Universets opståen og udvikling

Transkript

1 Universets opståen og udvikling 1 Universets opståen og udvikling Grundtræk af kosmologien

2 Universets opståen og udvikling 2 Albert Einstein Omkring 1915 fremsatte Albert Einstein sin generelle relativitetsteori. En matematisk beskrivelse af verdensrummets geometri i fire dimensioner Denne teori er stadig det faste udgangspunkt for alle, der forsker i kosmologi, dvs. læren om universet

3 Universets opståen og udvikling 3 Tyngdekræfter fastlægger rummets geometri Ifølge Einstein er rummets krumning fastlagt af tyngdekræfter Tegningerne viser todimensionale analogier Universet kan være lukket, fladt eller åbent Lukket univers Åbent univers

4 Universets opståen og udvikling 4 Universet er alt, hvad der er Ballonen illustrererer et todimensionalt lukket univers. Væsener, der er bundet til dens overflade, kan bevæge sig så langt, de vil, uden at møde grænser I princippet kan man finde ud af, om universet er åbent eller lukket ved at måle vinkelsummen i en stor trekant. Det er dog ikke lykkedes at gøre det Åbent Lukket

5 Universets opståen og udvikling 5 Universet er ufatteligt stort Rummet indeholder milliarder af galakser Flere af galakserne på billedet er mere end 10 mia. lysår borte Galaksen M81

6 Universets opståen og udvikling 6 Universet udvider sig Edwin Hubble opdagede i 1920-erne, at galakserne i rummet bevæger sig bort fra hinanden Uanset, hvor man befinder sig, ser det ud, som om andre galakser flygter Verdensrummet udvider sig Billedet viser en galaksehob

7 Universets opståen og udvikling 7 To kosmologiske teorier I de følgende år fremkom der med udgangspunkt i Einsteins relativitetsteori to modstridende teorier om rummets udvidelse: 1. Big Bang 2. Steady State

8 Universets opståen og udvikling 8 Steady State teorien Der opstår hele tiden stofpartikler af ingenting Selv om galakserne spredes til alle sider, er universet stationært Det ny stof, som opstår, holder tætheden konstant Universet ser ens ud overalt, og har altid gjort det

9 Universets opståen og udvikling 9 Big Bang teorien Både rum og tid opstod for ca. 15 mia. år siden ved en kæmpeeksplosion I begyndelsen var universet lille og meget varmt. Siden er det kølet af i takt med, at det har udvidet sig Tætheden af galakser bliver mindre i takt med udvidelsen

10 Universets opståen og udvikling 10 Big Bang vinder I mange år kæmpede tilhængere for hver deres teori. I dag betragtes kampen som afgjort Big Bang teorien understøttes nemlig af fire solide søjler

11 Universets opståen og udvikling 11 Den første søjle Big Bang passer med fysikken

12 Universets opståen og udvikling 12 Fysikerne kender fire kræfter 1. Den stærke kraft Virker over korte afstande Binder kvarker og atomkerner sammen 2. Den svage kraft Virker over korte afstande Ansvarlig for bl.a. betahenfald 3. Den elektromagnetiske Virker over længere afstande Binder elektroner til atomkerner 4. Tyngdekraften Virker over meget store afstande Holder sammen på hele universet

13 Universets opståen og udvikling 13 Kræfterne virker ved udveksling af partikler De elektromagnetiske kraft virker ved udveksling af fotoner Den stærke kraft formidles af såkaldte gluoner Den svage kraft formidles af partiklerne W +, W - og Z o Gravitationskraften formidles af såkaldte gravitoner. Man har endnu ikke været i stand til at observere gravitoner Udveksling af bolde giver frastødning

14 Universets opståen og udvikling 14 Fysikerne kender stoffets opbygning Stof består af krystaller og molekyler Krystaller og molekyler består af atomer Atomer består af kerner og elektroner Atomkerner består af protoner og neutroner Protoner og neutroner består af kvarker

15 Universets opståen og udvikling 15 Fysikerne kender stråling og stof Strålingskvanter kan omdannes til partikler, og partikler kan blive til stråling

16 Universets opståen og udvikling 16 Big Bang teorien Universet opstod for ca. 15 milliarder år siden ved en kæmpeeksplosion, der skabte rum og tid I begyndelsen var temperaturen meget høj, over grader

17 Universets opståen og udvikling 17 De fire kræfter Lige efter Big Bang var der kun én kraft i universet Efterhånden som universet kølede af, udskiltes de fire kendte kræfter Først gravitationen, og derefter den stærke kraft

18 Universets opståen og udvikling 18 Lette partikler opstår Universet afkøles hurtigt På et tidspunkt bliver temperaturen så lav, at partikler som elektroner, positroner og kvarker opstår af strålingen ved pardannelse?

19 Universets opståen og udvikling 19 Protoner og neutroner opstår Den stærke kraft udskilles De hidtil frie kvarker bindes af den stærke kraft sammen til neutroner og protoner?

20 Universets opståen og udvikling 20 Atomkerner opstår Neutroner og protoner danner kerner af helium, indtil der ikke er flere neutroner Foruden stråling og lette partikler indeholder rummet nu kerner af H og He?

21 Universets opståen og udvikling 21 Atomer opstår Efter ca år er universet kølet ned til 3000 K Den elektromagnetiske kraft binder elektroner og kerner sammen til atomer af H og He

22 Universets opståen og udvikling 22 Den anden søjle Urstoffets sammensætning og alder

23 Universets opståen og udvikling 23 Stjernemodeller Ved hjælp af computermodeller har man beregnet stjerners udvikling og alder De ældste stjerner i kugleformede hobe er ca. 13 mia. år gamle

24 Universets opståen og udvikling 24 Grundstoffer i stjerner Beregning og analyse af stjerners spektre viser, at gamle stjerner består af hydrogen og helium Yngre stjerner indeholder desuden små mængder af tungere grundstoffer På billedet monteres et fotometer på 2,5 meterteleskopet i La Palma på De Kanariske Øer Et fotometer monteres i bunden af teleskopet

25 Universets opståen og udvikling 25 Urstoffet Astronomerne nåede frem til, at stjerner og galakser er opstået af et urstof, der indeholdt 76 % hydrogen og 24 % helium De kunne imidlertid ikke forstå det! Hvorfor ikke rent hydrogen? 76 % 24 %

26 Universets opståen og udvikling 26 Big Bang teorien har forklaringen Knapt et sekund efter Big Bang bliver kvarkerne af den stærke kraft bundet sammen til neutroner og protoner Neutroner og protoner vekselvirker Efterhånden som temperaturen falder, forskydes ligevægten, så der bliver 88 % protroner og 12 % neutroner 88 % 12 %

27 Universets opståen og udvikling 27 Urstoffets sammensætning For hver 100 kernepartikler er der 88 protoner og 12 neutroner Heraf kan der dannes seks heliumkerner, da hver kerne kræver to neutroner og to protoner Der bliver 76 protoner eller hydrogenkerner tilbage Da protoner og neutroner har ca. samme masse, får vi derfor 24 % helium og 76 % hydrogen

28 Universets opståen og udvikling 28 Galakser opstår Ca. en mia. år efter Big Bang begynder urstoffet (hydrogen og helium) at samle sig i store klumper, som bliver til stjernehobe og galakser

29 Universets opståen og udvikling 29 Den tredie søjle Universets udvidelse

30 Universets opståen og udvikling 30 Galakserne fjerner sig fra hinanden Galakserne i universet bevæger sig bort fra hinanden, fordi universet udvider sig Udvidelsen er let at forklare som en følge af Big Bang

31 Universets opståen og udvikling 31 Ballonmodel Todimensional model for universets udvidelse Galakserne fjerner sig fra hinanden, fordi ballonens overflade bliver større og større I vores tredimensionale univers ser vi på samme måde galakserne flygte fra hinanden, fordi hele universet udvider sig

32 Universets opståen og udvikling 32 Rødforskydning Galaksernes hastigheder og afstande bestemmer vi ud fra deres spektralliniers rødforskydning Rødforskydningen z er den relative bølgelængdeændring z = /

33 Universets opståen og udvikling 33 Forskellige slags rødforskydning For nære galakser er rødforskydningen lille og kan fortolkes som dopplereffekt For fjerne galakser er rødforskydningen stor og skyldes rummets udvidelse. Fordi rummet udvider sig, bliver strålingens bølger længere

34 Universets opståen og udvikling 34 Hubbles lov Edwin Hubble fandt, at galaksernes hastigheder bort fra os er proportionale med deres afstande: v = H o r H o = 65 (km/sek)/mpc kaldes Hubblekonstanten v = 2 r

35 Universets opståen og udvikling 35 Den fjerde søjle Baggrundsstrålingen

36 Universets opståen og udvikling 36 Baggrundsstrålingen I 1948 forudsagde George Gamow, at hvis der havde været et Big Bang, skulle rummet være fuldt af stråling Omkring 1960 opdagede Penzias og Wilson (billedet) en forstyrrende støj i deres radioantenne, som kom fra alle retninger Det viste sig at være Planck-stråling svarende til temperaturen 2,7 K

37 Universets opståen og udvikling 37 COBE-satellitten Målingerne blev kontrolleret af COBE-satellitten, der blev opsendt til formålet i 1989 COBE bekræftede, at rummet i alle retninger gennemtrænges af Planck-stråling svarende til en temperatur på 2,726 K Bølgelængden er omkring 1 mm

38 Universets opståen og udvikling 38 Big Bang teoriens forklaring I det tidlige univers var der mange frie elektroner, som vekselvirkede med stråling Universet var derfor ikke gennemsigtigt Da universets temperatur nåede ned på ca K, blev elektronerne bundet til H- og He-kerner og dannede atomer Herefter kunne strålingen bevæge sig uhindret i et gennemsigtigt univers

39 Universets opståen og udvikling 39 Universet udvider sig fortsat Da hele universet udvider sig, vokser også strålings bølgelængde Den stråling, der fyldte universet, da det blev gennemsigtigt ved 4000 K, er der stadig, men i dag er den kølet ned til 2,726 K, fordi universet og dermed bølgelængden er blevet ca gange større 4000 K

40 Universets opståen og udvikling 40 Man havde et problem Strålingen var fuldstændig ens i alle retninger Hvordan skulle galakser kunne opstå, hvis der ingen ujævnheder var i det tidlige univers? Til sidst fandt COBE-satellitten små afvigelser i fjerde decimal Figuren viser en farvekodet oversigt over små afvigelser i bølgelængde Kimen til galakserne

41 Universets opståen og udvikling 41 Galakser og galaksehobe De meget små ujævnheder i det tidlige univers bevirker, at stoffet klumper sig sammen i stjerner, galakser og galaksehobe

42 Universets opståen og udvikling 42 Universets alder og fremtid Bliver universet ved med at udvide sig

43 Universets opståen og udvikling 43 Vi kan se tilbage i tiden Lyset fra de blå galakser på billedet har været 10 milliarder år undervejs Vi ser altså en del af universet, som det så ud for 10 milliarder år siden

44 Universets opståen og udvikling 44 Universets alder En galakse, der i tiden t H siden den opstod, har haft hastigheden v, har bevæget sig stykket r = v t H Iflg. Hubble er v = r H o, dvs.: t H = r/v = 1/H o =15 mia. år t H kaldes hubbletiden Den passer meget godt med den beregnede alder på ca. 13 mia. år for de ældste kugleformede hobe

45 Universets opståen og udvikling 45 Universets størrelse Vi kan ikke se galakser, der fjerner sig med større hastighed end lysets: c = km/s Der er derfor en øvre grænse for størrelsen af det synlige univers: r max = c 15 mia. år = 1, m = 4,6 Gpc

46 Universets opståen og udvikling 46 Bliver universet ved med at udvide sig? Tyngdekræfter mellem galakserne bremser universets udvidelse Universet kan være åbent og udvide sig i det uendelige Eller er universet kan være lukket og falde sammen igen i et Big Crunch

47 Universets opståen og udvikling 47 Big Crunch eller udvidelse i det uendelige Hvis der kun findes det stof, vi kan se i form af stjerner og galakser, er universet åbent Hvis der desuden er meget mørkt, dvs. usynligt stof, er universet lukket Mørkt stof kan være neutrinoer, gas og støv eller sorte huller

48 Universets opståen og udvikling 48 Slut på historien om kosmos, som naturvidenskaben fortæller den netop nu