ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ Δομή της διάλεξης Το Σύμπαν διαστέλλεται Η Μεγάλη Έκρηξη Ο οδικός χάρτης της εξέλιξης του Σύμπαντος Συμπεράσματα

Η Κοσμολογία στην Αρχαιότητα * 07/16/96 Η Κοσμολογία στην Αρχαιότητα Θαλής (585π.Χ.) Στο Σύμπαν κυριαρχούν φυσικές διεργασίες Πυθαγόρας (530π.Χ.) Η Γή είναι σφαιρική Αναξαγόρας (430π.Χ.) Το Σύμπαν είναι κατανοητό Πλάτων (420π.Χ.) Γεωκεντρικό σύστημα, κυκλικές τροχιές πλανητών, η Γη είναι ακίνητη Δημόκριτος (400π.Χ.) Το Σύμπαν αποτελεί μηχανικό σύστημα Εύδοξος (340π.Χ.) Γεωκεντρικό σύστημα, 33 σφαίρες, η Γη είναι ακίνητη Αριστοτέλης (350π.Χ.) Γεωκεντρικό σύστημα, 55 σφαίρες, Αρίσταρχος (280π.Χ.) Ηλιοκεντρικό σύστημα (αγνοήθηκε) Ίππαρχος (125π.Χ.) Απόσταση της Σελήνη (διαστάσεις του Σύμπαντος) Πτολεμαίος (150μ.Χ.) Γεωκεντρικό σύστημα, Επίκυκλοι Lecture 2 * ##

Η Κοσμολογική Αρχή 1922 – Aleksandr Friedmann Διερεύνησε τις εξισώσεις της ΓΘΣ του Einstein, Θεωρώντας ότι το Σύμπαν δεν είναι στατικό, ότι δηλαδή μπορεί είτε να συστέλλεται είτε να διαστέλλεται. Χρησιμοποίησε την Κοσμολογική Αρχή Η Κοσμολογική Αρχή (Einstein) Το Σύμπαν είναι ισοτροπικό στο χώρο και στο Χρόνο

Το Σύμπαν δεν είναι μικρό! 1924 – Edwin Hubble Μέτρησε την απόσταση 9 γαλαξιών, χρησιμοποιώντας Κηφείδες αστέρες και απέδειξε ότι η απόστασή τους είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτήν των αστέρων του Γαλαξία. Οι διαστάσεις του Σύμπαντος είναι τεράστιες!

Το πρωτογενές άτομο 1927 – Georges Lemaitre Υπεστήριξε ότι το Σύμπαν γεννήθηκε από ένα “πρωτογενές άτομο” το οποίο τελικά διεσπάσθη, δημιουργώντας τους αστέρες και τους γαλαξίες. Διετύπωσε μία εξίσωση για την ηλικία του Σύμπαντος, η οποία ικανοποιούσε τις εξισώσεις τηw ΓΘΣ του Einstein

Millikan Lemaitre Einstein

Η διαστολή του Σύμπαντος 1929 – Edwin Hubble Χρησιμοποιώντας παρατηρήσεις γαλαξιών από το τηλεσκόπιο 2.5m του Mt. Wilson, απέδειξε ότι η μετατόπιση προς το ερυθρό, z, των γαλαξιών αυξάνει με την απόστασή τους, d. Πρότεινε ότι η μετατόπιση προς το ερυθρό οφείλεται στο φαινόμενο Doppler και οφείλεται στην απομάκρυνση των γαλαξιών. Ο Hubble συμπέρανε ότι το Σύμπαν διαστέλλεται. z = (l – lο) / lο

Η μετατόπιση προς το ερυθρό lο = το μήκος κύματος ηρεμίας = το παρατηρούμενο μήκος κύματος

Ο νόμος του Hubble z ~ v/c d = σταθερά × z v = H0 d d z

Ο νόμος του Hubble v = H0d H0 = 22 km/s/Mly

Ο συντελεστής κοσμικής κλίμακας, R(t) le t0 = παρόν d(t1) R(t) < 1 t2 = μέλλον d0 R(t) = 1 d(t) = R(t) d0 lo d(t2) lrest = R(t) lo R(t) > 1 z = (lo - lrest) / lrest 1 + z = 1/R(t)

Η ηλικία του Σύμπαντος Ο νόμος του Hubble v = H0 d H0 = σταθερά του Hubble d = απόσταση Η ηλικία του Σύμπαντος d = v T d = H0 d T T = 1/H0 T ~ 20×109 έτη 1 parsec = 3.26 έτη φωτός

Η γένεση και εξέλιξη του Σύμπαντος 10-43 s έως 300,000 έτη μετά τη Μεγάλη έκρηξη Υπενθύμιση: Το κενό, σύμφωνα με την Κβαντομηχανική, περιέχει ενέργεια !

Ο χρόνος Planck 10-43 seconds Ο χρόνος Planck. Ακόμα και η έννοιες του χώρου και του χρόνου δεν μπορούν να ορισθούν.

Η Εποχή του Πληθωρισμού 10-36 seconds Θερμοκρασία ~ 1028 K. Η εποχή του πληθωρισμού. Αμέσως μετά τη γένεση του Σύμπαντος, η μέση ελεύθερη διαδρομή των φωτονίων ήταν μικρότερη από 3 x 10-26 cm! Επομένως, το Σύμπαν ήταν ουσιαστικά αδιαφανές. Από 10-38 seconds έως 10-33 seconds οι διαστάσεις του Σύμπαντος αυξάνουν κατά ~ 1025. Η διάμετρος του Σύμπαντος φτάνει τα 3 mm. Οποιεσδήποτε μικρές διακυμάνσεις στην κατανομή της ενέργειας του Σύμπαντος αυξάνουν κατά τον ίδιο παράγοντα. Αποτελούν τους δομικούς λίθους δημιουργίας των γαλαξιών.

Η εξαφάνιση της αντιύλης 10-6 seconds Η θερμοκρασία πέφτει στα 10 τρισεκατομμύρια K. Δημιουργούνται Quarks και anti-quarks τα οποία αμέσως εξαϋλώνονται. Δημιουργούνται τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια Υπάρχει, όμως, μια μικρή υπεροχή της ύλης από την αντιύλη κατά 1: 1 000 000 000. Η αντιύλη σχεδόν εξαφανίζεται από το Σύμπαν λόγω εξαύλωσης. Τα quarks δημιουργούν νετρόνια και πρωτόνια. Τα πρωτόνια και νετρόνια μεταστοιχειώνονται προς άλληλα, αλλά υπάρχουν σε περίπου ίδια αφθονία.

Το τέλος της δημιουργίας μάζας 1 second Τα νετρόνια είναι κατά 0.1% βαρύτερα των πρωτονίων. Επομένως η μεταστοιχείωση νετρονίων  πρωτόνια ευνοείται . Επομένως η αφθονία των πρωτονίων στο Σύμπαν υπερισχύει και τελικά φθάνει στον λόγο 7 : 1. 5 seconds Θερμοκρασία ένα δισεκατομμύριο K. Σταματά η περαιτέρω δημιουργία ύλης (από την ενέργεια του Σύμπαντος)

Πυρηνοσύνθεση 3 minutes Θερμοκρασία 100 εκατομμύρια K. Έντονες πυρηνικές αντιδράσεις. Λόγω της χαμηλής, πλέον, θερμοκρασίας, η ταχύτητα των στοιχειωδών σωματιδίων είναι σχετικά μικρή και επιτρέπει τη δημιουργία πυρήνων υδρογόνου, ηλίου, δευτερίου και λιθίου. Το Σύμπαν αποτελείται, πλέον από ¾ πυρήνων υδρογόνου και ¼ ηλίου.

Επί τέλους ελεύθεροι! 300,000 years Η θερμοκρασία είναι περίπου 10,000 K. Η θερμοκρασία είναι αρκετά χαμηλή, ώστε τα ηλεκτρόνια ενώνονται με τους πυρήνες και δημιουργούνται άτομα υδρογόνου και ηλίου. Το Σύμπαν καθίσταται διαφανές. Η εποχή της επανασύνδεσης. Η ακτινοβολία από αυτήν την εποχή είναι αυτή που παρατηρείται ως Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου.

Τα Πρότυπα του Σύμπαντος

Η Γεωμετρία του Σύμπαντος Σε t έτη, το φώς διανύει απόσταση t ετών φωτός. Άρα όταν η ηλικία του Σύμπαντος ήταν 300,000 έτη, το φώς δεν θα μπορούσε να είχε διανύσει απόσταση μεγαλύτερη από μία περιοχή διαμέτρου 300 300,000 έτη φωτός. Επομένως, αν υπήρχαν, οι διακυμάνσεις θα ήταν της τάξεως των 300,000 ετών φωτός Έκτοτε το Σύμπαν έχει διασταλεί κατά περίπου 1/Rt = 1+z ~ 1000. Δηλαδή, οι διακυμάνσεις του Σύμπαντος από 300,000 έτη φωτός έχει γίνει 300 εκατομμύρια έτη φωτός. Η αρχική περιοχή βρίσκεται σήμερα σε απόσταση 15 Gly. Επομένως, κάθε περιοχή πρέπει να έχει γωνιώδη διάμετρο 1o στον ουρανό. 300 Mly 15 Gly ~1o Γη

Σμήνη γαλαξιών

Κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου 1965 – Ο Arno Penzias και ο Robert Wilson Κατά την προετοιμασία για την παρατήρηση του Γαλαξία στα 21 cm, ανακάλυψαν τυχαία την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου 1978: Nobel Φυσικής

Cosmic Background Explorer (COBE) Εκτόξευση: Νοε. 1989 Μέτρηση του φάσματος της κοσμικής ακτινοβολίας T = 2.725 +/- 0.002 K

Οι παρατηρήσεις του COBE

Οι παρατηρήσεις WMAP

Boomerang

Τα αποτελέσματα του Boomerang Συμπέρασμα: Το Σύμπαν είναι επίπεδο

Συμπεράσματα Μεγάλη έκρηξη Ενδείξεις ότι η ηλικία του Σύμπαντος είναι πεπερασμένη Ενδείξεις ότι αρχικά η θερμοκρασία του Σύμπαντος ήταν πολύ μεγάλη Ενδείξεις ότι το Σύμπαν είναι επίπεδο Ενδείξεις ότι μια «μυστηριώδης» δύναμη (σκοτεινή ενέργεια) επιταχύνει τη διαστολή του Σύμπαντος Αινίγματα Τι είναι η σκοτεινή ενέργεια; Τι προκάλεσε τη Μεγάλη έκρηξη; Γιατί το Σύμπαν έχει τις ιδιότητες που έχει;

Το μέλλον? ΜΕΛΛΟΝ ΠΑΡΟΝ ΖΩΗ

Παρατηρήσεις Υπερκαινοφανών τύπου Ιa Οι υπερκαινοφανείς είναι κατά 25% αμυδρότεροι…. Άρα βρίσκονται πιο μακριά… Άρα το Σύμπαν έχει διασταλεί περισσότερο από το αναμενόμενο… Η διαστολή του Σύμπαντος επιταχύνεται! Nobel Φυσικής 2011