Πειραματικές Αποδείξεις για την επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος Παύλου Ορέστης 09108616 Επιβλέπων Καθηγητής: Κεχαγιάς Αλέξανδρος

Περιεχόμενα Εισαγωγή Big Bang Model Παρατηρήσεις Supernovae Ανακαλύψεις – Dark Energy Συμπεράσματα

Εισαγωγή 1916 – Ο Einstein δημοσιεύει την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Λύσεις εξισώσεων πεδίου Einstein: Ισοτροπικό και Ομογενές Σύμπαν. 1927 – Ο Lemaitre δείχνει την σχέση απόστασης-μετατόπισης προς το ερυθρό (redshift). 1929 – Ο Edwin Hubble ανακαλύπτει πως το Σύμπαν διαστέλλεται. (Bάσεις για τη Θεωρία του Big Bang)

1965 – Οι Arno Penzias και Robert Wilson ανακαλύπτουν (τυχαία) την Μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου (CMB) ~ 2.7 °K – Απομεινάρι του Big Bang.

1980 – Ο Alan Guth προτείνει το Πληθωριστικό Μοντέλο (Inflation), το οποίο δίνει λύσεις στο “Πρόβλημα Ορίζοντα” και επιπεδότητας. 1990 – Ο δορυφόρος COBE δείχνει πως το CMB είναι ένα ισοτροπικό “μέλαν σώμα”. 1998 – Οι Adam Riess, Saul Perlmutter και Brian Schmidt παρουσίασαν αποδείξεις ότι η διαστολή του Σύμπαντος επιταχύνεται!

Big Bang Model

Βασικά στοιχεία μοντέλου Το Σύμπαν προέρχεται από ένα αρχικό σημείο, το οποίο κάποτε περιείχε όλη του την ύλη/ενέργεια, το οποίο είναι απειροελάχιστα μικρό και άπειρο σε πυκνότητα (Singularity). Η ηλικία του Σύμπαντος μετρήθηκε (δορυφόρος WMAP – 2009) στα 13.75 ± 0.11 δισεκατομμύρια χρόνια. Τα πρώτα δευτερόλεπτα μετά το Big Bang, στο Σύμπαν επικρατούσαν θερμοκρασίες της τάξης των δισεκατομμυρίων βαθμών Kelvin (εκατοντάδες φορές η θερμοκρασία στον πυρήνα του Ήλιου).

Χρονολογία του Big Bang 10-43s: Όλες οι αλληλεπιδράσεις (Η/Μ, Ισχυρή, Ασθενής, Βαρύτητα) είναι ένα (αδιαχώριστες). 10-32s: Πληθωρισμός 10-12s εώς 10s: Εποχή των Quarks – Αδρονίων - Λεπτονίων 3-20min: Νουκλεοσύνθεση 380,000 χρόνια: Σχηματισμός ατόμων Υδρογόνου και Ηλίου 300 εκατ. - 1 δισεκατ. χρόνια: Σχηματισμός των πρώτων αστέρων και γαλαξιών λόγω βαρυτικής κατάρρευσης 9 δισεκατ. χρόνια: Ηλιακό Σύστημα 13.75 δισεκατ. χρόνια: Σήμερα

Φαινόμενο Doppler Η αλλαγή στη συχνότητα ενός κύματος όταν υπάρχει σχετική κίνηση μεταξύ παρατηρητή-πηγής (π.χ. ήχος): - Απομάκρυνση = Αύξηση λ = Μείωση f - Προσέγγιση = Μείωση λ = Αύξηση f Το ίδιο συμβαίνει και με το φως: - Απομάκρυνση = Μείωση f = Μετατόπιση προς το κόκκινο (redshift) - Προσέγγιση = Αύξηση f = Μετατόπιση προς το μπλε (blueshift)

Οι γραμμές απορρόφησης στο οπτικό φάσμα, για διάφορα στοιχεία μακρινών γαλαξιών (δεξιά) σε σύγκριση με αυτές στον Ήλιο (αριστερά), δείχνουν μετατόπιση προς το ερυθρό (redshift).

Το 1929, ο Edwin Hubble, παρατήρησε την φωτεινότητα και το “redshift” διάφορων λαμπρών αστέρων και διαπίστωσε πως, όσο πιο μακριά βρίσκεται ένα άστρο, τόσο πιο γρήγορα απομακρύνεται από εμάς. Έτσι, ανακοίνωσε πως το Σύμπαν διαστέλλεται. Η σταθερά που μας δίνει τη διαστολή του Σύμπαντος, ονομάζεται “σταθερά Hubble” (Ho) και είναι η τιμή αναλογίας μεταξύ ταχύτητας απομάκρυνσης (v) και απόστασης (d) μεταξύ δύο σημείων στο Σύμπαν: v = Hod Η Ho μετρήθηκε τα τελευταία χρόνια: Ho = 70.4±1.4 ( km⁄Mpc·s ) (2009 – τελευταία μέτρηση) *1 Megaparsec = 3.1x 1013km Το 1998, οι επιστήμονες προσπάθησαν να μελετήσουν τη μορφή της διαστολής, παρατηρόντας μακρινά Supernovae.

Supernova

Ο θάνατος των Άστρων (Α) “Συνήθη” Άστρα (Ήλιος): - Σχηματίζονται από νέφη σκόνης και αερίων - Πυρηνική Σύντηξη: μετατροπή Υδρογόνου σε Ήλιο για ~10 δισεκατομμύρια χρόνια (άλλα 5.5 για τον Ήλιο) - Ερυθρός Γίγαντας: εκατοντάδες φορές το μέγεθός του, μετατροπή Ηλίου σε Άνθρακα για 100 εκατομ. χρόνια - Κατάρρευση: το Ήλιο εξαντλείται και το άστρο καταρρέει, απελευθερώνοντας τα εξωτερικά στρώματα (νεφέλωμα) - Λευκός Νάνος: μάζα άστρου – μέγεθος μικρού πλανήτη

Συνήθη άστρα:

(Β) Τεράστια Άστρα (~10 Ήλιοι): - Δημιουργούνται όπως και τα συνήθη άστρα - Στο τέλος της ζωής τους μετατρέπονται σε Ερυθρούς Υπεργίγαντες: μετά το Ήλιο μετατρέπουν Άνθρακα σε Οξυγόνο και άλλα βαρύτερα στοιχεία - Κατάρρευση: ο Ερυθρός Υπεργίγαντας καταρρέει σε ένα Αστέρα Νετρονίων απελευθερώνοντας τα εξωτερικά στρώματα με μια βίαιη έκρηξη (Type II Supernova).

Type Ia Supernova: - Οι εκρήξεις των Λευκών Νάνων με μάζα ~1.4 φορές τη μάζα του Ήλιου - Συνήθως προέρχονται από Δυαδικούς Αστέρες - Ο ένας από τους δύο δυαδικούς αστέρες φτάνει στη φάση του Κόκκινου Γίγαντα, καταρρέει σε Λευκό Νάνο, ο οποίος αρχίζει να απορροφά το διπλανό άστρο. - Κατάρρευση Λευκού Νάνου: οι απωθητικές δυνάμεις μεταξύ ηλεκτρονίων χάνουν τη “μάχη” εναντίον της βαρύτητας και καταρρέει - Supernova: κατά την κατάρρευση η πυρηνική ενέργεια στο εσωτερικό αναφλέγεται σε μια βίαιη πυρηνική έκρηξη, 10- 100 φορές πιο ισχυρή από αυτή των Type II Supernovae.

- Type Ia Supernova = Τα καταλληλότερα για παρατήρηση, λόγω της φωτεινότητάς τους. - Το τελευταίο στον Γαλαξία μας συνέβη το 1006, και ήταν παρατηρήσιμο κατά την ημέρα διά γυμνού οφθαλμού (πολύ σπάνια). - 1995, δύο ερευνητικές ομάδες επιστημόνων για την μελέτη τους: High-Z SN Search και Supernova Cosmology Project. - Τηλεσκόπια που χρησιμοποιήθηκαν: Cerro Tololo's Blanco 4m Canada-France-Hawaii 3.5m

- Dudley DoRight: Ένα Τype 1a Supernova, το οποίο παρατηρήθηκε τον Οκτώβριο του 1999. Απόσταση: 9 δισεκατ. έτη φωτός

Μετρώντας τις σταθερές του Σύμπαντος Καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται, η βαρύτητα επιβραδύνει τη διαστολή με την πάροδο του χρόνου. Παρατηρώντας σε μεγάλες αποστάσεις, κοιτάμε πίσω στο χρόνο. Μετρώντας την ταχύτητα διαστολής στο παρελθόν και στο παρών, μπορούμε να δούμε τη συνολική βαρυτική επίδραση όλης της ύλης στο Σύμπαν. Υπάρχουν 3 κυρίαρχα σενάρια για το μέλλον του Σύμπαντος: (α)Αν υπάρχει αρκετή ύλη, το Σύμπαν θα πρέπει να είχε διασταλεί πολύ πιο γρήγορα στο παρελθόν, και έκτοτε θα είχε επιβραδυνθεί πολύ. Τόσο πολύ έτσι ώστε το Σύμπαν θα σταματούσε τελικά την διαστολή του, θα άρχιζε να συρρικνώνεται, και τελικά θα κατέληγε σε ένα gnaB giB (το αντίστροφο του Big Bang) ή αλλιώς Big Crunch (μεγάλη Σύνθληψη). (β)Η ποσότητα της ύλης είναι τόση, ώστε η ταχύτητα διαστολής να είναι σταθερή και το Σύμπαν διαστέλλεται με τον ίδιο ρυθμό για πάντα. (γ)Η ύλη δεν είναι αρκετή, και έτσι η διαστολή είναι επιταχυνόμενη (Big Chill).

Η απόσταση ανάμεσα σε δύο γαλαξίες ως συνάρτηση του χρόνου Η απόσταση ανάμεσα σε δύο γαλαξίες ως συνάρτηση του χρόνου. Κοιτώντας προς το μέλλον, βλέπουμε ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται, εκτός εάν η βαρύτητα σταματήσει τη διαστολή. Αν το Σύμπαν διαστέλλεται με τον ίδιο ρυθμό, θα ακολουθήσει τη διακεκομμένη κίτρινη γραμμή. Αλλά αν επιβραδύνει με την πάροδο του χρόνου, το σύμπαν αρχίζει να καταρρέει στον εαυτό του. Αν η διαστολή επιταχύνεται, θα συνεχίσει να το κάνει με συνεχώς αυξανόμενο ρυθμό.

Robert Frost (1920): “Some say the world will end in fire. Some say in ice...”

Αποτελέσματα Μετρήσεων Δεδομένα των σουπερνόβα: Ρυθμός διαστολής = f(ταχύτητα). Τα σημεία δεν δείχνουν ότι το Σύμπαν επιβραδύνει αρκετά για να έχουμε μια gnaB GiB. Επιπλέον, όχι μόνο το Σύμπαν δεν διαστέλλεται επιβραδυνόμενα, δείχνουν ότι το Σύμπαν επιταχύνεται!

Απόσταση παρατήρησης = f(Redshift) Οι μετρήσεις-παρατηρήσεις, δείχνουν πως με σταθερή αύξηση στην απόσταση παρατήρησης, η μετατόπιση προς το κόκκινο αποκαλύπτει πως το Σύμπαν επιταχύνεται (μαύρη γραμμή).

Μετρήσεις για την ποσότητα ύλης στο Σύμπαν - Τα ποσά πυκνότητας της κοσμολογικής σταθεράς (σκοτεινή ενέργεια) -ΩΛ- και της κανονικής ύλης -ΩΜ-. Τα πιο σκούρα σημεία, δείχνουν τα πιο πιθανά νούμερα για τις πυκνότητες των δύο μορφών ύλης. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα διαφόρων παρατηρήσεων (CMB, Clusters) με αυτά των Sypernovae, παρατηρούμε πως οι πιθανοί αριθμοί δίνουν ποσοστά ~70% στη σκοτεινή ενέργεια και ~30% στις υπόλοιπες μορφές ύλης. - Η συνολική πυκνότητα Ωtot = 1, δείχνει πως η μορφολογία του Σύμπαντος είναι επίπεδη. - Και εδώ, τα αποτελέσματα δείχνουν ένα επιταχυνόμενο Σύμπαν το οποίο διαστέλλεται για πάντα!

Dark Energy - Μια μυστηριώδης, υποθετική μορφή ενέργειας, η οποία οφείλεται για την επιταχυνόμενη διαστολή. - Ο δορυφόρος WMAP, ο οποίος παρατήρησε το CMB για 9 χρόνια, μέτρησε την ποσότητα Σκοτεινής Ενέργειας και Σκοτεινής ύλης στο Σύμπαν. Αποτελούν το 95% της συνολικής ύλης-ενέργειας. 72% - Σκοτεινή Ενέργεια 23% - Σκοτεινή Ύλη 5% - Βαρυονική Ύλη (Άτομα, Φωτόνια κλπ) - Σκοτεινή Ύλη: Δεν αλληλεπιδρά με την Η/Μ ακτινοβολία. Υπεύθυνη για τις τροχιακές ταχύτητες των άστρων. “Συγκρατεί” τα άστρα μέσα στους γαλαξίες!

Λ-CDM Model Ή αλλιώς το “Standard Model” της Κοσμολογίας, είναι το προτεινόμενο μοντέλο το οποίο προσπαθεί να εξηγήσει: - Το Cosmic Microwave Backround - Τις μεγάλες Συστάδες Γαλαξιών (Galaxy Clusters) - Την επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος Το “Λ” προέρχεται από την κοσμολογική σταθερά του Einstein, την οποία χρησιμοποίησε στις εξισώσεις του στη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας (κάτι το οποίο ο ίδιος αργότερα αποκάλεσε το μεγαλύτερό του λάθος). Στο μοντέλο το “Λ” αντιστοιχεί στη Σκοτεινή Ενέργεια, η οποία αποκαλείται και Κοσμολογική Σταθερά. Το μοντέλο αυτό υποστηρίζει, επίσης, την Θεωρία του Πληθωρισμού για το Big Bang και την επίπεδη γεωμετρία του Σύμπαντος.

Συμπεράσματα

- Big Bang (Πληθωρισμός) - Επιβραδυνόμενη διαστολή (0-7 δισεκατ. Χρόνια) - Επιταχυνόμενη διαστολή (7-? δισεκατ. Χρόνια) - Το σύμπαν (πιθανόν) να τελιώσει με το Big Chill.

The Nobel Prize in Physics 2011 Το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 2011 χωρίστηκε μεταξύ των Saul Perlmutter (50%), Brian P. Schmidt (25%) και Adam G. Riess (25%), "για την ανακάλυψη της επιτάχυνσης της διαστολής του Σύμπαντος μέσα από παρατηρήσεις των μακρινών Supernovae". Saul Perlmutter Brian P. Schmidt Adam G. Reiss

Ευχαριστώ!

Βιβλιογραφία: S. Perlmutter et al. (Supernova Cosmology Project), Astrophys. J. 483, 565 (1997) S. Perlmutter et al. (Supernova Cosmology Project), Nature 391, 51 (1998) P. Garnavich et al. (High-Z Supernova Search), Astrophys. J. Lett. 493, 53 (1998) B. Schmidt et al. (High-Z Supernova Search), Astrophys. J. 507, 46 (1998) A. Riess, A. Filippenko, P. Challis, A. Clocchiattia, A. Diercks,P. Garnavich, R. Gilliland, C. Hogan, S. Jha, R. Kirshner, B.Leibundgut, M. Phillips, D. Reiss, B. Schmidt, R. Schommer,R. Smith, J. Spyromilio, C. Stubbs, N. Suntzeff, J. Tonry (High-Z Supernova Search), Astron. J. 116, 1009 (1998) S. Perlmutter, G. Aldering, G. Goldhaber, R. Knop, P. Nugent, P. Castro, S. Deustua, S. Fabbro, A. Goobar, D. Groom, I. Hook, A. Kim, M. Kim, J. Lee, N. Nunes, R. Pain, C. Pennypacker, R. Quimby, C. Lidman, R. Ellis, M. Irwin, R. McMahon, P. Ruiz-Lapuente, N. Walton, B. Schaefer, B. Boyle, A. Filippenko, T. Matheson, A. Fruchter, N. Panagia, H. Newberg, W. Couch (Supernova Cosmology Project), Astrophys. J. 517, 565, (1999) http://www.nasa.gov/missions/deepspace/f_dark-energy.html http://lambda.gsfc.nasa.gov/product/map/current/map_bibliography.cfm http://www.cfa.harvard.edu/supernova//HighZ.html http://www.insidescience.org/current-affairs/three-discoverers-of-accelerating-universe-share- physics-nobel-prize http://www.sciencemag.org/content/282/5397/2156.1.full http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2011/ http://www.youtube.com/watch?v=v6o2bUPdxV0