwotnego kierunku. W roku 1914 Einstein przewidział uginanie się światła gwiazd jakie można obserwować w pobliżu tarczy słonecznej w chwili zaćmienia

72 Ugięcie światła 22 listopada 1919 roku Eddington pomierzył odległości gwiazd zaznaczonych na zdjęciu. Wykazał, że światło faktycznie może być uginane przez silne pole grawitacyjne. Zjawisko to prowadzi również do powstawania wielokrotnych obrazów obiektów znajdujących się za źródłami pola grawitacyjnego. Zjawisko to nosi nazwę soczewkowania grawitacyjnego i można je zaobserwować na zdjęciach gromad galaktyk w postaci nieregularnych łuków światła

73 Gromady galaktyk

74 Zobaczyć ciemną materię
Dzięki komputerowej analizie obrazów soczewek grawitacyjnych, można odtworzyć rozmieszczenie mas potrzebnych do wywołania obserwowanego zniekształcenia obrazu. Okazuje się, że ciemnej materii jest niemal 5 razy więcej niż materii zwykłej. Ale i tak stanowi to dopiero 25% wszystkiego co odpowiada za obecne tempo ekspansji Wszechświata. Istnieją różne teorie próbujące wyjaśnić czym jest ciemna materia (czwarty rodzaj masywnych neutrin, egzotyczne cząstki elementarne itp.) Pozostałe 75% substancji nie oddziałuje grawitacyjnie z otoczeniem, a więc nie jest obdarzone masą. Substancję tę nazwano ciemną energią. Hipoteza o istnieniu ciemnej energii jest niezbędna do wyjaśnienia obserwowanego tempa ekspansji Wszechświata.

75 Gromady galaktyk

76 Odtworzenie rozkładu masy

77 Z czego zbudowany jest Wszechświat?

78 Podsumowanie obserwacji:
Wszechświat ma 13.7 miliarda lat (błąd 1%) Pierwsze gwiazdy powstały już 200 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Wszechświat składa się w 4% z „normalnej materii” ( wodór i hel powstałe po Wielkim Wybuchu), 23% chłodnej ciemnej materii niewiadomego pochodzenia i 73% ciemnej energii. Ciemna energia jest związana ze stała kosmologiczną. Neutrina nie mają wpływu na ewolucję Wszechświata Stała Hubble'a wynosi 72 +\ 4 km/s/Mpc Wszechświat jest najprawdopodobniej płaski

79 Kosmiczne epoki w życiu Wszechświata
Kiedyś, gorący Wszechświat zdominowany był przez promieniowanie. Po jego ostygnięciu powstała materia, która hamowała ekspansję Wszechświata. Gdy gęstość materii spadła, grawitacja okazała się być słabsza od tajemniczej ciemnej energii, ponownie przyspieszającej ekspansję Wszechświata

80 Powstanie i ewolucja Wszechświata

81 5. Narodziny Wszechświata

82 Cofając się wstecz historii Wszechświata gęstość materii ciągle wzrasta, rośnie energia kwantów promieniowania reliktowego, rośnie średnia gęstość energii i temperatura Wszechświata. Wzrasta częstość zderzeń par fotonów, które zdolne są do utworzenia coraz cięższych cząstek. Następuje stopniowa unifikacja oddziaływań fizycznych. Wreszcie docieramy do chwili, gdy warunki panujące we Wszechświecie tak znacznie odbiegają od naszych możliwości badań laboratoryjnych, że dalsze cofanie się nie ma sensu. Ekstrapolując podróż w czasie poza dopuszczalne przez naukę normy dotrzemy do hipotetycznej chwili zero, gdy Wszechświat był nieskończenie gęsty i nieskończenie mały, gdy powstał czas a pojęcie „przedtem” nie istnieje.

83

84 Kosmologia pozwala sięgnąć poza granice świata