modele Wszechświata

1

OBSERWACYJNE PODSTAWY

KOSMOLOGII

Załóżmy, że w punkcie x

0

= y

0

= z

0

= 0 jest obserwator

będący ziemskim astronomem. Obserwowalnym przez
niego wszechświatem jest jego stożek przeszłości.

Do dyspozycji jako narzędzia badawcze ma on:

•

znajomość praw fizyki,

•

obserwacje polegające na rejestrowaniu fal
elektromagnetycznych (optycznych i radiowych)

Przyjmuje się dwa uogólnienia, stanowiące

zasadę kosmologiczną:

A)

Prawa fizyki sprawdzone na Ziemi i w jej
najbliższym otoczeniu obowiązują w całym
wszechświecie

B)

Obserwacje astronomiczne wykonane z Ziemi
są typowe dla całego wszechświata

Obserwowalny wszechświat wypełniony jest galaktykami.

Elementarną jednostką kosmologiczną jest

gromada

galaktyk

.

modele Wszechświata

2

STRUKTURA STOŻKOWA

Podstawowe znaczenie dla kosmologii współczesnej ma fakt,
ż

e wszystkie sygnały we wszechświecie mogą rozchodzić się

ze skończoną prędkością – prędkością światła c.

Wszechświat jest największym możliwym zbiorem zdarzeń.

Każde zdarzenie charakteryzują współrzędne: x, y, z, oraz t.

Ponieważ informacje rozchodzą się ze skończoną prędkością
istnieją zdarzenia nieobserwowalne z danego układu
odniesienia.

Weźmy pod uwagę zdarzenie o współrzędnych x

0

=y

0

=z

0

=0.

Zdarzenie to może kontaktować się za pomocą sygnałów
ś

wietlnych ze zbiorem zdarzeń określonych równaniem:

2

2

2

z

y

x

ct

+

+

=

Równanie to opisuje powierzchnię stożków stykających się ze
sobą wierzchołkami w początku układu odniesienia. Są to:–
stożek przyszłości i stożek przeszłości.

Z faktu, że za punkt odniesienia można przyjąć dowolny punkt
czasoprzestrzeni wynika, że ma ona strukturę stożkową.

Czasoprzestrzeń może być zakrzywiona lub pofałdowana –
wiąże się to z deformacją stożków świetlnych (stożek
przeszłości i przyszłości). Możliwe jest rozważanie tak
małych obszarów czasoprzestrzeni, że można je przyjąć za
płaskie.

modele Wszechświata

3

ROZSZERZANIE WSZECHŚWIATA

Prawo Hubble’a (1929)

Zbiór galaktyk nie jest statyczny – oddalają się one od
obserwatora we wszystkich kierunkach

r

H

v

r

r

=

stała Hubble’a.

Mpc

s

km

h

H

⋅

⋅

=

100

h

∈

(0,5 ; 1,0)

1 Mpc = 3,084 ·1019 km = 3,26 · 10

6

ly

Prawo o wynika z przesunięcia widma galaktyk ku czerwieni.
Wielkość przesunięcia definiuje się następująco:

z

λ

obs

λ

G

−

λ

obs

λ

obs

- długość fali mierzonej przez obserwatora

λ

G

- długość fali emitowana przez galaktykę.

Przesunięcie z jest miarą odległości.
W astronomii głębia odległości odpowiada głębi czasu więc
czas również wyrażamy przez wartość z.

modele Wszechświata

4

PROMIENIOWANIE RELIKTOWE

1965 Arno Penzias i Robert Wilson
Przestrzeń jest izotropowo wypełniona promieniowaniem
elektromagnetycznym zwanym promieniowaniem tła lub
promieniowaniem reliktowym.

λ

max

= 1,1 mm, T = 2,7 K, n = 10

3

cm

-3

, E = 4 · 10

–14

J/m

3

Ponieważ rozkład materii jest izotropowy to jest on również
jednorodny

Promieniowanie to powstało około 300 000 lat po Wielkim
Wybuchu, kiedy wszechświat stał się nagle przezroczysty.
Miało temperaturę ~ 10

5

K

Różnice temperatur około 2·10

-4

K

modele Wszechświata

5

CIEMNA MATERIA

Pomiary prędkości orbitalnej gwiazd na obrzeżach galaktyki

Obrazy takie zaobserwowano w ponad 1000 galaktyk

Widzialna część galaktyki to około 5 – 10% jej masy

Ciemna materia tworzy gigantyczne halo o średnicy do 30
razy większej niż jej część widzialna

modele Wszechświata

6

CIEMNA MATERIA

Obserwacje wskazują, że stanowi ona istotną część masy
naszej galaktyki

90% materii we Wszechświecie nie świeci

WIMP - weakly interacting massive particles
MACHO - massive compact halo objects

(czarne dziury, brązowe karły.)

MACHO działa jak soczewka grawitacyjna - obraz gwiazdy
zasłoniętej przez MACHO rozjaśnia się.

modele Wszechświata

7

Schemat Wszechświata

A - kosmiczna sieć ciemnej materii
(ok. 1 mld lat świetlnych)
w zagęszczeniach znajdują się gromady galaktyk

B – gromada galaktyk (10-20 mln lat św.)
zawiera 10-1000 galaktyk

C – galaktyka spiralna NGC 4414 (56 000 lat św.)
typowa galaktyka zawiera miliardy gwiazd

D - gwiazda z układem planetarnym

modele Wszechświata

8

WIELKI WYBUCH

13,7·10

9

lat temu

Zwolennik statycznego Kosmosu brytyjski astronom Fred
Hoyle powiedział lekceważąco w BBC, że nie wierzy w żaden
Big Bang

na początku Wszechświat był izotropowy, materia składała się
z kwarków, gluonów, leptonów, fotonów i grawitonów

Obecnie obserwowany Wszechświat składa się z obszarów
między którymi nie można przekazywać informacji –
problem horyzontu