Kosmologi
Ulf Torkelsson
Teoretisk fysik
CTH/GU
Program
●
Universums expansion, observationer
●
Universums expansion, teori
●
Universums geometri
●
Universums expansion och sammansättning
●
Exotisk materia
Andromedagalaxen
Cepheider
Cepheider
●
Cepheider är pulserande stjärnor vars
pulsationsperiod beror på deras ljusstyrka.
Cepheider
Cepheider
●
●
●
Ju ljusstarkare en cepheid är desto längre är dess
pulsationsperiod
Detta samband upptäcktes 1908 av Henrietta
Swan-Leavitt.
Cepheider är tillräckligt ljusstarka för att synas i
andra galaxer.
Att bestämma avståndet till andra
galaxer
●
●
●
1928 upptäckte Edwin Hubble cepheider i
Andromedagalaxen och visade därmed att den
var en galax utanför Vintergatan.
Redan 1919 hade Knut Lundmark uppmätt
avståndet till Andromedagalaxen till 650 000
ljusår genom att studera novor.
Det moderna värdet är 2 200 000 ljusår.
Cepheider i andra galaxer
●
Med Hubble Space Telescope har man studerat
cepheider så långt bort som 56 miljoner ljusår.
Cepheid i M100
Hubbles lag
●
●
1929 upptäckte Hubble att ljuset från de flesta
galaxer är rödförskjutet, vilket Slipher också
hade sett tio år tidigare.
Hubble tolkade rödförskjutningen som en
Doppler-effekt, så han mätte den som en
hastighet.
Doppler-effekten
Universums ålder
●
●
●
●
De observerade hastigheterna följer Hubbles lag
v = Hr
Ett modernt värde på Hubbles konstant är H=70
km/s/Mpc
Hubbles konstant är omvänt proportionell mot
universums ålder.
Universums ålder blir ungefär 14 miljarder år.
Vad menas med universums
expansion?
●
●
●
●
Big bang är inte en explosion.
Det är avståndet mellan galaxerna som växer
med tiden, eller krymper om vi följer
expansionen baklänges genom tiden.
Vid en viss tidpunkt ser vi att alla avstånden blir
noll samtidigt.
Big bang infaller vid denna tidpunkt.
Den kosmiska rödförskjutningen
●
●
●
Galaxernas rödförskjutning är inte en Dopplereffekt.
Universum expanderar under den tid som ljuset
går från en galax till jorden.
Då expanderar ljusets våglängd i samma takt som
avståndet mellan galaxerna.
Gravitation enligt Einstein
●
●
Gravitationen är en krökning av rumtiden.
Denna krökning orsakas av den materia som
finns i universum.
Gravitationslins
Universums geometri
●
●
Gravitationen kan därför ge hela universum en
krökning som kan vara antingen positiv eller
negativ.
Krökningen beror på hur mycket materia det
finns i universum.
Universums geometri
Gravitationens effekt
●
●
●
●
Om vi kastar upp en boll, så bromsas den upp av
jordens tyngdkraft, och till slut faller den ned
igen.
Om vi kunde slänga iväg bollen med 11,2 km/s
så skulle den lämna jorden för alltid.
På samma sätt påverkar universums gravitation
dess acceleration.
Kommer universum att expandera för alltid eller
kommer det en dag att börja kollapsa?
Att mäta expansionens förändring
●
●
●
●
Vi behöver mäta sambandet mellan avstånd och
rödförskjutning för mycket avlägsna galaxer.
Det går lika bra att mäta ljusstyrkan som en
funktion av rödförskjutningen.
Cepheider är för ljussvaga.
Typ Ia-supernovor är tillräckligt ljusstarka och
alla har samma ljusstyrka.
Jakten på typ Ia-supernovor
●
Under 1990-talet började två grupper att leta
efter avlägsna typ Ia-supernovor.
●
High-Z SN Team
●
Supernova Cosmology Project
●
Ariel Goobar i Stockholm deltar i Supernova
Cosmology Project
En supernova 9 miljarder år från oss
Att mäta universums expansion
Årets upptäckt 1998 enligt Science
●
●
●
●
Universums expansion accelererar.
Gravitationen bromsar inte upp expansionen,
utan något skjuter istället på gravitationen.
Redan 1917 lade Einstein till en kosmologisk
konstant till sina ekvationer för att motverka
gravitationskraften.
Vid den tiden trodde Einstein nämligen att
universum var statiskt.
Kvintessens eller mörk energi
●
●
●
●
●
Gravitationskraften beror på ρ+3p.
Densiteten ρ är positiv, men trycket p kan vara
negativt.
Om vi har p< -ρ/3 så blir gravitationskraften
repulsiv.
En sådan form av energi kallar vi för kvintessens.
En kosmologisk konstant svarar mot p = -ρ,
vakuumenergi.
Hur länge kommer universum att
expandera?
Hur mycket kvintessens finns det?
●
●
●
●
Vi kan inte bestämma mängden kvintessens bara
genom att mäta accelerationen.
Vi måste också bestämma universums krökning.
Är universum krökt som ett klot eller som en
sadel?
Genom att studera mikrovågsbakgrunden kan vi
bestämma universums krökning-
Mikrovågsbakgrunden
●
●
●
Den är en kvardröjande värmestrålning från Big
Bang.
Genom universums expansion har den svalnat till
3K.
Den upptäcktes 1965 av Penzias och Wilson,
som 1978 fick Nobelpriset i fysik
Fluktuationer i bakgrunden
●
●
●
1992 upptäckte COBE-satelliten fluktuationer i
mikrovågsbakgrunden.
Genom att bestämma storleken för dessa
fluktuationer kan vi bestämma universums
krökning
Sådana studier har gjorts av flera ballongburna
teleskop och av satelliten WMAP.
Mikrovågsfluktuationer enligt WMAP
Universum är platt
●
●
Enligt WMAP och andra experiment så saknar
universum krökning (krökningen är mindre än
mätosäkerheten).
Därför gäller Pythagoras sats i universum.
Universums krökning och
acceleration
Universums sammansättning
●
●
●
●
Universum består till 73% av kvintessens och
27% av materia.
All denna materia är inte vår vanliga materia.
Genom teorin för hur de lätta grundämnena
bildas vet vi att bara 4% av universum kan bestå
av vanliga protoner och neutroner i olika
atomkärnor.
23% av universum är mörk materia som består
av något annat.
Exotisk materia
●
●
●
Man kan i teorin tänka sig materia som är ännu
märkligare än kvintessens.
Exotisk materia är materia med en negativ
energidensitet.
Med sådan materia kan man bygga varpdrift och
maskhål.
Varpdrift
●
●
●
Ett rymdskepp med exotisk materia kan skrynkla
ihop rumtiden framför skeppen, så att ett långt
avstånd blir kort.
Sedan kan rymdskeppet i låg hastighet färdas
igenom.
När rumtiden sedan slätas ut bakom rymdskeppet
ser man att man i själva verket har tillryggalagt
en lång sträcka i rummet.
Maskhål
●
●
●
Ett maskhål kan binda ihop två punkter i
rumtiden som egentligen ligger långt bort från
varandra
Därigenom skapas det en genväg mellan de båda
punkterna i rumtiden.
Om punkterna ligger skilda åt i tiden får man
också en tidsmaskin.
Maskhål
