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