Hvordan blev Universet og solsystemet skabt? STEEN HANNESTAD INSTITUT FOR FYSIK OG ASTRONOMI

Transkript

1 Hvordan blev Universet og solsystemet skabt? STEEN HANNESTAD INSTITUT FOR FYSIK OG ASTRONOMI

2 HVAD BESTÅR JORDEN AF? HVILKE BYGGESTEN SKAL DER TIL FOR AT LIV KAN OPSTÅ?

3 FOREKOMSTEN AF FORSKELLIGE GRUNDSTOFFER I LEVENDE ORGANISMER OG I UNIVERSET SOM HELHED ORGANISMER UNIVERSET Brint Kulstof Kvælstof Ilt Natrium Magnesium Fosfor Svovl Jern 0,25-0,8 100 Zink 0,1-0,4 0,12

4 FOREKOMSTEN AF GRUNDSTOFFER I SOLSYSTEMET

5 HVORDAN ER GRUNDSTOFFERNE DANNET? STJERNER SOM SOLEN HAR EKSTREMT HØJ TEMPERATUR OG DER FOREGÅR FUSIONSREAKTIONER Solens centrale temperatur er T c = 15 mio grader

6 LETTE GRUNDSTOFFER KAN FUSIONERE, TUNGE KAN FISSIONERE ENERGI BUNDET I KERNEN FUSION FISSION

7 STJERNER SOM SOLEN DEN SENERE UDVIKLING

8 NÅR BRINTEN ER OPBRUGT I STJERNENS CENTRUM ALMINDELIG STJERNE HELIUM FORBRÆNDING Brint forbrænding Helium forbrænding Brint forbrænding

9 Processer i en stjerne med 15 gange solens masse Fase Proces Varighed [år] Brint Helium Kulstof Neon Ilt H He He C, O C Ne,, Mg Ne O, Mg 7.0 O Si 1.7 Silicium Si Fe, Ni 6 dage

10 LETTE GRUNDSTOFFER KAN FUSIONERE, TUNGE KAN FISSIONERE ENERGI BUNDET I KERNEN FUSION FISSION

11 En stjernes kollaps Main-sequence Løgstruktur star Helium-burning Kollaps (implosion) star Hydrogen Burning Helium Burning Hydrogen Burning

12 Supernova eksplosioner

13 Sanduleak Supernova 1987A 23. februar 1987 Tarantula Nebula Large Magellanic Cloud Distance 50 kpc ( light years)

14 MANGE SUPERNOVAER ER BLEVET OBSERVERET I HISTORISK TID

15 Supernovarest i Cassiopeia (SN 1667?) Kompakt stjerne (måske sort hul) Chandra billede

16 Chandra billede Krabbetågen

17 Computersimulering af supernova eksplosion

18 HVAD ER RESULTATET AF EN SUPERNOVA EKSPLOSION? DANNELSE AF STORE MÆNGDER TUNGERE GRUNDSTOFFER SOM F.EKS. JERN DISSE GRUNDSTOFFER SPREDES AF EKSPLOSIONEN OG KAN INDGÅ I DANNELSEN AF NYE SOLSYSTEMER DE ER ESSENTIELLE FOR DANNELSEN AF PLANETER SOM JORDEN OG DERMED FOR LIV VI KOMMER FRA EN SUPERNOVA!

19 HVORDAN DANNES ET SOLSYSTEM? EN INTERSTELLAR GASSKY BLIVER USTABIL FORSKELIGE OMRÅDER TRÆKKER SIG SAMMEN OG BLIVER TIL STJERNER Oriontågen

20 DET ER NATURLIGT, AT SOLSYSTEMER DANNES SOM SKIVER VORES EGET SOLSYSTEM BETA-PICTORIS, ET SOLSYSTEM UNDER DANNELSE

21 COMPUTERSIMULERING AF PLANETDANNELSE

22 SKRIDTET VIDERE.. HVOR KOMMER STOFFET I VORES UNIVERS FRA? HVORDAN OPSTÅR DE GALAKSER, STJERNERNE DANNES I? HVOR ER VORES UNIVERS OPSTÅET?

23 FOR AT SVARE PÅ DET MÅ VI GÅ TILBAGE I UNIVERSETS HISTORIE SAMTIDIG MÅ VI PRØVE AT FORSTÅ, HVORDAN HELE UNIVERSET HAR UDVIKLET SIG

24 GANSKE KORT OM KOSMOLOGIENS UDVIKLING FØR 1920: HELE UNIVERSET FORMODES AT VÆRE NOGENLUNDE AF SAMME STØRRELSE SOM MÆLKEVEJEN OMKRING 30,000 LYSÅR

25 GANSKE KORT OM KOSMOLOGIENS UDVIKLING 1922: DE FØRSTE GALAKSER UDEN FOR MÆLKEVEJEN PÅVISES AFSTANDEN MELLEM GALAKSERNE ER MILLIONER AF LYSÅR

26 GANSKE KORT OM KOSMOLOGIENS UDVIKLING SIDEN DA: EN JAGT PÅ MÅLINGER OVER STADIG STØRRE AFSTANDE. MÅLINGER AF MILLIONER AF GALAKSER OVER AFSTANDE PÅ MILLIARDER AF LYSÅR

27 SLOAN DIGITAL SKY SURVEY HAR MÅLT 1 MIO. GALAKSER MED PRÆCISION

28 DEN KOSMISKE BAGGRUNDSSTRÅLING MÅLT AF NASAS WMAP SATELLIT I MARTS 2006 HELE DET SYNLIGE UNIVERS I MIKROBØLGER (OMKRING 40 MILLIARDER LYSÅR)

29 FORDI LYSET BEVÆGER SIG MED EN ENDELIG HASTIGHED ( KM/S), SER VI BAGUD I TIDEN, NÅR VI SER LANGT BORT SOLEN: 8,2 MINUTTER ALPHA CENTAURI: 4 ÅR ANDROMEDA GALAKSEN: 2,2 MIO. ÅR BAGGRUNDSSTRÅLINGEN: 13,7 MIA. ÅR

30 MAN SER TILBAGE I TIDEN WMAP: 13,7 MIA. ÅR

31 BAGGRUNDSSTRÅLINGEN ÅR MAN SER TILBAGE I TIDEN

32 HVAD ER DEN KOSMISKE BAGGRUNDSSTRÅLING? DET TIDLIGE UNIVERS: DEN HØJE TÆTHED OG TEMPERATUR GØR UNIVERSET UGENNEMSIGTIGT FOR LYS OMKRING ÅR EFTER BIG BANG DET NUVÆRENDE UNIVERS: LAV TEMPERATUR OG TÆTHED GØR UNIVERSET GENNEMSIGTIGT FOR LYS

33 ET AFTRYK AF DE FYSISKE FORHOLD I UNIVERSET DA DET VAR ÅR GAMMELT

34 FARVEFORSKELLENE ER DE SMÅ UJÆVNHEDER, DER SIDEN BAGGRUNDSSTRÅLINGENS DANNELSE ER BLEVET TIL GALAKSER, STJERNER, OG I SIDSTE ENDE TIL LIV

35 1: DET TIDLIGE UNIVERS (BAGGRUNDSSTRÅLING) 2: CA. 1 MIA. ÅR, DE FØRSTE GALAKSER DANNES 3: VORES NUVÆRENDE UNIVERS

36

37 SIMULERING AF OMRÅDE AF DET SYNLIGE UNIVERS (udført på AU-supercomputer Grendel af Troels Haugbølle) VISER DIREKTE NEUTRINOERS INDFLYDELSE PÅ DANNELSE AF STRUKTURER 1 mia. lysår TO FORSKELLIGE MODELLER

38 VI FORSTÅR GANSKE PRÆCIST, HVORDAN STRUKTURER DANNES I UNIVERSET. DE SIDSTE FÅ ÅR HAR DER VÆRET EN MEGET HURTIG UDVIKLING INDEN FOR DETTE FELT PÅ GRUND AF NYE OBSERVATIONER OG UDVIKLING INDEN FOR SUPERCOMPUTERE MEN: VI MANGLER STADIG AT FORSTÅ, HVORDAN DE FØRSTE UJÆVNHEDER ER OPSTÅET!

39 OBSERVATIONER ER NU SÅ PRÆCISE AT VI KENDER UNIVERSETS SAMMENSÆTNING MED EN PRÆCISION PÅ CA. 1 PROCENT % NEUTRINOER 70 % MØRK ENERGI (SOM FÅR UNIVERSET TIL AT UDVIDE SIG HURTIGERE OG HURTIGERE) 25 % MØRKT STOF 5 % NORMALT STOF (STJERNER ETC)

40 HVOR KOMMER ALLE DISSE INGREDIENSER FRA? HER ER VI NØDT TIL AT FORSTÅ LIDT PARTIKELFYSIK

41 Atomets struktur Atom ~ m Kvarker Protoner/neutroner < m Atomkerne ~ m

42 UNDERSØGELSE AF MINDRE AFSTANDE KRÆVER MERE ENERGI CERN LARGE HADRON COLLIDER (FÆRDIGBYGGET 2007) VIL NÅ OMKRING 10 TERAELEKTRONVOLT (10-18 m)

43 DE KENDTE PARTIKLER u c t ν e ν μ ν τ d s b e μ τ 6 KVARKER 6 LEPTONER W - W + Z γ g KRAFTBÆRERE

44 KOSMOLOGI GIVER ET NATURLIGT ALTERNATIV TIL ACCELERATORFYSIK

45 ? MAN SER TILBAGE I TIDEN

46 ? MAN SER TILBAGE I TIDEN

47 DER ER EN SAMMENHÆNG MELLEM DE MINDSTE OG DE STØRSTE STØRRELSER I UNIVERSET

48 BEMÆRK: INGEN AF DE KENDTE PARTIKLER KAN UDGØRE DET MØRKE STOF ELLER DEN MØRKE ENERGI!!! 95% AF VORES UNIVERS BESTÅR AF NOGET UKENDT TIL GENGÆLD FORSTÅR VI NOGENLUNDE, HVORDAN DET ALMINDELIGE STOF OPFØRER SIG I DET TIDLIGE UNIVERS

49 I DET TIDLIGE UNIVERS VAR TEMPERATURERNE LANGT HØJERE END NU. VED EN TEMPERATUR OMKRING 1 MeV (10 MIA. K) KUNNE FUSION AF PROTONER OG NEUTRONER FINDE STED

50 < CA. 1 SEKUND CA. 30 SEKUNDER NEUTRON PROTON DEUTERIUM CA. 5 MINUTTER HELIUM

51 HVORFOR ER DER MERE STOF END ANTISTOF I UNIVERSET??? OBSERVATIONELT VED VI, AT DER ER MEGET LIDT ANTISTOF I UNIVERSET. HVIS STOF MØDES ANTISTOF FORSVINDER BEGGE DELE OG BLIVER TIL ENERGI. DET VILLE KUNNE SES! ALMINDELIGT STOF KALDES OGSÅ FOR BARYONER, MENS ANTISTOF KALDES FOR ANTIBARYONER

52 FINDES DER EN MEKANISME, DER KAN DANNE MERE STOF END ANTISTOF? DER ER TRE KRAV, SOM SKAL VÆRE OPFYLDT: DE SÅKALDTE SAKHAROV BETINGELSER

53

54 DISSE PROCESSER KAN FOREKOMME I DET TIDLIGE UNIVERS (MEN IKKE I DET NUVÆRENDE) HVIS DE IKKE FANDT STED VILLE VI IKKE VÆRE HER!

55 DER ER STADIG MANGE ULØSTE SPØRGSMÅL: 1) HVAD ER DET MØRKE STOF? 2) HVAD ER DEN MØRKE ENERGI? 3) HVORFOR BIDRAGER DE TO TING LIGE MEGET NETOP NU SVARENE SKAL FORMENTLIG FINDES I FYSIKKENS LOVE VED MEGET HØJE ENERGIER

56 NATURKRÆFTERNES FORENING VED HØJ ENERGI STÆRK INFLATION? OPRINDELIGE UJÆVNHEDER MØRKT STOF? GUT (GRAND UNIFIED THEORY) E.M. SVAG ELEKTROSVAG (SUPERSYMMETRI?) T.O.E MØRK ENERGI? TYNGDE ENERGI / GeV

57 SUPERSTRENGTEORI ER DEN MEST POPULÆRE THEORY OF EVERYTHING, MEN ER STADIG IKKE PÅ ET UDVIKLINGSTRIN, HVOR MAN KAN LAVE FAKTISKE BEREGNINGER

58 CHECKLISTE VI FORSTÅR, HVORDAN DE GRUNDSTOFFER LIV BYGGES FRA ER DANNET VI FORSTÅR, HVORDAN SOLSYSTEMER DANNES VI FORSTÅR, HVORDAN STRUKTURER UDVIKLER SIG I UNIVERSET VI FORSTÅR ENDNU IKKE, HVORFOR DER ER MERE STOF END ANTISTOF I UNIVERSET VI FORSTÅR ENDNU IKKE, HVAD 95% AT UNIVERSET BESTÅR AF VI FORSTÅR ENDNU IKKE, HVORDAN VORES UNIVERS ER DANNET