Něco z astronomie aneb Kosmologie, pozorování a astročásticová fyzika

Transkript

1 Něco z astronomie aneb Kosmologie, pozorování a astročásticová fyzika 29. listopadu 2012 Michael Prouza Fyzikální ústav AV ČR

2

3 Klasický pohled na vývoj vesmíru Fridmanovo řešení Einsteinových rovnic ( ) podle množství hmoty (a energie) se dá snadno určit osud vesmíru tři možné varianty vývoje

4 Parametry vítězného modelu v současné době vítězí model CDM kosmologie ( concordance model, model shody) vznikl horkým velkým třeskem vesmír je plochý, obsahuje přesně kritické množství hmoty a energie, jeho rozpínání se zrychluje s po velkém třesku nastalo období inflace, kdy se díky kvantovým fluktuacím utvořily počáteční nehomogenity vesmíru nezbytné pro vznik všech struktur k pozorované kritické hustotě přispívá ze dvou třetin temná energie (patrně kosmologická konstanta), z jedné třetiny temná hmota, zářící hvězdy tvoří zhruba půl procenta

5 Parametry vítězného modelu II hmota je tvořena především nebaryonickou chladnou temnou hmotou - (27±2) % kritické hustoty, baryony (temná i zářící) hmota pak tvoří (4,5±0,2) %, neutrina tvoří nejvýše 5 % kritické hustoty, nejspíš ale jen kolem 0,3 % stáří vesmíru je 13,7±0,1 Gyr Hubblova konstanta má hodnotu (70,5±1,5) km.s -1.Mpc -1

6 Hubblova konstanta H 0...

7 Reliktní záření

8 Reliktní záření Patrně největšího experimentálního pokroku bylo dosaženo na poli pozorování teplotních fluktuací reliktního záření; motivace:

9 Měření teplotních fluktuací reliktního záření COBE vs. WMAP

10 První výsledky sondy PLANCK 6. července 2010

11 Multipólový rozvoj rozviňme do kulových funkcí: dvoubodová korelační funkce může být rozvinuta do Legendrových polynomů kde platí vztah:

12 Multipólový rozvoj

13 Hmota ve vesmíru

14 Hmota ve vesmíru

15

16 Neznámé, hypotetické a podivné kandidáti na temnou hmotu

17 DAMA

18 ATIC

19 Temná energie díky pozorováním z posledních let byla oživena idea kosmologické konstanty, největšího omylu Einsteinova života - důkazy o nenulové přináší nejvýrazněji pozorování supernov typu Ia, dále pak CMB, gravitačních čoček,... Nobelova cena v roce 2011! (Perlmutter, Riess, Schmidt)

20 Temná energie II Einsteinova rovnice s kosmologickou konstantou: důležitá je stavová rovnice: kosmologická konstanta je obvykle interpretována jako vnitřní energie vakua, dle kvantové teorie pole můžeme chápat prázdný prostor jako nekonečně mnoho harmonických oscilátorů; odřezáváme módy pro energie vyšší, než je platnost užívané teorie rozdíl 120 řádů! (největší chyba ve fyzice vůbec)

21 Temná energie a pátá síla výsledky družice WMAP po 5 letech pozorování: parametr w: kvintesence, pátá síla

22 Cyklický (ekpyrotický) vesmír (brane cosmology - bránová kosmologie) aplikace strunových teorií v kosmologii 11 dimenzí celkem, 6 svinutých, kompaktifikovaných, žijeme v 5-rozměrném bulku (rozvinutém objemu), náš čtyřrozměrný časoprostor je nazýván brane (membrána) a pohybuje se podél páté dimenze namísto velkého třesku vznikl vesmír srážkou dvou membrán: ekpyrotický vesmír, v poslední době nazýván cyklický vesmír motivace - extra dimenze řeší problém hierarchie - E PL >> E EW, po srážce dvou membrán dochází přirozeně k období nadsvětelné expanze - k inflaci

23 100 let kosmického záření od balónových letů... po Observatoř Pierra Augera

24 Co je kosmické záření a jaké má spektrum? Nejzajímavější je kosmické záření s extrémně vysokými energiemi, tedy většími než 3 x ev. Rekordní událost: Detektor Fly s Eye, Utah, USA, 15. října x ev 50 J Simon Swordy, 1996

25 Samovolné vybíjení lístkového elektroskopu jev známý od konce 18. století

26 7. srpna 1912 Viktor Franz Hess

27 Julius Elster, Hans Geitel

28 1912 Hessův elektroměr a Hessovo měření

29 1938 Pierre Auger

30 Jak se kosmické záření extrémních energií detekuje? Text Primární částice přilétající z vesmíru (proton nebo jádro atomu) interaguje v zemské atmosféře Počet sekundárních částic je úměrný energii primární částice Relativní časy detekce jednotlivých sekundárních částic nesou informaci o směru primární částice Síť povrchových detektorů vzorkuje a zaznamenává sekundární kosmické záření. Typy detektorů: sítě pozemních detektorů and fluorescenční teleskopy Při srážkách s molekulami v atmosféře postupně vzniká sprška sekundárních částic.

31 Povrchové detektory: Pokrytá plocha: 3000 km 2 Počet detektorů: >1600 Typ detektorů: Čerenkovovy detektory, každý obsahuje ultračisté vody a je vybaven 3 fotonásobiči. Rozteč mezi detektory: 1,5 km. Povrchové detektory

32

33 Fluorescenční teleskopy: Počet teleskopů: 24 Zrcadla: 3.6 m x 3.6 m, zorné pole 30º x 30º, každý teleskop je vybaven 440 fotonásobiči. Fluorescenční detektor

34 Hybridní detektor Vědecká data z Observatoře od konce roku 2003.

35

36 Atmosférický monitoring Central Laser Facility Vliv atmosféry na celkovou chybu měření LIDAR

37 Spektrum Observatoře Pierra Augera Podle arxiv:

38 Chemické složení Dvě možnosti (které mohou být pravdivé zároveň): 1.) Kosmické záření je na vysokých energiích těžší 2.) Hadronické modely na extrémně vysokých energiích nefungují přesně

39 Objev roku 2008 shoda směrů příchodu kosmického záření a poloh nejbližších aktivních galaxií. Černé tečky směry příchodů KZ s E > 55 EeV Modrá kolečka aktivní galaktická jádra (AGN) ve vzdálenosti < 75 Mpc

40 Seyfertovy galaxii jsou nejběžnější v našem okolí.

41 Nicméně opatrnost je namístě Červené kroužky (opět) AGN bližší než 75 Mpc Černé tečky všechny galaxie bližší než 75 Mpc (HyperLEDA catalogue) Prostorové rozložení galaxií (a hmoty obecně)matter in general) je velmi dpoboné jako pro AGN!

42

43 Virgo cluster Centaurus cluster

44 Nejvýznamnější kandidát Cen A jediný solidní kandidát astrofyzikáního zdroje EE KZ nejbližší AGN (4 Mpc) zdroj fotonů do škály TeV AUGER: přebytek událostí 12 událostí do 18, 2,7 události očekáváno, pravděpodobnost 2%

45 Urychlovače na nebi a pod zemí, aneb Velký třesk za všechno může (slajdy podle přednášky J. Grygara)

46 Cesta do mikrosvěta 1895 W. Röntgen: paprsky X 1896 H. Becquerel: radioaktivita uranu 1897 J.J. Thomson: elektrony W. Röntgen 1898 M. + P. Curieovi: paprsky (radium) H. Becquerel J.J. Thomson Marie a Pierre Curie

47 1900 M. Planck: záření černého tělesa 1901 W. Thomson (lord Kelvin): kladný náboj jádra atomu? W. Thomson 1905 A. Einstein: Brownův pohyb (molekuly, atomy); Fotoefekt (fotony); L = m.v 2 M. Planck A. Einstein

48 E. Rutherford N. Bohr E. Schrödinger 1903 E. Rutherford: částice = ionty He 1911 C. Wilson mlžná komora (náboj i energie částic) 1911 E. Rutherford: jádra atomů jsou nepatrná 1913 N. Bohr: model atomu H J. Chadwick, E. Rutherford: transmutace prvků M. Born, W. Heisenberg, E. Schrödinger: kvantová mechanika

49 1928 G. Gamov: tunelový jev P. Dirac, C. Anderson: antičástice (pozitron) 1931 W. Pauli: neutrino (prokázáno 1956) 1932 I. Tamm, W.Heisenberg, J. Chadwick: neutron P. Dirac W. Heisenberg J. Chadwick W. Pauli

50 1929 E. Lawrence: první urychlovač částic (cyklotron) 1934 P. Blackett: vznik a zánik párů pozitronelektron 1938 O. Hahn, L. Meitnerová, F. Strassmann: jaderné štěpení uranu bombardováním neutrony 1942 E. Fermi: jaderný štěpný reaktor 1951 E. Teller: termonukleární exploze D a T E. Lawrence E. Fermi O. Hahn

51 1957 C. Yang, T. Lee: narušení parity slabé interakce S. Glashow, A. Salam, S. Weinberg: elektroslabá interakce S. Glashow 1963 M. Gell-Mann, G. Zweig: kvarky 1983 C. Rubbia, S. van der Meer: intermediální bosony A. Salam M. Gell-Mann C. Rubbia S. van der Meer S. Weinberg

52 Urychlovače pod zemí vstřícné svazky, investice řádu miliard euro 1983 Tevatron (Fermilab) protony x antiprotony: 1 TeV 1989 LEP (CERN) elektrony x pozitrony: 200 GeV 2008 LHC (CERN) protony x antiprotony: 10 TeV

53 Standardní model 6 vůní kvarků (antikvarků): d, u, s, c, b, t elektrický náboj -1/3 nebo +2/3; 3 barvy, uvěznění v hadronech: baryony ze 3 kvarků, mezony z párů kvark-antikvark 6 leptonů (antileptonů): neutrina e,, ; elektron, mion, tauon

54 Čtyři síly, které vládnou vesmíru Gravitační Elektromagnetická Silná jaderná Slabá jaderná ~ daleký dosah ~ m <10-16 m universální elektricky nabité kvarky (barva) (vůně) gravitony fotony gluony interm. bosony galaxie atomy a molekuly jádra atomů radioaktivita

55 Cesta do megasvěta 1915 A. Einstein: obecná teorie relativity A. Fridman, G. Lemaître: modely vesmíru 1925 E. Hubble (Mt. Wilson): galaxie = vesmírné ostrovy 1925 C. Gapoškinová: Slunce je z 98% z vodíku a hélia A. Fridman G. Lemaître E. Hubble C. Gapoškinová

56 F. Zwicky H. Bethe F. Hoyle W. Baade 1929 E. Hubble: červený posuv úměrný vzdálenostem: vesmír se rozpíná! 1933 F. Zwicky: skrytá látka (dark matter) v kupách galaxií 1934 F. Zwicky, W. Baade: objev supernov 1939 H. Bethe: termonukleární energie ve hvězdách 1948 G. Gamov: žhavý velký třesk G. Gamov 1957 G. a M. Burbidgeovi, W. Fowler, F. Hoyle: vznik chemických prvků ve hvězdách (C Fe), resp. při explozích supernov (Cu U)

57 1963 M. Schmidt: kvasary (černé veledíry) 1965 A. Penzias, R. Wilson: mikrovlnné reliktní záření 1968 J. Bellová- Burnellová, A. Hewish: pulsary (rychle rotující neutronové hvězdy) 1973 R. W. Klebesadel aj.: zábleskové zdroje záření gama 1976 J. Trümper aj.: neutronové hvězdy s magnetickým polem 100 MT 1979 D. Walsh aj.: kvasar zobrazený gravitační čočkou 1981 A. Guth: inflační fáze ve velmi raném vesmíru 1987 M. Koshiba: detekce neutrin ze supernovy 1987A ve Velkém Magellanově mračnu

58 1993 MACHO, OGLE, EROS: gravitační mikročočky 1994 Hubblův kosmický teleskop v plném provozu 1998 A. Riess aj., S. Perlmutter aj.: skrytá energie 2002 WMAP, 2dF, SDSS: stáří vesmíru je 13,5 miliardy let 2004 HUDF: pohled do nejvzdálenějších hlubin vesmíru

59 Urychlovače na nebi 1912 V. Hess: objev kosmického záření 1 ev ~ J 1938 P. Auger: energie až 1 PeV, zdroj neznámý 1942 Slunce: 100 MeV 10 GeV 1949 E. Fermi: urychlování v supernovách do 10 PeV 1991 D. Bird aj. (Utah): rekordní energie 320 EeV (51 J) P. Auger V. Hess

60 Možné zdroje uvnitř Galaxie: supernovy, pulsary, magnetary (pole až 100 GT), hvězdné černé díry Možné zdroje mimo Galaxii: aktivní jádra galaxií, kvasary, zábleskové zdroje záření gama, rozpad exotických částic zbylých po velkém třesku?,??? (Hic sunt leones)

61 Velký třesk opravdu za všechno může sekundy: Planckův čas začíná fyzika: teplota K; energie částic ev; hustota kg/m 3 ; narušení supersymetrie (gravitace se oddělila od velkého sjednocení GUT), asymetrie hmoty a antihmoty (narušení parity?) v poměru ( )/10 9

62 18 / sekundy: kosmologická inflace rozepnutí krát! volné kvarky, leptony a fotony: energie < ev, teplota < K narušení GUT (silná jaderná síla se oddělila od elektroslabé) sekundy: éra hadronová narušení symetrie elektroslabé interakce na elektromagnetickou a slabou jadernou interakci energie 100 GeV, teplota 1 PK 0,1 milisekundy: éra leptonová energie 100 MeV, teplota 1 TK, hustota kg/m 3

63 0,1 sekundy: vesmír je průhledný pro neutrina hustota 10 7 kg/m 3 anihilace párů elektron-pozitron na záření gama 10 sekund: energie 500 kev, teplota 5 GK, hustota 10 4 kg/m 3 éra záření 3 minuty: vznik jader H/He = 3/1 (podle hmotnosti) dominuje reliktní záření

64 380 tisíc let: záření se odděluje od látky elektrony se slučují s atomovými jádry na neutrální atomy průhledný vesmír ztmavne šerověk (Dark Age) 200 mil. let: vznik I. generace velmi hmotných hvězd H/He výbuchy supernov začínají obohacovat vesmír o chemické prvky C U černé díry se slévají na zárodky kvasarů a jader galaxií 1 miliarda let: první galaxie a kupy galaxií, hvězdy II. generace

65 7 miliard let: rozpínání vesmíru se díky skryté energii začíná znovu zrychlovat 9 miliard let: vzniká Slunce a planetární soustava včetně Země 13,7 miliard let: pomalu končí tato přednáška

66 Ačkoliv se fyzika mikrosvěta a astronomie vydaly před sto lety opačným směrem, nedávno se podivuhodně sešly: stručné dějiny vesmíru lze popsat díky vzájemné interakci částicové fyziky a astronomických pozorování. Hloubení tunelu pod Mt. Blancem z italské a francouzské strany bez jakéhokoliv zaměření: bezešvé setkání vrtných souprav uprostřed astročásticová fyzika.