Obecná teorie relativity. Ústav teoretické fyziky Matematicko-fyzikální fakulta Univerzita Karlova v Praze

Podobné dokumenty
Epilog: Ústav teoretické fyziky Matematicko-fyzikální fakulta Univerzita Karlova v Praze PMF

LIGO, VIRGO, LISA. Ústav teoretické fyziky Matematicko-fyzikální fakulta Univerzita Karlova v Praze PMF

Nobelovy ceny za fyziku 2011 a 2006

Obecná teorie relativity pokračování. Petr Beneš ÚTEF

Kroužek pro přírodovědné talenty při Hvězdárně Valašské Meziříčí Lekce XXX. Kosmologie

Černé díry: brány k poznávání našeho Vesmíru

Reliktní záření a jeho polarizace. Ústav teoretické fyziky a astrofyziky

po kosmologii 20. století

Gravitační vlny. Jaroslav Reichl, SPŠST Panská, Praha inspirováno přednáškou Jiřího Podolského, MFF UK Praha

Einsteinovy gravitační vlny poprvé zachyceny

Vesmír. Studijní text k výukové pomůcce. Helena Šimoníková D

Funkce expanze, škálový faktor

O tom, co skrývají centra galaxíı. F. Hroch. 26. březen 2015

Gravitační vlny detekovány! Gravitační vlny detekovány. Petr Valach ExoSpace.cz Seminář ExoSpace.

VY_32_INOVACE_FY.19 VESMÍR

Aktuality ze světa gravitačních vln

pohyb hvězdy ve vesmírném prostoru vlastní pohyb hvězdy pohyb, změna, souřadné soustavy vzhledem ke stálicím precese,

Přímá detekce gravitačních vln historické souvislosti i detaily ohlášeného objevu

Gravitační vlny. Letní škola matiky a fyziky Štěpán Kolář. Matematicko-fyzikální fakulta Univerzity Karlovy v Praze. 12.

Naše představy o vzniku vesmíru

Kosmologické kapitoly. FY2BP_KOS2 Vybrané kapitoly z kosmologie FY2BP_KOSM Kosmologie podzim 2016

Černé díry ve vesmíru očima Alberta Einsteina

Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/ Elektronická podpora zkvalitnění výuky CZ.1.07 Vzděláním pro konkurenceschopnost

Úvod do moderní fyziky. lekce 7 vznik a vývoj vesmíru

Struktura a vývoj vesmíru. Úvod: kosmologie jako věda o vesmíru jako celku

Urychlení KZ. Obecné principy, Fermiho urychlení, druhý řád, první řád, spektrum

GRAVITAČNÍ VLNY. Zakřivení času a prostoru. Jak vypadají gravitační vlny?

O tom, co skrývají centra galaxíı. F. Hroch. 10. duben 2009

Vesmír - z ruského slova весь мир (ves mir celý svět ) z doby národního. Kosmos - z řeckého κόσμος = ozdoba, šperk; později také vše uspořádané,

Vznik této prezentace byl podpořen projektem CZ.1.07/2.3.00/ Tato prezentace slouží jako vzdělávací materiál.

Kosmologické kapitoly. Jan Novotný, Jindřiška Svobodová Pedagogická fakulta Masarykova universita, Brno,

Vesmír - z ruského slova весь мир (ves mir celý svět ) z doby národního. Kosmos - z řeckého κόσμος = ozdoba, šperk; později také vše uspořádané,

Batse rozložení gama záblesků gama záblesků detekovaných družicí BATSE v letech Rozložení je isotropní.

Fyzikální vzdělávání. 1. ročník. Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník. Implementace ICT do výuky č. CZ.1.07/1.1.02/ GG OP VK

Za hranice současné fyziky

České Vysoké Učení Technické v Praze Fakulta Elektrotechnická. Astrofyzika. Petr Kubašta. Vypracované otázky od Milana Červenky (verze z 14.5.

Kvadrát celková energie částice je dána součtem kvadrátu její kinetické energie a kvadrátu klidové energie v důsledku její hmotnosti,


Jak se pozorují černé díry?

Járovy experimentální laboratoře. prof. PhDr. MUDr. MVDr. Ing. Mgr. Pavel Jež, DrSc., BDP JNV. doc. PeadDr. Ing. Arch. Bc. Jan Prehradný, CSc.

Vznik vesmíru (SINGULARITA) CZ.1.07/1.1.00/ Zpracovala: RNDr. Libuše Bartková

Einsteinových. podle množství. dá snadno určit osud vesmíru tři možné varianty

Vzdálenosti ve vesmíru

Urychlování částic ve vesmíru aneb záhadné extrémně energetické kosmické záření

Korekce souřadnic. 2s [ rad] R. malé změny souřadnic, které je nutno uvažovat při stanovení polohy astronomických objektů. výška pozorovatele

O PLEŠATOSTI ČERNÝCH DĚR

ČLOVĚK A ROZMANITOST PŘÍRODY VESMÍR A ZEMĚ. GRAVITACE

B. Hvězdy s větší hmotností spalují termojaderné palivo pomaleji,

Klíčová slova Kosmologie, obecná relativita, Hubbbleova konstanta;výklad. Key words Cosmology; General Relativity, Hubble constant,explanation.

Kosmologie II. Zdeněk Mikulášek, Základy astronomie + U3V, 10. května 2018

Všechny galaxie vysílají určité množství elektromagnetického záření. Některé vyzařují velké množství záření a nazývají se aktivní.

9. Astrofyzika. 9.4 Pod jakým úhlem vidí průměr Země pozorovatel na Měsíci? Vzdálenost Měsíce od Země je km.

Tajemné gravitační vlny podařilo se je konečně ulovit?

Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/

Gymnázium Dr. J. Pekaře Mladá Boleslav

Projekt Brána do vesmíru. Hvězdárna Valašské Meziříčí, p. o. Krajská hvezdáreň v Žiline

Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/

Proč studovat hvězdy? 9. 1 Úvod Energetické úvahy Zjednodušení použitá při konstrukci sférických modelů Model našeho Slunce 15

V příspěvku představím kurz Kosmologie, který nabízíme studentům učitelství Kosmologie se vždy dotýkala témat, která jsou i doménou filozofie,

Virtual Universe Future of Astrophysics?

Příklady Kosmické záření

Úvod do moderní fyziky. lekce 1 speciální a obecná teorie relativity

Temná hmota ve vesmíru

Astronomie, sluneční soustava

Hvězdy se rodí z mezihvězdné látky gravitačním smrštěním. Vlastní gravitací je mezihvězdný oblak stažen do poměrně malého a hustého objektu

Chemické složení vesmíru

Jak najdeme a poznáme planetu, kde by mohl být život?

KATAKLYZMICKÉ UDÁLOSTI. 10. lekce Bára Gregorová a Vašek Glos

Astronomie. Astronomie má nejužší vztah s fyzikou.

Hvězdný vítr. Ústav teoretické fyziky a astrofyziky Masarykova univerzita, Brno

Dějiny vesmíru. v kostce. Zdeněk Mikulášek, Ústav teoretické fyziky a astrofyziky Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně

Úvod do nebeské mechaniky

VYBRANÉ PARTIE SOUČASNÉ FYZIKY

Kosmické záření a astročásticová fyzika

Mgr. Jan Ptáčník. Astronomie. Fyzika - kvarta Gymnázium J. V. Jirsíka

Pokroky matematiky, fyziky a astronomie

Fyzika, maturitní okruhy (profilová část), školní rok 2014/2015 Gymnázium INTEGRA BRNO

Exoplanety. Lekce 14 Lenka Zychová, Miroslav Jagelka

Vesmírné perpetuum mobile. Zdeněk Mikulášek, Ústav teoretické fyziky a astrofyziky MU

Jiří Grygar: Velký třesk za všechno může... 1/ 22

VY_32_INOVACE_06_III./19._HVĚZDY

Extragalaktické novy a jejich sledování

Úloha IV.4... ach ta tíže

VZNIK FYZIKY, CHEMIE A BIOLOGIE, ANEB VELKÝ TŘESK ZA VŠECHNO MŮŽE

Relativistické jevy při synchronizaci nové generace atomových hodin. Jan Geršl Český metrologický institut

VESMÍR, SLUNEČNÍ SOUSTAVA

Temná energie realita nebo fikce?

Česká zrcadla pod Andami. Martin Vlček

O původu prvků ve vesmíru

6c. Techniky kosmické geodézie VLBI Aleš Bezděk

VESMÍR Hvězdy. Životní cyklus hvězdy

Základní jednotky v astronomii

11 milionů světelných let od domova...

Gravitační vlny a jejich detektory

Theory Česky (Czech Republic)

pohybu částic v rovinných vlnách. Byly nalezeny nové zákony zachování v kosmologii a hamiltonovská teorie pro

Naše Galaxie dávná historie poznávání

Urychlovače na nebi a pod zemí, aneb Velký třesk za všechno může

B) výchovné a vzdělávací strategie jsou totožné se strategiemi vyučovacího předmětu Fyzika.

Objev gama záření z galaxie NGC 253

Transkript:

Obecná teorie relativity a dnešníí obraz vesmíru p. 1/24 Obecná teorie relativity a dnešní obraz vesmíru Jiří Podolský Ústav teoretické fyziky Matematicko-fyzikální fakulta Univerzita Karlova v Praze Velké Meziříčí 24. 8. 2010

Obecná teorie relativity a dnešníí obraz vesmíru p. 2/24 Obecná teorie relativity a dnešní obraz vesmíru aneb Einsteinova teorie gravitace a její astronomické aplikace

Obecná teorie relativity a dnešníí obraz vesmíru p. 3/24 obecná relativita alias Einsteinova teorie gravitace Albert Einstein Praha (duben 1911 červenec 1912) Curych (červenec 1912 březen 1914) Berlín listopad 1915: prostor ani čas nejsou neměnné, protože hmota je deformuje geometrie prostoročasu je určena hmotným obsahem a naopak, podstatou gravitačních jevů je že hmota se volně pohybuje v neeuklidovské geometrii Einsteinovy rovnice gravitačního pole: R µν 1 2 R g µν + Λg µν = 8πG c T 4 µν metrika geometrie tenzor energie-hybnosti hmota Massimiliano Fuksas, 2005 (Nový veletržní areál, Milán, Itálie)

Obecná teorie relativity a dnešníí obraz vesmíru p. 4/24 testy obecné teorie relativity klasické testy: dodnes stovky dalších precizních ověření, například: ohyb paprsků (1,75 ) stáčení orbit (43 ) rudý posuv testy slabého principu ekvivalence testy PPN parametru γ zdroj: Clifford M. Will, Living Rev. Relativity, 9 (2006) 3

Obecná teorie relativity a dnešníí obraz vesmíru p. 5/24 dnešní experimentální hodnoty PPN parametrů parametr horní mez efekt měření γ 1 4 10 4 ohyb paprsků radiointerferometrie 2 10 5 časové zpoždění sledování Cassini β 1 3 10 3 stáčení perihelia helioseismologie ξ 10 3 pozemské slapy gravimetrie α 1 10 4 polarizace orbit vzdálenost Měsíce α 2 4 10 7 precese spinu rotace Slunce α 3 4 10 20 zrychlení pulsarů statistika P pulsarů ζ 2 4 10 5 binární pulsary P pro PSR 1913+16 ζ 3 10 8 Newtonův 3. zákon zrychlení Měsíce γ míra zakřivení prostoročasu β míra nelinearity pole ξ privilegovanost míst α i privilegovanost směrů parametrický post-newtonovský formalizmus (Nordtvedt a Will) obecná relativita: všechny parametry jsou přesně 0 ζ i nezachování celkové hybnosti

Obecná teorie relativity a dnešníí obraz vesmíru p. 6/24 binární pulsary systém dvou neutronových hvězd obíhajících velmi blízko sebe významné testy obecné relativity v silných gravitačních polích: stáčení dráhy: přibližování po spirále: PSR B1913+16 (1974) 4,2 za rok 3,5 m za rok PSR J0737+3039 (2003) 16,9 za rok 2,6 m za rok

Obecná teorie relativity a dnešníí obraz vesmíru p. 7/24 dvojitý pulsar PSR J0737+3039 obě složky pozorujeme jako pulsary, navíc dochází k zákrytům! unikátní relativistická laboratoř: m A = 1,337 M m B = 1,250 M T = 2,454 hod e = 0,087779 i = 88 a = 878 tis. km zákryt 30 s když A prochází za B mapování magnetosféry P A = 0,023 s P B = 2,773 s stáčení dráhy 16,9 za rok přibližování po spirále 2,6 m za rok rudý posuv rotační periody 0,38 ms časové zpoždění 90 µs geodetická precese rotačních os: perioda 75 let (A) a 71 let (B) závěr: Einsteinově teorii můžeme zatím opravdu důvěřovat

Obecná teorie relativity a dnešníí obraz vesmíru p. 8/24 hlavní aplikace obecné teorie relativity kosmologie: globální modely vesmíru studium struktury a evoluce kosmu černé díry: relativistická astrofyzika supernovy, akreční disky obří černé díry v centrech galaxií gravitační čočky gravitační vlny: kosmologické i astrofyzikální rozvlnění prostoročasové geometrie vzniklé při explozích, kolapsech a srážkách

Obecná teorie relativity a dnešníí obraz vesmíru p. 9/24 kosmologie dnešní model vesmíru: FLRW ΛCDM globálně homogenní a izotropní prostor expandující 13,7 mld let z velkého třesku dnes dominantní kosmologická konstanta (72 %) a nebaryonová temná hmota (23 %)

Obecná teorie relativity a dnešníí obraz vesmíru p. 10/24 stručné dějiny kosmologie 20. století první modely a pozorování (1917-1929) Einstein (1917): model statického vesmíru zavedení Λ jako antigravitace de Sitter (1917): rozpínající se prázdný vesmír s Λ Friedmann (1922): model rozpínajícího se vesmíru s hmotou Lemaître (1927): prvotní atom - zrod teorie velkého třesku Hubble a Humason (1929): rudý posuv spekter galaxií vesmír se rozpíná souboj teorií velkého třesku a stacionárního vesmíru (1949-1965) Gamow, Alpher, Herman versus Hoyle, Gold, Bondi pochopení nukleosyntézy prvků: (30.-50. léta) zpřesnění stáří vesmíru: Baade (1952), Sandage (1958) prokázání evoluce vesmíru: rádiové galaxie Ryle (1961), kvasary Schmidt (1963) existence reliktního mikrovlnného záření: Penzias a Wilson (1965) triumf teorie velkého třesku a obecné teorie relativity souhlasí s řadou nezávislých přesných pozorování struktura a stáří kosmu, zastoupení prvků, reliktní záření: COBE (1989), WMAP (2001)

Obecná teorie relativity a dnešníí obraz vesmíru p. 11/24 přesné prostoročasy v kosmologii FLRW modely (Friedmann Lemaître Robertson Walker a další, 20. léta): prostor je homogenní a izotropní (má 6 symetrií) konstantní křivost ( ) dr ds 2 = dt 2 + R 2 2 (t) 1 k r 2 + r2 ( dθ 2 + sin 2 θ dφ 2 ) expanze vesmíru popsána funkcí R(t), jež řeší rovnici ( prach typická řešení: ( Ṙ R ) 2 Λ = 3 k R 2 + 8π 3 k = 0,+1, 1 odpovídá geometrii E 3, S 3, H 3 R 3 + záření R 4 kosmologická křivost hustota hmoty konstanta prostoru q expanze z velkého třesku v R = 0 (singularita), R(t ) exp ) Λ 3 t

Obecná teorie relativity a dnešníí obraz vesmíru p. 12/24 struktura, evoluce a zánik hvězd bílý trpaslík neutronová hvězda černá díra planetární mlhovina Helix supernova 1987A schéma binární soustavy výbuch supernovy Tychonova supernova (1572) Keplerova supernova (1604)

Obecná teorie relativity a dnešníí obraz vesmíru p. 13/24 černé díry jsou v centru většiny galaxií velká rychlost pohybu hvězd blízko centra naší Galaxie (Sgr A ): zdroj: Ghez et al. (2008) zdroj: Gillessen et al., ApJ, 692 (2009) 1075 v centru Galaxie je černá díra hmotnosti 4 10 6 M

Obecná teorie relativity a dnešníí obraz vesmíru p. 14/24 kvasary objeveny v roce 1963 (3C 273) nedávno prokázáno, že kvasary jsou jádra nesmírně vzdálených aktivních galaxií:

Obecná teorie relativity a dnešníí obraz vesmíru p. 15/24 aktivní galaxie s výtrysky Centaurus A NGC4261 M87 centrum kvasaru či aktivní galaxie: obří černá díra + akreční disk + výtrysky 10 9 M

Obecná teorie relativity a dnešníí obraz vesmíru p. 16/24 přesné černoděrové prostoročasy Schwarzschild (1916): hmotnost m (sféricky symetrické gravitační pole) ds 2 = 1 2m «dt 2 + 1 2m «1 dr 2 + r 2 (dθ 2 + sin 2 θ dφ 2 ) r r Reissner Nordström (1916,18): náboj e ««1 ds 2 2mr e2 = 1 + dt 2 2mr e2 + 1 + dr 2 + r 2 ( dθ 2 + sin 2 θ dφ 2 ) r 2 Kerr (1963): rotace a (axiálně symetrické stacionární pole) ds 2 = «2 dt ρ 2 asin 2 θ dφ + ρ2 dr2 + ρ 2 dθ 2 + sin2 θ ρ 2 adt (r 2 + a 2 ) dφ = r 2 + a 2 2mr, ρ 2 = r 2 + a 2 cos 2 θ r 2 «2 Schwarzschild Reissner Nordström Kerr

Obecná teorie relativity a dnešníí obraz vesmíru p. 17/24 gravitační čočky ohyb světelných paprsků v okolí hmotných objektů: dnes běžná astronomická pozorovací technika: umožňuje mapovat rozložení hmoty (včetně nesvítící), pozorovat vzdálené galaxie a kvasary, objevovat exoplanety atd.

Obecná teorie relativity a dnešníí obraz vesmíru p. 18/24 gravitační vlny periodické změny křivosti prostoročasu šířící se rychlostí světla Einstein (1916), řešení linearizovaných rovnic: příčné vlny, 2 polarizace vlnostroj Concentric Wave, Martin Smith, 2007 (Harley Gallery, Welbeck, Anglie)

Obecná teorie relativity a dnešníí obraz vesmíru p. 19/24 zdroje gravitačních vln každý zrychlený nesférický pohyb hmoty, zejména: kompaktní dvojhvězdy supernovy velký třesk gravitační vlny jsou nesmírně slabé: h = L L < 10 21

Obecná teorie relativity a dnešníí obraz vesmíru p. 20/24 PSR B1913+16: nepřímý důkaz gravitačních vln pulsar v těsném dvojném systému, sledovaný od roku 1974: binární systém s PSR B1913+16 vyzařuje gravitační vlny apoastrum pulsar 1,441M centrum 1,387 M periastrum T = 7,751939 hod e = 0,617134 i = 47,2 a = 1,92 mil. km min 0,7 mil. km max 3,1 mil. km obě neutronové hvězdy se spirálovitě přibližují o 3,1 mm při každém oběhu zkracování T o 76 µs/rok, protože gravitační vlny odnášejí energii pozorování zcela souhlasí s předpovědí teorie relativity: chyba menší než 0,2% Hulse a Taylor: Nobelova cena za fyziku, 1993 zdroj: Weisberg J. M. a Taylor J. H., ASP Conf. Ser., 328 (2005) 25

Obecná teorie relativity a dnešníí obraz vesmíru p. 21/24 detektory gravitačních vln interferometry kilometrových rozměrů LIGO (Hanford, USA) VIRGO (Pisa, Itálie) cíl: přímo změřit vlny křivosti generované vzdálenými vesmírnými objekty

Obecná teorie relativity a dnešníí obraz vesmíru p. 22/24 detekce gravitačních vln: příběh s otevřeným koncem citlivost detektorů stále roste, již je lepší než 10 21 : gravitační vlny přesto zatím detekovány nebyly...

Obecná teorie relativity a dnešníí obraz vesmíru p. 23/24 současný stav a výhledy od r. 2002 uskutečnil LIGO, VIRGO a další detektory 5 cyklů vědeckých měření S1-S5 poslední analyzované S5 (11/2005-9/2007) 2008: Enhanced LIGO 2x citlivější laser 35W nyní probíhá měření S6 (7/2009-12/2010) 2014: Advanced LIGO 8x citlivější laser 180W, zrcadla 40 kg h 10 23 další naděje: LISA v kosmickém prostoru obří interferometr ESA a NASA 3 družice ve vrcholech trojúhelníka strany 5 milionů km oběh kolem Slunce 1 AU, sklon 60 bezsilová trajektorie

Obecná teorie relativity a dnešníí obraz vesmíru p. 24/24 LISA testovací tělesa: krychle 46 mm (Pt a Au) korekční trysky o tahu µn lasery 1 W, Cassegrainovy teleskopy 40 cm frekvenční rozsah 0,1 mhz 0,1 Hz 1,5 miliardy eur rok 2020? technologický průkopník LISA Pathfinder (Předvoj LISY): librační bod L1 1,5 mil km od Země roční mise start 2011 držme palce...