Fyzikální kosmologie 2/2 Jak starý je vesmír? Odhad pomocí Hubbleovy konstanty (jenže dnes rozptyl hodnot 9.4±2.1 %) ~i—i—|—i—i—i—|—i—i—r ■Hq since 1920 S 40D í _1_I_I_I_I_I_I_I_I_1_L I860 Date Early (,7.1 Planck 07.-1 ! DES+BAO+BBN 74.0' 73.3' 7i.s ;;:| 76.5! 73.^_q'^ combining all i ií .9 I [í with Cepheids 72.5 1.8 ■ with MIRAS Late Eafly vs. Late 6.1a 5.8(T 4.0c 66 68 70 72 74 76 fro [kms-1 Mpcr1] 78 80 SO 50 4(1 30 2(1 10 i r r i j i i i i i i i i i j i(r i ľ i i i i i j i i i i r r t i i j i Only Optical Ccph. Dni m Ptculiif Velctcily 'Erxl udaj 5N 5mveys Calibrator Sample tinHric Flew Sample TRGB IikLijwciii_ M3I Ccpheid Sample " | Jl PL Break/ip*! J ■ _________-S... *-|----------- „...I________•.. Ctphiist EJUH-CliIiit Treatment : Onmetrk: Ancňnrs tieplicitl Clipping . Baseline J I I I I L I I I J I I I I I L L I ......... *l O 71 12 7.í 74 11,. Počáteční úvaha: rozpínající se vesmír => rychlost rozpínání ovlivněna jedinou silou - gravitací => prázdný vesmír se rozpíná konstantní rychlostí => odhad stáří vesmíru: 1/H reálný vesmír: menší stáří v důsledku brzdění rozpínání gravi-X tační silou => pro standardní kosmologický model doba existence vesmíru t < 1/H Jak starý je vesmír? (13.797 ± 0.023) x109 let (družice Plaňek 2018) Lze to nějak ověřit? dle stáří nejstarších hvězdných objektů - kulové hvězdokupy, někteří bílí trpaslíci - stáří alespoň 12 mld let měření WMAP, Plaňek aj. The Evolution of Infrared Space Telescopes WISE W2 4.6 Mm Spitzer/IRAC 8.6 |im JWST/MIRI 7.7 \tm Velmi raný vesmír do 10"43 s: Planckova epocha není jednotný popis, více teorií; všechny fyzik, interakce jsou spojeny v jediné univerzální 10"43 - 10"38 s: epocha velkého sjednocení vesmír chladne a rozpíná se; oddělení gravitační interakce 10"38 - 10"10 s: elektroslabá epocha začíná oddělením elektroslabé a silné interakce, měly by vzniknout mg. monopoly -nepozorují se -> vyřešeno zavedením inflace čas od počátku současnost éra hvězd a galaxií 1 miliarda let éra atomů 380 tisíc let lehká jádra 3 minuty primordiální nukleosynéza 10-5 s volné kvarky • • a anti kvarky 10-1°s elektro-slabá éra 10-38s [ * • ■ ■ * 4 \ • významné události lidé pozorují vesmír hvězdy, galaxie, velkorozměrové struktury vznik prvních galaxií atomy, vznikají první hvězdy oddělení záření od látky, vznik ' plasma obsahující atomu protny, jádra helia a elektrony vznik |ehkýcn jader: 75% vodíku protony, neutrony, 25% hélia elektrony, neutrina (antihmota je vzácná) hadronizace hmoty elementární částice a anti-částice 10-« s GUT éra, inflace Planckova éra oddělení elektromgnetické interakce oddělení silné interakce možná způsobilo inflaci Time since Big Bang ■1 bHHon yea^s Era of galaxies m -'—-—- Era of atoms ., J 4 * Era of nuclei + ■ 3 minutes . ■ m-■— —-±-■—— ' - " ys Era of nucleosynthesis « . .* Parti cle. era -. - 10"10 seto Velmi raný vesmír cca 10"38 - 10-32 s; inflační epocha překotné rozepnutí/nafouknutí vesmíru (inflace vesmíru) - zvětšení objemu vesmíru o nejméně 78 řádů! (1980 Alan Guth, 1981 Katsuhiko Sato; později Andrej Linde, Paul Steinhardt, Andreas Albrecht) příčina? - pravděp. rychlé porušení GUT a oddělení silné interakce od elektrroslabé na konci: ve vesmíru kvark-gluonové plazma řeší nedostatky standardního modelu - problémy horizontu a plochosti vesmíru, neexistence magnetických monopolů Podporována, ale zatím nedokázána - měly vzniknout tzv. reliktní gravitační vlny po inflaci (cca 106s): baryogeneze - tvorba baryonů: nevysvětlená nerovnováha hmota - antihmota (baryony - lichý počet kvarků) Inflationary Epoch «"tB3 Key: w, z dd50ti5. (* eJeelíQn mA | 1J mu en Ubu V neutrina pak porušení při energii > 1 TeV 10-10 -10-6 s - kvarková éra: všechny interakce odděleny; formují se částice, ale teplota příliš vysoká, aby se kvarky spojily v hadrony 10-6 -1 s - hadronová éra: tvoří se hadrony (protony, neutrony); neutrina přestávají interagovat s baryony - volně putují vesmírem => kosmické neutrinové pozadí(obdoba mikrovlnného pozadí, reliktního záření, které bylo uvolněno později) na konci - většina hadronů a antihadronů anihilovala Leptons Photon Higgs Boson 1 - 10 S - leptonová éra: ve vesmíru dominovaly leptony a anti-leptony; na konci - konec tvorby nových párů lepton-antilepton, většina stávajících anihilovala, zůstal jen malý zbytek leptonů; vesmír byl neprůhledný (rozptyl volných elektronech); 10 s - 380 000 let: fotonová éra většina energie vesmíru ve fotonech, které interagovaly s protony, elektrony a event. jádry, na konci - oddělení záření od látky - vznik reliktního záření; před tím vesmír zcela neprůhledný, hustota 2.109 větší, teplota 3 000 K; ve vesmíru zárodky kup galaxií a buněčné struktury na začátku fotonové éry 10 s -103 s: primordiální nukleosyntéza: vznik lehkých jader deuteria, helia a lithia (až po He4, kde skončila většina neutronů) hmotnostně 3x více H než He, ostatní - jen stopové množství konec jaderného vývoje: chladnutí a řídnutí velmi rychlé (jaderné reakce nemohou probíhat) cca 70 000 let: převaha hmoty hustota nerelativistické hmoty (atomová jádra) = hustotě relativistického záření (fotony); vytvářejí se malé struktury hmoty, dominuje chladná temná hmota - její chování a vývoj nejsou jednoznačně popsány cca 377 000 let: rekombinace na počátku H, He ionizovány, bez elektronů; fotony rozptylovány na volných elektronech vesmír se rozpínal => řídnul a chladnul => elektrony zachytávány ionty => hustota vesmíru klesá, tvorba neutrálních atomů H a He (rekombinace) při 3000 K => fotony se naposledy rozptýlily na elektronech => nesou informaci o tehdejším rozdělení látky ve vesmíru; fotony mohou volně cestovat => vesmír zprůhledněl! = oddělení záření od látky reliktní záření = otisk tehdejšího vesmíru! H|| konec fotonové éry - vesmír průhledný ale prázdný - bez zdrojů záření! Temný věk = doba mezi vznikem reliktního záření a zrodem prvních hvězd, které začnou epochu reionizace atomů doba trvání: odhadem 150 milionů až 800 milionů let po VT; teplota vesmíru - cca 1000 K 1 000 100 10 červ. kosrn. posuv z důkaz konce: výskyt ionizovaného vodíku, který vesmír zneprůhlednil; k ionizaci vodíku mohly přispět pouze hvězdy, které se po období temnoty začaly houfně objevovat. pozorování: první hvězdy - teoreticky pozorovatelné, ale zčervenalé a velmi slabé 2016 - objev galaxie GN-z11 -galaxie, která musela existovat během následující reionizační éry 2021 -HD1 => okno do této doby první hvězdy - cca 13 mld. let staré, ale HD140283-Metuzalém Modern Galaxies Od období temna po současnost Vytváření struktur tvorba hierarchická - od malých k větším první struktury - kvasary = jasné aktivní galaxie Reionizace: 150 milionů -1 miliarda let první hvězdy a kvasary, jejich intenzivní záření reionizuje okolní vesmír od té dobyje většina viditelného vesmíru tvořena plazmatem Tvorba hvězd první hvězdy (populace III) - začátek procesu přeměny lehkých prvků na těžší Tvorba galaxií velké objemy hmoty kolabovaly => vznik galaxií vznik hvězd populace II a později hvězd populace I 2016 galaxie GN-z11 ve vzdálenosti 13.4 Gly (3 % současného stáří vesmíru) 2021-2 HD1 13.5 Gly (z=13.3) Hubble Ultra Deep Field - malé galaxie, které se spojují ve větší (13 Gly, jen 5% současného stáří vesmíru); tenký disk Galaxie zformován před 8.8 ± 1.7 mld let; nové výsledky se čekají z JWST Vytvoření skupin, kup a nadkup gravitační interakce - galaxie se shlukují do skupin, kup, nadkup utváření Sluneční soustavy: před 8 mld let, naše Slunce před 4.56 mld let d stá ejvětší struktura ve vesmíru je „cosmic web" - pěnová struktura; rozpínáríí vesnijru se zrychluje-=> ! ' * * ■ *' ■ žádné další inflační struktury nepřekročí horizoht událostí ve qr Výhled do budoucnosti korektní předpovědi za hranicemi současné fyziky => ve hře různé scénáře Velké zamrznutí (Big freeze): 1014 let a dále nejpravděpodobnější, vyplývá ze současné expanze za cca 1014 let - existující hvězdy vyhoří, tvorba nových hvězd ustane, vesmír potemní za mnohem delší dobu - galaxie a černé díry se vypaří; částice se rozpadnou vesmír ve stavu vysoké entropie; neví se, zda dosáhne termodynamické rovnováhy Velký krach (Big Crunch): 100+ mld let od současnosti hustota energie skryté energie záporná nebo vesmír uzavřený => rozpínání vesmíru se obrátí a vesmír se bude smršťovat do horkého, hustého stavu; možná část oscilujícího, cyklického vesmíru podle současných pozorování nepravděpodobný scénář Výhled do budoucnosti Velké rozervání (Big Rip): 20+ mld let od současnosti 2003 - Robert Caldwell hustota skryté energie roste s časem bez omezení (tzv. phantom energy -nepodobá se žádné známé formě energie) => rychlost rozpínání vesmíru se zvětšuje => gravitačně vázané systémy (kupy galaxií, galaxie a nakonec i Sluneční soustava) budou rozděleny; nakonec rozpínání tak rychlé, že budou roztrhány i atomy a molekuly => vesmír skončí jako nezvyklý druh gravitační singularity, když dosáhne rychlost rozpínání nekonečné velikosti Metastabilita vakua náš vesmír v dlouhotrvajícím falešném vakuu => malá oblast vesmíru může protunelovat do stavu s nižší energií => okamžitě se zničí všechny struktury v této malé oblasti a oblast expanduje takřka rychlostí světla Tepelná smrt (Heat death): 10150+ let od současnosti možný závěrečný stav vesmíru za cca 10150 let - vesmír nemá žádnou volnou termodynamickou energii, aby umožnil pohyb nebo život = dosáhne maximální entropie hypotéza tepelné smrti vesmíru pochází z 50. let 19. st. - William Thomson (lord Kelvin) OSUD VESMÍRU velké rozervání Velký třesk současnost supernova Einsteinova OTR A*0 velký krach It'' ^^^m í t dnes V jakém vesmíru žijeme? Lze to zjistit? V principu ano. *0 1. dle vzdáleností kup galaxií x problém určování přesných vzdáleností kup galaxií 2. podle křivosti vesmíru - lze měřit z fluktuací teploty reliktního záření 3. podle hustoty vesmíru uzavřený vesmír => střední hustota látky > kritická (odpovídá 1 atomu vodíku asi v jednom dm3 prostoru) x ve vesmíru registrujeme našimi přístroji jen několik procent hmoty (paradox skryté hmoty - znám už od 30. let 20. století) Pozorovací kosmologie Pozorování, experimenty: • dřívější - Hubble, kosmický žebřík vzdáleností, spektroskopie, objev reliktního záře% \ • současné • plánované Ěw \\ v*. ■ ě i 4 Akcelerující vesmír pozorovatele Rovnoměrně se rozpínající vesmír ! V* €_ Akcelerující vesmír 4- 1998 - dva týmy - ze studia supernov typu la rozpínání vesmíru zrychluje Nobelova cena za fyziku 2011 2014, 2015 - různé typy SN la => zrychlení rozpínání je menší Současná pozorovací kosmologie Distant Type la Supernovae 0,4 Redshift z I 0.8 0.7 0.6 Linear scale of the universe relative to today 0.5 X Saul Perlmutter, Adam Riess, Brian Schmidt jediné, ca ve vesniXu weeXP^udujé., JE MŮJ PUA.T J (Podle Mercury May-June 1981. EE.) Současná pozorovací kosmologie Červený posun - přehlídkové projekty 1977 - 1982 CfA Redshift Survey 1997-2001 2MASS (Two Micron All-Sky Survey) 1997-2002 - výsledky 2dF Galaxy Redshift Survey - určení velkých struktur v jedné části vesmíru, horní mez pro hmotnost neutrin, hodnota hustotního parametru Q nerelativ. hmoty od 2000 - Sloan Digital Sky Survey (SDSS) -100 milionů objektů, pro galaxie z až 0.4, detekce kvasarů až za z = 6; (e)BOSS (The Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) — Od 2009 2001-2004 DEEP2 Redshift Survey - Keckovy dalekohledy, doplňující k SDSS a 2dF 2001-2009 6dF Galaxy Survey od 2013 - DES (Dark Energy Survey) GOODS: Great Observatories Origins Deep Survey - 5 observatoří v kosmu (Spitzer, HST, Chandra, Herschel, XMM-Newton) +JWST 1965 Penzias and Reliktní záření Pozemská měření South Pole Telescope (SPT) - lom dalekohled na Amundsen-Scott South Pole Station, Antarktida; pozorování v oborech mikro-, mm- sub-mm- vln elmag. spektra Cosmology Telescope >m dalekohled na Cerro Toco v pousti (sever Chile) Balónová měření projekty SPIDER, EBEX, BOOMERang a další souhrn všech projektů zkoumajících CMB http://lambda.qsfc.nasa.gov/product/expt/ MuUicole n-:omcrt { Fluktuace reliktního záření 90° 2° 6000 P-r 5000 - 1 000 - Angular scale 0.5° 0.2C —i-1- WMAP Acbar Boomerang CBI VSA 10 100 500 1000 Multipole moment í 1500 s i a. multipálový moment, ŕ 50 500 1000 isoo i Ů.2n úhlová škála o.r 0.07 1. vrchol - úhlově největší fluktuace - hustší oblasti gravitačně přitahují okolní hmotu, která je akustickými oscilacemi dále zahřívána a stlačována 2. vrchol - z doby před oddělením záření od látky; některé hustší oblasti dosáhly max. teploty a začaly se tlakem záření rozpínat a ochlazovat (proti gravitaci) Poměr 1. a 2. vrcholu => poměr baryonové a fotonové složky ve vesmíru Baryonové akustické oscilace BAO (Baryonic Acoustic Oscillations) = pravidelné periodické fluktuace v hustotě viditelné baryonické hmoty (způsobeno akustickými vlnami v raném vesmíru) původní fluktuace v reliktním záření => velkorozměrové struktury vesmíru BAO slouží jako "standardní pravítko" pro délkovou škálu v kosmologii (délka -490 Mly v dnešním vesmíru) měření BAO - pomoc při pochopení podstaty skryté energie (akcelerace vesmíru) stanovením mezí kosmologických parametrů -0.2 -0.4 - Další pozorování Temná hmota řada experimentů už probíhá - Kanada, Itálie, Španělsko, USA; detekce - skrytá hmota v Galaxii tvořena WIMPy (Weakly Interacting Massive Particles) => tisíce WIMPů musí procházet každým cm2 Země za 1s Kosmická neutrina snaha o detekci neutrinového záření kosmického pozadí (podobné reliktnímu mikrovlnnému záření, ale z doby 2 s po VT) => okno do velmi raného vesmíru problém: taková neutrina nyní velmi chladná (1.95 K) => přímo prakticky nepozorovatelná Gravitační vlny kosmické gravitační vlny pozadí - pozůstatek kosmické inflace možnosti měření - přímo i nepřímo zkoumáním polarizace CMB BICEP3, řada detektorů grav. vln LISA, Virgo, GEO 600, TAMA 300 ... NASA - PICO (Probe of Inflation and Cosmic Origins) předpokládaný start 2029 26 % temná hmota Současný vesmír Temná hmota, temná eneraie Cr&dit Uii vťiiity oř Takyo/NAQu 3D mapa rozložení temné hmoty ve vesmíru (Miyazaki et al. 2018) N. Jeffrey; Dark Energy Survey Colaboration Dark Mailer map from DES observations