Co je nového v kosmologii 2019 Jan Novotný 1 Osnova •O čem je vědecká kosmologie. Kosmologický princip. Einsteinův vesmír. • •První revoluce v kosmologii. Červený posuv a rozpínání vesmíru. Základní rovnice. FLRW metrika. • •Druhá revoluce. Reliktní záření. Fluktuace. Rané fáze vývoje vesmíru. • •Třetí revoluce. Zrychlené rozpínání. Lambda CDM vesmír. Temná hmota a temná energie. • •Pochybnosti o temné hmotě a temné energii. • •První hvězdy. Nové poznatky. • •Gravitační vlny. Historie, objev, současný stav. 2 O čem je vědecká kosmologie. K. R. Popper: Každá věda je kosmologie. Kosmologie: věda o vesmíru. Vesmír: Největší soubor „věcí“, dostupných našemu poznání. Ale jakému? Teorii či empirii? Kosmologický princip: Vesmír je ve velkém měřítku homogenní a izotropní. Zrod vskutku vědecké kosmologie: 1917, Einsteinův statický vesmír https://en.wikipedia.org/wiki/Flammarion_engraving 3 První revoluce v kosmologii. https://en.wikipedia.org/wiki/Redshift#History 6 FLRW metrika homogenního a izotropního vesmíru vývoj vesmíru podle Einsteinových rovnic rudý posuv a pozorovatelné veličiny Objev rudého posuvu, rozpínání vesmíru Hubbleova konstanta decelerační parametr Druhá revoluce. 7 1978 Arno A. Penzias, Robert W. Wilson Nobel.cena za objev kosmického mikrovlnného reliktního záření [USEMAP] http://map.gsfc.nasa.gov/resources/camb_tool/index.html Druhá revoluce. Fotony si nesou ve své paměti, jak byla "hmota - plazma - vesmíru" rozložena v okamžiku oddělení. V případě, že se v okamžiku oddělení foton nacházel v hustší části prostoru, musel část své energie upotřebit na vymanění se z gravitačního působení, čímž se stal o něco chladnější. Fotony, které se nacházely v poněkud méně husté části vesmíru, ztratily méně energie než jiné fotony, tak objevují jako o něco teplejší, než je průměr. Tak lze výkyvy teplot fotonů v reliktním záření považovat za odraz formování prvotních struktur, přítomných v raném vesmíru. http://www.jb.man.ac.uk/distance/radio/course/images/sourcesII/cmbspec.gif Druhá revoluce 9 2006 John C. Mather, George F. Smoot Nobel.cena za objev černotělesové povahy a anizotropie reliktního záření Třetí revoluce. •Zrychlené rozpínání. • • 10 2011 Saul Pearlmutter, Brian P. Schmidt Adam C.Riess Nobelova cena za objev zrychlujícího se rozpínání vesmíru odhalený pozorováním vzdálených supernov Podle současných měření expanze vesmíru, zejména z projektu SPC (Supernova Cosmology Project), vychází hodnota kosmologické konstanty přibližně Λ = 2×10−52 m−2. Třetí revoluce 11 Temná hmota a temná energie. Lambda CDM vesmír. http://www.osel.cz/index.php?obsah=36 http://www.illustris-project.org/ Pochybnosti o temné hmotě a temné energii. 12 (Courtesy: Markus Haider/Illustris Collaboration) https://physicsworld.com/a/the-dark-energy-deniers/ Problém: Struktury Horizontu Plochosti Expanze Speciální počáteční podmínky, nebo inflace? Rozpíná se vesmír opravdu zrychleně? Je tím dokázána existence temné energie? Nejstarší fosilie Největší a nejmenší pozorované objekty První hvězdy. 13 první hvězdy nulté generace http://www.astronomy.com/news/2018/03/fingerprinting-the-very-first-stars Možný zdroj gravitačních vln http://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2016/02/gravitational_waves/1580663 0-2-eng-GB/Gravitational_waves_large.gif Gravitační vlny. 1993 Russell Alan Hulse a Joseph Hooton Taylor Nobelova cena za objev nového typu pulsaru, který otevřel nové možnosti pro studium gravitace Snaha o nepřímou detekci reliktních gravitačních vln observatoř BICEP (2014) na Jižní pólu - srovnání s měřením sondy Planck výsledky nepotvrdilo Sonda Planck výsledky nepotvrdila. Kde je problém? V prachu. Doslova. Co sonda Planck naměřila? Monitorovala oblohu na různých vlnových délkách a pečlivě část oblohy, kterou pozoroval BICEP2. Zjednodušeně můžeme říct, že Planck pozoroval rozptyl světla na prachových částicích – polarizaci. Ale nejednalo se o náš atmosférický prach, ale o prach mezihvězdný. Po pečlivé analýze vědci zjistili, že jakkoliv to na první pohled může vypadat nepřesvědčivě, na obloze není místo, které by bylo galaktického prachu prosté. Jakákoliv data a závěry z experimentu BICEP2 musí být opraveny o faktor, který započítává polarizaci na galaktickém prachu. A právě tenhle faktor nás ‘okrade’ o nadějné závěry z BICEP2. Družice Planck zjistila, že prach je všude, a že dokonce existují místa méně prašná, než část oblohy, kam zrovna mířil BICEP2. 2/26/2019 Laser Interferometry Gravitational-Wave Observator aLIGO 4 km dlouhá ramena https://media.giphy.com/media/3o6UB2IcnqwluDIXv2/giphy.gif Animace znázorňuje princip interferometrického detektoru LIGO. Zhoupnutí koncových zrcadel se projeví na interferenčním obrazci v detektoru. Ve skutečnosti jsou v ramenech další polopropustná zrcadla, která vytvoří rezonanční dutinu, v niž se laserový paprsek mnohokrát odráží 14.9.2015 3200 km. 3200 km. Hanford Livingstone 11. února 2016 Odhad místa spojení černých děr Aldebaran Bulletin, únor 2016 Petr Kulhánek: http://www.aldebaran.cz/bulletin/2016_06_gra.php Detekce gravitační vlny spolu s gama zářením vzniklým při splývání 2 neutronových hvězd. Astronomové si připisují jeden z největších vědeckých podařilo se detekovat nejen gravitační vlny, ale spolu s nimi i gama záření vzniklé při spojování dvou neutronových hvězd. K detekci došlo 17. srpna. Dosavadní záchyty 2/26/2019 https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_gravitational_wave_observations 2/26/2019 22 Řez kosmickou velkoplošnou strukturou v simulaci projektu Illustris. (2014) Jas udává hmotnostní hustotu a barva zobrazuje teplotu plynu obyčejné ("baryonické") hmoty. Zobrazená oblast -1,2 miliardy světelných let. Tenký řez kosmickou velkoplošnou strukturou v největší simulaci projektu IllustrisTNG. Jas obrazu udává hmotnostní hustotu a barva zobrazuje průměrnou teplotu plynu obyčejné ("baryonické") hmoty. Zobrazená oblast -1,2 miliardy světelných let. Základní simulace je v současnosti největší magneto-hydrodynamická simulace tvorby galaxií, obsahující více než 30 miliard objemových prvků a částic. Přečtěte si více na: https://phys.org/news/2018-02-astrophysicists-illustristng-advanced-universe-kind.html#jCp Zdroje: Ch.H. LINEWEAVER, Inflation and the CMB,University of New South Wales, Australia Keith COOPER, https://physicsworld.com/a/the-dark-energy-deniers/ Aldebaran Group for Astrophysics https://www.aldebaran.cz/astrofyzika/ https://phys.org/news/2018-02-astrophysicists-illustristng-advanced-universe-kind.html#jCp