Wszechświat Cząstek Elementarnych dla HumanistówEwolucja Wszechświata

Aleksander Filip Żarnecki

Wykład ogólnouniwersytecki

Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego

9 stycznia 2018

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 1 / 35

Wykład 13

1 Ogólna Teoria Względności

2 Efekt Dopplera i prawo Hubbla

3 Ewolucja Wszechświata

4 Gęstość materii we Wszechświecie

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 2 / 35

Granice stosowalności mechaniki klasycznej

Do tej pory mówiliśmy tylko o efektach relatywistycznych i kwantowych

Współczesna fizyka cząstek opisywana jest w języku Kwantowych TeoriiPola łaczących szczególną teorię względności z mechaniką kwantową

Ale odstępstwa od fizyki klasycznej wystepują też dla dużych obiektów...

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 3 / 35

Granice stosowalności mechaniki klasycznej

Do tej pory mówiliśmy tylko o efektach relatywistycznych i kwantowych

Współczesna fizyka cząstek opisywana jest w języku Kwantowych TeoriiPola łaczących szczególną teorię względności z mechaniką kwantową

Ale odstępstwa od fizyki klasycznej wystepują też dla dużych obiektów...A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 3 / 35

Wykład 13

1 Ogólna Teoria Względności

2 Efekt Dopplera i prawo Hubbla

3 Ewolucja Wszechświata

4 Gęstość materii we Wszechświecie

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 4 / 35

Wprowadzenie

GrawitacjaGawitacja jest najbardziej “widocznym” oddziaływaniem.Mimo to stosunkowo długo brak było spójnej teorii grawitacji.Bardzo długo nie dostrzegano związku między np. ruchem planet i lotemkuli armatniej.

Newton 1687Prawo powszechnego ciążenia:Każda cząstka we wszechświecie przyciąga każdą inną cząstkę siłąproporcjonalną do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalną dokwadratu odległości między nimi.

Fg = GN ·m1m2

r2

GN ≈ 6.67 · 10−11 m3

kg s

Nie widzimy oddziaływania między dwoma jabłkami, bo grawitacja zbyt słaba...

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 5 / 35

Wprowadzenie

GrawitacjaGawitacja jest najbardziej “widocznym” oddziaływaniem.Mimo to stosunkowo długo brak było spójnej teorii grawitacji.Bardzo długo nie dostrzegano związku między np. ruchem planet i lotemkuli armatniej.

Newton 1687Prawo powszechnego ciążenia:Każda cząstka we wszechświecie przyciąga każdą inną cząstkę siłąproporcjonalną do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalną dokwadratu odległości między nimi.

Fg = GN ·m1m2

r2

GN ≈ 6.67 · 10−11 m3

kg s

Nie widzimy oddziaływania między dwoma jabłkami, bo grawitacja zbyt słaba...

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 5 / 35

Wprowadzenie

GrawitacjaGawitacja jest najbardziej “widocznym” oddziaływaniem.Mimo to stosunkowo długo brak było spójnej teorii grawitacji.Bardzo długo nie dostrzegano związku między np. ruchem planet i lotemkuli armatniej.

Newton 1687Prawo powszechnego ciążenia:Każda cząstka we wszechświecie przyciąga każdą inną cząstkę siłąproporcjonalną do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalną dokwadratu odległości między nimi.

Fg = GN ·m1m2

r2 GN ≈ 6.67 · 10−11 m3

kg s

Nie widzimy oddziaływania między dwoma jabłkami, bo grawitacja zbyt słaba...

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 5 / 35

Wprowadzenie

GrawitacjaPrawo powszechnego ciążenia Newtona było bardzo proste, a jednocześnieuniwersalne. Tłumaczyło wszystkie znane nam zjawiska związane zoddziaływaniami grawitacyjnymi.

Uniwersalność praw natury widoczna też w podobieństwie do prawaCoulomba (oddziaływanie ładunków elektrycznych):

Fg = GN ·m1m2

r2 ⇔ Fel = k · q1q2

r2

W wiek XX wchodziliśmy z prostym i eleganckim opisem praktyczniewszystkich znanych zjawisk...

Jednak Einstein dostrzegł, że “powszechność” ciążenia stanowi problem wopisie grawitacji na dużych skalach - nie mamy “punktu odniesienia”względem którego moglibyśmy badać ruch ciał...

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 6 / 35

Wprowadzenie

GrawitacjaPrawo powszechnego ciążenia Newtona było bardzo proste, a jednocześnieuniwersalne. Tłumaczyło wszystkie znane nam zjawiska związane zoddziaływaniami grawitacyjnymi.

Uniwersalność praw natury widoczna też w podobieństwie do prawaCoulomba (oddziaływanie ładunków elektrycznych):

Fg = GN ·m1m2

r2 ⇔ Fel = k · q1q2

r2

W wiek XX wchodziliśmy z prostym i eleganckim opisem praktyczniewszystkich znanych zjawisk...

Jednak Einstein dostrzegł, że “powszechność” ciążenia stanowi problem wopisie grawitacji na dużych skalach - nie mamy “punktu odniesienia”względem którego moglibyśmy badać ruch ciał...

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 6 / 35

Wprowadzenie

GrawitacjaPrawo powszechnego ciążenia Newtona było bardzo proste, a jednocześnieuniwersalne. Tłumaczyło wszystkie znane nam zjawiska związane zoddziaływaniami grawitacyjnymi.

Uniwersalność praw natury widoczna też w podobieństwie do prawaCoulomba (oddziaływanie ładunków elektrycznych):

Fg = GN ·m1m2

r2 ⇔ Fel = k · q1q2

r2

W wiek XX wchodziliśmy z prostym i eleganckim opisem praktyczniewszystkich znanych zjawisk...

Jednak Einstein dostrzegł, że “powszechność” ciążenia stanowi problem wopisie grawitacji na dużych skalach - nie mamy “punktu odniesienia”względem którego moglibyśmy badać ruch ciał...

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 6 / 35

Wprowadzenie

Ogólna Teoria Względności

W 1916 Einstein zaproponował nowepodejście do opisu grawitacji.

Grawitacja nie jest już opisywana jako siła,ale jako odkształcenieczasoprzestrzeni!

Materia powoduje zakrzywienie czasoprzestrzeni.Zakrzywienie czasoprzestrzeni decyduje o ruchu “swobodnej” materii

Światło porusza się po trajektoriach odpowiadających najmniejszejodległości (najszybszej propagacji) między dwoma punktami.

W zakrzywionej czasoprzestrzeni nie są to już linie proste!

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 7 / 35

Wprowadzenie

Ogólna Teoria Względności

W 1916 Einstein zaproponował nowepodejście do opisu grawitacji.

Grawitacja nie jest już opisywana jako siła,ale jako odkształcenieczasoprzestrzeni!

Materia powoduje zakrzywienie czasoprzestrzeni.Zakrzywienie czasoprzestrzeni decyduje o ruchu “swobodnej” materii

Światło porusza się po trajektoriach odpowiadających najmniejszejodległości (najszybszej propagacji) między dwoma punktami.

W zakrzywionej czasoprzestrzeni nie są to już linie proste!

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 7 / 35

Wprowadzenie

Ogólna Teoria Względności

W 1916 Einstein zaproponował nowepodejście do opisu grawitacji.

Grawitacja nie jest już opisywana jako siła,ale jako odkształcenieczasoprzestrzeni!

Materia powoduje zakrzywienie czasoprzestrzeni.Zakrzywienie czasoprzestrzeni decyduje o ruchu “swobodnej” materii

Światło porusza się po trajektoriach odpowiadających najmniejszejodległości (najszybszej propagacji) między dwoma punktami.

W zakrzywionej czasoprzestrzeni nie są to już linie proste!

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 7 / 35

Soczewkowanie grawitacyjne

Materia powoduje zakrzywienie czasoprzestrzeni. Zakrzywienieczasoprzestrzeni decyduje o ruchu materii i biegu promieni światła.

W obecności silnych pól grawitacyjnych może być więcej niż jedna droga...A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 8 / 35

Soczewkowanie grawitacyjne

Materia powoduje zakrzywienie czasoprzestrzeni. Zakrzywienieczasoprzestrzeni decyduje o ruchu materii i biegu promieni światła.

Kosmiczny TeleskopHubble’a

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 8 / 35

Soczewkowanie grawitacyjne

Materia powoduje zakrzywienie czasoprzestrzeni. Zakrzywienieczasoprzestrzeni decyduje o ruchu materii i biegu promieni światła.

Zdjęcie z KosmicznegoTeleskopu Hubble’a

Niebieskie łuki - wielokrotnyobraz odległej galaktyki położonejza masywną gromadą galaktyk.

⇒ bezpośredni dowódsłuszności OTW

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 8 / 35

Soczewkowanie grawitacyjne

Silne soczewkowanie grawitacyjneW przypadku dużego zakrzywienia przestrzeni możemy obserwować silnezniekształcenia, a nawet wielokrotne obrazy danego obiektu

Słabe soczewkowanie grawitacyjneW przypadku mniejszego zakrzywienia przestrzeni obserwujemy jedynieniewielkie zniekształcenie obrazu ⇒ analiza statystyczna

W obu przypadkach możemy wnioskować o masie obiektów znajdującychsię na drodze promieni świetlnych.

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 9 / 35

Soczewkowanie grawitacyjne

Silne soczewkowanie grawitacyjneW przypadku dużego zakrzywienia przestrzeni możemy obserwować silnezniekształcenia, a nawet wielokrotne obrazy danego obiektu

Słabe soczewkowanie grawitacyjneW przypadku mniejszego zakrzywienia przestrzeni obserwujemy jedynieniewielkie zniekształcenie obrazu ⇒ analiza statystyczna

W obu przypadkach możemy wnioskować o masie obiektów znajdującychsię na drodze promieni świetlnych.

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 9 / 35

Soczewkowanie grawitacyjne

Silne soczewkowanie grawitacyjneW przypadku dużego zakrzywienia przestrzeni możemy obserwować silnezniekształcenia, a nawet wielokrotne obrazy danego obiektu

Słabe soczewkowanie grawitacyjneW przypadku mniejszego zakrzywienia przestrzeni obserwujemy jedynieniewielkie zniekształcenie obrazu ⇒ analiza statystyczna

W obu przypadkach możemy wnioskować o masie obiektów znajdującychsię na drodze promieni świetlnych.

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 9 / 35

Wykład 13

1 Ogólna Teoria Względności

2 Efekt Dopplera i prawo Hubbla

3 Ewolucja Wszechświata

4 Gęstość materii we Wszechświecie

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 10 / 35

Efekt Dopplera

Przypadek klasyczny

W przypadku fal dźwiękowych znamy zcodziennego doświadczenia...

Jeśli źródło dźwięku jest nieruchomewzględem obserwatora, obserwator słyszydźwięk o niezmienionej częstości.

Jeśli źródło dźwięku porusza się względem obserwatora, obserwator słyszydźwięk o wyższej lub niższej częstości (zależnie od kierunku ruchu)

fobs =f(

1− vc

)

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 11 / 35

Efekt Dopplera

Przypadek klasyczny

W przypadku fal dźwiękowych znamy zcodziennego doświadczenia...

Jeśli źródło dźwięku jest nieruchomewzględem obserwatora, obserwator słyszydźwięk o niezmienionej częstości.

Jeśli źródło dźwięku porusza się względem obserwatora, obserwator słyszydźwięk o wyższej lub niższej częstości (zależnie od kierunku ruchu)

fobs =f(

1− vc

)A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 11 / 35

Linie widmowe

Linie emisyjneŚwiatło emitowane przezwzbudzone atomy.

W obu przypadkach pozycja linii jest ściśle określona(charakterystyczna dla danego atomu)

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 12 / 35

Linie widmowe

Linie emisyjneŚwiatło emitowane przezwzbudzone atomy.

Linie absorpcyjneWidoczne w świetleprzechodzącym przez gaz.

W obu przypadkach pozycja linii jest ściśle określona(charakterystyczna dla danego atomu)

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 12 / 35

Linie widmowe

Linie emisyjneŚwiatło emitowane przezwzbudzone atomy.

Linie absorpcyjneWidoczne w świetleprzechodzącym przez gaz.

W obu przypadkach pozycja linii jest ściśle określona(charakterystyczna dla danego atomu)

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 12 / 35

Efekt Dopplera dla światła

Mierząc linie absorpcyjne w widmie galaktyk możemy wnioskować o ichruchu

i wyznaczyć ich prędkość względem nas

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 13 / 35

Efekt Dopplera dla światła

Mierząc linie absorpcyjne w widmie galaktyk możemy wnioskować o ichruchu i wyznaczyć ich prędkość względem nas

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 13 / 35

Prawo Hubbla (1929)

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 14 / 35

Prawo Hubbla (1929)

Edwin Hubble jako pierwszy powiązałobserwowane prędkości mgławic z ichodległością od Ziemi.

Zauważył on, że prędkość ’ucieczki’rośnie z odległością od Ziemi:

v = H · r

r - odległość, H - stała Hubbla

Obecne pomiary: H ∼ 70 km/s/Mpc

1Mpc ≈ 3 · 1022m

Oryginalne wyniki Hubbla:

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 15 / 35

Prawo Hubbla (1929)

Edwin Hubble jako pierwszy powiązałobserwowane prędkości mgławic z ichodległością od Ziemi.

Zauważył on, że prędkość ’ucieczki’rośnie z odległością od Ziemi:

v = H · r

r - odległość, H - stała Hubbla

Obecne pomiary: H ∼ 70 km/s/Mpc

1Mpc ≈ 3 · 1022m

Współczesne pomiary:

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 15 / 35

Prawo Hubbla

Pomiar odległości

Wyznaczenie odległości jest znacznietrudniejsze od wyznaczenia"przesunięcia ku czerwieni".

Najczęściej posługujemy się tzw.świecami standardowymi - obiektami,których bezwzględna jasność jestznana.

Na największych odległościach są toSupernowe typu 1A.

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 16 / 35

Prawo Hubbla

Obserwacja Hubbla, że wszystkie obiekty oddalają się, nie wyróżnia wżaden sposób naszego układu odniesienia.

Dowolne dwa obiekty oddalać się bedą w ten sam sposób.A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 17 / 35

Wykład 13

1 Ogólna Teoria Względności

2 Efekt Dopplera i prawo Hubbla

3 Ewolucja Wszechświata

4 Gęstość materii we Wszechświecie

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 18 / 35

Ewolucja Wszechświata

Kosmologia

Kosmologia zajmuje się opisem Wszechświata na odległościach większychod rozmiarów wszystkich znanych nam struktur ⇒ “skala kosmologiczna”

Zasada kosmologiczna: w skalach kosmologicznych Wszechświat traktujemyjako jednorodny i izotropowy ⇒ materia jest rozłożona równomiernie

Obserwowany ruch względny na tych odległościach opisujemy jakorozszerzanie się całego Wszechświata, w którym "zawieszone" sąposzczególne obiekty.

Z równań Einsteina wynika, że nasz Wszechświat ewoluował z punktowegoskupiska nieskończonej energii...

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 19 / 35

Ewolucja Wszechświata

Kosmologia

Kosmologia zajmuje się opisem Wszechświata na odległościach większychod rozmiarów wszystkich znanych nam struktur ⇒ “skala kosmologiczna”

Zasada kosmologiczna: w skalach kosmologicznych Wszechświat traktujemyjako jednorodny i izotropowy ⇒ materia jest rozłożona równomiernie

Obserwowany ruch względny na tych odległościach opisujemy jakorozszerzanie się całego Wszechświata, w którym "zawieszone" sąposzczególne obiekty.

Z równań Einsteina wynika, że nasz Wszechświat ewoluował z punktowegoskupiska nieskończonej energii...

Big Bang

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 19 / 35

Ewolucja Wszechświata

Kosmologia

Kosmologia zajmuje się opisem Wszechświata na odległościach większychod rozmiarów wszystkich znanych nam struktur ⇒ “skala kosmologiczna”

Zasada kosmologiczna: w skalach kosmologicznych Wszechświat traktujemyjako jednorodny i izotropowy ⇒ materia jest rozłożona równomiernie

Obserwowany ruch względny na tych odległościach opisujemy jakorozszerzanie się całego Wszechświata, w którym "zawieszone" sąposzczególne obiekty.

Z równań Einsteina wynika, że nasz Wszechświat ewoluował z punktowegoskupiska nieskończonej energii...

Wielki Wybuch

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 19 / 35

Ewolucja Wszechświata

Na samym początku gęstość energii była bardzo duża.

Na poziomie cząstek oznacza to, że cząstki miały bardzo duże energiekinetyczne, znacznie większe od ich mas.

Nie istniały żadne obiekty złożone (nukleony, jądra atomowe, atomy), gdyżenergie były znacznie większe od energii wiązania.

Wszystkie cząstki elementarne znajdowały się w stanie równowagi, gdyżnieustannie zachodziły procesy anihilacji i kreacji.

e−

e+

W+

W−

Zογ Z

ογW

−

W+ e+

e−

Jednak w miarę rozszerzania Wszechświata energie cząstek malały...A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 20 / 35

Ewolucja Wszechświata

W miarę rozszerzania maleją energie zderzających się cząstek.Stopniowo przestają być produkowane i zanikają najcięższe cząstki,a zaczynają powstawać stany związane:

Xe−

e+

W+

W−

Zογ Z

ογW

−

W+ e+

e−

OK

zanikają swobodne bozony W± i Z (10−10 sekundy)

kwarki formują neutrony i protony (10−5 sekundy)protony i neutrony tworzą jądra lekkich pierwiastków (3 minuty)elektrony i jądra tworzą atomy (300 000 lat)formacja galaktyk, synteza ciężkich pierwiastków w gwiazdach (1 Gy)

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 21 / 35

Ewolucja Wszechświata

W miarę rozszerzania maleją energie zderzających się cząstek.Stopniowo przestają być produkowane i zanikają najcięższe cząstki,a zaczynają powstawać stany związane:

Xe−

e+

W+

W−

Zογ Z

ογW

−

W+ e+

e−

OK

zanikają swobodne bozony W± i Z (10−10 sekundy)kwarki formują neutrony i protony (10−5 sekundy)

protony i neutrony tworzą jądra lekkich pierwiastków (3 minuty)elektrony i jądra tworzą atomy (300 000 lat)formacja galaktyk, synteza ciężkich pierwiastków w gwiazdach (1 Gy)

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 21 / 35

Ewolucja Wszechświata

W miarę rozszerzania maleją energie zderzających się cząstek.Stopniowo przestają być produkowane i zanikają najcięższe cząstki,a zaczynają powstawać stany związane:

Xe−

e+

W+

W−

Zογ Z

ογW

−

W+ e+

e−

OK

zanikają swobodne bozony W± i Z (10−10 sekundy)kwarki formują neutrony i protony (10−5 sekundy)protony i neutrony tworzą jądra lekkich pierwiastków (3 minuty)

elektrony i jądra tworzą atomy (300 000 lat)formacja galaktyk, synteza ciężkich pierwiastków w gwiazdach (1 Gy)

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 21 / 35

Ewolucja Wszechświata

W miarę rozszerzania maleją energie zderzających się cząstek.Stopniowo przestają być produkowane i zanikają najcięższe cząstki,a zaczynają powstawać stany związane:

Xe−

e+

W+

W−

Zογ Z

ογW

−

W+ e+

e−

OK

zanikają swobodne bozony W± i Z (10−10 sekundy)kwarki formują neutrony i protony (10−5 sekundy)protony i neutrony tworzą jądra lekkich pierwiastków (3 minuty)elektrony i jądra tworzą atomy (300 000 lat)

formacja galaktyk, synteza ciężkich pierwiastków w gwiazdach (1 Gy)

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 21 / 35

Ewolucja Wszechświata

W miarę rozszerzania maleją energie zderzających się cząstek.Stopniowo przestają być produkowane i zanikają najcięższe cząstki,a zaczynają powstawać stany związane:

Xe−

e+

W+

W−

Zογ Z

ογW

−

W+ e+

e−

OK

zanikają swobodne bozony W± i Z (10−10 sekundy)kwarki formują neutrony i protony (10−5 sekundy)protony i neutrony tworzą jądra lekkich pierwiastków (3 minuty)elektrony i jądra tworzą atomy (300 000 lat)formacja galaktyk, synteza ciężkich pierwiastków w gwiazdach (1 Gy)

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 21 / 35

Ewolucja Wszechświata

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 22 / 35

Ewolucja Wszechświata

Czy Wszechświat będzie się rozszerzał w nieskończoność ?

Z Ogólnej Teorii Względności wynika, że przyszłość Wszechświata wiąże sięściśle z krzywizną przestrzeni i zależy od gęstościi materii ρ.

Gęstość krytyczna: ρc = 3H2

8πG ∼ 10−26kg/m3 ∼ 10 atomów H w m3

ρ = ρc

ρ < ρc

ρ > ρc

asymptotycznie “zatrzyma” się

będzie zawsze rozszerzał się

kiedyś zacznie się zapadać

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 23 / 35

Krzywizna przestrzeni

Całkowita gęstośćmaterii/energii weWszechświecie decydujeteż o geometrii przestrzenina skalachkosmologicznych!

Lokalnie wiemy, żeprzestrzeń jest płaska(suma kątów trójkątawynosi 180).

Ale na dużychodległościach trudno tosprawdzić...

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 24 / 35

Wykład 13

1 Ogólna Teoria Względności

2 Efekt Dopplera i prawo Hubbla

3 Ewolucja Wszechświata

4 Gęstość materii we Wszechświecie

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 25 / 35

Gęstość materii we Wszechświecie

Charakter ewolucji Wszechświata zależą od gęstości materii.Można spróbować ją zmierzyc na różne sposoby: Ω ≡ ρ/ρc

z pomiaru promieniowania gwiazd i materii międzygwiezdnej⇒ materia “świetlista”

Ωlumi ∼ 0.006

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 26 / 35

Gęstość materii we Wszechświecie

Charakter ewolucji Wszechświata zależą od gęstości materii.Można spróbować ją zmierzyc na różne sposoby: Ω ≡ ρ/ρc

z pomiaru promieniowania gwiazd i materii międzygwiezdnej⇒ materia “świetlista”

Ωlumi ∼ 0.006

z pomiaru zawartości lekkich pierwiastków + model nukleosyntezy(Wielki Wybuch)⇒ materia “barionowa”

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 26 / 35

Pierwotna nukleosynteza

W zależności od stosunku gęstościmaterii do promieniowania, różnepierwiastki produkują się w różnej ilości.

Składnikiem koniecznym do produkcjijąder cięższych od wodoru są neutrony

Pierwszy krok - produkcja deuteru:

p + n −→ 2H + γ

(zależy od gęstością materii)

Konkurencyjny jest rozpad neutronu(zachodzi niezależnie od gęstości):

n −→ p + e− + νe

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 27 / 35

Pierwotna nukleosynteza

W zależności od stosunku gęstościmaterii do promieniowania, różnepierwiastki produkują się w różnej ilości.

Składnikiem koniecznym do produkcjijąder cięższych od wodoru są neutrony

Pierwszy krok - produkcja deuteru:

p + n −→ 2H + γ

(zależy od gęstością materii)

Konkurencyjny jest rozpad neutronu(zachodzi niezależnie od gęstości):

n −→ p + e− + νe

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 27 / 35

Gęstość materii we Wszechświecie

Charakter ewolucji Wszechświata zależą od gęstości materii.Można spróbować ją zmierzyc na różne sposoby: Ω ≡ ρ/ρc

z pomiaru promieniowania gwiazd i materii międzygwiezdnej⇒ materia “świetlista”

Ωlumi ∼ 0.006

z pomiaru zawartości lekkich pierwiastków + model nukleosyntezy(Wielki Wybuch)⇒ materia “barionowa”

Ωb ∼ 0.05

z pomiaru oddziaływań grawitacyjnych (np. rotacja galaktyk)⇒ materia “grawitacyjna” (całkowita ?)

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 28 / 35

Gęstość materii we Wszechświecie

Charakter ewolucji Wszechświata zależą od gęstości materii.Można spróbować ją zmierzyc na różne sposoby: Ω ≡ ρ/ρc

z pomiaru promieniowania gwiazd i materii międzygwiezdnej⇒ materia “świetlista”

Ωlumi ∼ 0.006

z pomiaru zawartości lekkich pierwiastków + model nukleosyntezy(Wielki Wybuch)⇒ materia “barionowa”

Ωb ∼ 0.05

z pomiaru oddziaływań grawitacyjnych (np. rotacja galaktyk)⇒ materia “grawitacyjna” (całkowita ?)

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 28 / 35

Gęstość materii we Wszechświecie

Ciemna materia? Znane nam prawa dynamiki nietłumaczą rotacji galaktyk.

Ramiona wirują szybciej niżoczekiwalibyśmy z prawgrawitacji i dynamiki

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 29 / 35

Oddziaływania grawitacyjne

Projekt 2dF Galaxy Redshift SurveyPomiar przesunięcia ku czerwieni dla około 250 000 galaktyk

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 30 / 35

Oddziaływania grawitacyjne

Otrzymujemy trójwymiarową mapę Wszechświata. Rozkład galaktyk, nawetna największych skalach nie jest jednorodny. Widzimy wyraźne struktury...

Znana nam materia barionowa nie wystarcza do opisu oddziaływańgrawitacyjnych na skalach międzygalaktycznych.

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 31 / 35

Oddziaływania grawitacyjne

Otrzymujemy trójwymiarową mapę Wszechświata. Rozkład galaktyk, nawetna największych skalach nie jest jednorodny. Widzimy wyraźne struktury...

Znana nam materia barionowa nie wystarcza do opisu oddziaływańgrawitacyjnych na skalach międzygalaktycznych.

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 31 / 35

Oddziaływania grawitacyjne

Znana nam materia barionowa nie tłumaczy też tworzenia się struktur weWszechświecie.

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 32 / 35

Oddziaływania grawitacyjne

Aby opisać tworzenia się struktur we Wszechświecie musimy uwzględnićwkład od ciemnej materii!

Co więcej, ciemna materia musi być “zimna” (wolna, nierelatywistyczna).Inaczej drobne struktury byłyby rozmywane...

⇒ musi składać się z masywnych cząstek

Ciężkie cząstki (“zimna” CM) Lekkie cząstki (“ciepła” CM)

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 33 / 35

Gęstość materii we Wszechświecie

Charakter ewolucji Wszechświata zależą od gęstości materii.Można spróbować ją zmierzyc na różne sposoby: Ω ≡ ρ/ρc

z pomiaru promieniowania gwiazd i materii międzygwiezdnej⇒ materia “świetlista”

Ωlumi ∼ 0.006

z pomiaru zawartości lekkich pierwiastków + model nukleosyntezy(Wielki Wybuch)⇒ materia “barionowa”

Ωb ∼ 0.05

z pomiaru oddziaływań grawitacyjnych (np. rotacja galaktyk)⇒ materia “grawitacyjna” (całkowita ?)

Ωm ∼ 0.3

Ωm Ωb ⇒ ciemna materia !?

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 34 / 35

Gęstość materii we Wszechświecie

Charakter ewolucji Wszechświata zależą od gęstości materii.Można spróbować ją zmierzyc na różne sposoby: Ω ≡ ρ/ρc

z pomiaru promieniowania gwiazd i materii międzygwiezdnej⇒ materia “świetlista”

Ωlumi ∼ 0.006

z pomiaru zawartości lekkich pierwiastków + model nukleosyntezy(Wielki Wybuch)⇒ materia “barionowa”

Ωb ∼ 0.05

z pomiaru oddziaływań grawitacyjnych (np. rotacja galaktyk)⇒ materia “grawitacyjna” (całkowita ?)

Ωm ∼ 0.3

Ωm Ωb ⇒ ciemna materia !?

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 34 / 35

Ciemna materia

Podsumowanie

Wiemy że ciemna materia:jest “zimna” (nierelatywistyczna)jest niebarionowajest stabilna (nie rozpada się)bardzo słabo oddziałuje (tylko grawitacyjnie?)daje wkład ok. 1/4 gęstości krytycznej (5 × materia barionowa)

Nie wiemy:Co się na nią składa (jedna czy wiele cząstek)?Jak ją bezpośrednio zaobserwować?

Wiele teorii “nowej fizyki” przewiduje istnienie tego typu cząstek.

Najczęściej wymienianym kandydatem jest LSP - najlżejsza cząstkasupersymetryczna. Mamy wciąż nadzieję, że LHC zdoła ją znaleźć...

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 35 / 35

Ciemna materia

Podsumowanie

Wiemy że ciemna materia:jest “zimna” (nierelatywistyczna)jest niebarionowajest stabilna (nie rozpada się)bardzo słabo oddziałuje (tylko grawitacyjnie?)daje wkład ok. 1/4 gęstości krytycznej (5 × materia barionowa)

Nie wiemy:Co się na nią składa (jedna czy wiele cząstek)?Jak ją bezpośrednio zaobserwować?

Wiele teorii “nowej fizyki” przewiduje istnienie tego typu cząstek.

Najczęściej wymienianym kandydatem jest LSP - najlżejsza cząstkasupersymetryczna. Mamy wciąż nadzieję, że LHC zdoła ją znaleźć...

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 35 / 35

Ciemna materia

Podsumowanie

Wiemy że ciemna materia:jest “zimna” (nierelatywistyczna)jest niebarionowajest stabilna (nie rozpada się)bardzo słabo oddziałuje (tylko grawitacyjnie?)daje wkład ok. 1/4 gęstości krytycznej (5 × materia barionowa)

Nie wiemy:Co się na nią składa (jedna czy wiele cząstek)?Jak ją bezpośrednio zaobserwować?

Wiele teorii “nowej fizyki” przewiduje istnienie tego typu cząstek.

Najczęściej wymienianym kandydatem jest LSP - najlżejsza cząstkasupersymetryczna.

Mamy wciąż nadzieję, że LHC zdoła ją znaleźć...

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 35 / 35

Ciemna materia

Podsumowanie

Wiemy że ciemna materia:jest “zimna” (nierelatywistyczna)jest niebarionowajest stabilna (nie rozpada się)bardzo słabo oddziałuje (tylko grawitacyjnie?)daje wkład ok. 1/4 gęstości krytycznej (5 × materia barionowa)

Nie wiemy:Co się na nią składa (jedna czy wiele cząstek)?Jak ją bezpośrednio zaobserwować?

Wiele teorii “nowej fizyki” przewiduje istnienie tego typu cząstek.

Najczęściej wymienianym kandydatem jest LSP - najlżejsza cząstkasupersymetryczna. Mamy wciąż nadzieję, że LHC zdoła ją znaleźć...

A.F.Żarnecki WCE Wykład 13 9 stycznia 2018 35 / 35