Kosmisk tid Universums mörka historia

1. Kosmisk tidUniversums mörka historia Edvard Mörtsell Stockholms Universitet

2. Något om mig själv… • Docent i teoretisk fysik • Lektor i observationell kosmologi vid Stockholms Universitet Kosmisk tid - universums mörka historia

3. Vi försöker en skapa en modell av Universum som kan förklara våra observationer Vad är kosmologi? • Studiet av Universum som helhet • Hur stort är Universum? • Vad består Universum av? • Hur utvecklas Universum? • Hur började allt? • Hur slutar det? Kosmisk tid - universums mörka historia

4. En bild av Universum • Hubble Space Telescope • Det behövs 4000 bilder för att täcka månen • Slutartiden är nästan två veckor • Vi ser ungefär 100 000 000 000 000 000 gånger längre bort än månen • Vi ser 10 000 000 000 år tillbaka i tiden Kosmisk tid - universums mörka historia

5. Matematik • Mycket stora och mycket små tal • 100 000 = 105 • 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 = 1077 • 0.0001 = 10-4 Kosmisk tid - universums mörka historia

6. Ljuset håller oss sällskap • Ljus består av partiklar som kallas fotoner • De färdas med en hastighet av ungefär en miljard kilometer i timmen • Det motsvarar åtta varv runt jorden på en sekund Kosmisk tid - universums mörka historia

7. Avstånd och tid • Det tar en dryg sekund för ljus från månen att nå oss på jorden Kosmisk tid - universums mörka historia

8. Solljuset tar ungefär 8 minuter på sig Avståndet är åtta ljusminuter Kosmisk tid - universums mörka historia

9. Avståndet till vår närmaste stjärna (förutom solen) är fyra ljusår! Kosmisk tid - universums mörka historia

10. Avståndet till vår närmsta galax, Andromeda, är två miljoner ljusår Kosmisk tid - universums mörka historia

11. Subaru teleskopet (Hawaii) • Galaxen på bilden ligger ungefär 13miljarder ljusår bort Kosmisk tid - universums mörka historia

12. Vi lever på planeten jorden som snurrar runt solen, vår närmsta stjärna Kosmisk tid - universums mörka historia

13. Ett universum av galaxer Solen är en av 100 miljarder stjärnor i vår galax Vintergatan, som är en av 100 miljarder galaxer i (det synliga) Universum Kosmisk tid - universums mörka historia

14. Ett växande Universum • Universum är stort, och blir större hela tiden • Volymen har fördubblats på tre miljarder år Kosmisk tid - universums mörka historia

15. En modell av Universum • 1878: Philipp von Jolly gav en av sina studenter rådet att inte satsa på en karriär inom fysiken eftersom alla viktiga upptäckter redan gjorts • Studenten var Max Planck – kvantfysikens grundare • 1905: Albert Einstein förklarar fotoelektriska effekten (Nobelpris 1921) Kosmisk tid - universums mörka historia

16. Einsteins Annus Mirabilis 1905 • 26 år • Fotoelektriska effekten • Brownsk rörelse • Speciella relativitetsteorin • Massa är energi (E = mc2) Kosmisk tid - universums mörka historia

17. Kosmologi under tidigt 1900-tal • Universum = Vintergatan • Statiskt • 1912: Cepheider och avstånd (Henrietta Swan Leavitt) • Gasmoln (nebulosor) • 1920: ”The Great Debate” (Shapley vs Curtis) • 1925: Andra galaxer (Edwin Hubble) • 1929: Galaxer rör sig bort från oss (Slipher/Hubble/Humason) Kosmisk tid - universums mörka historia

18. Hastigheten = Hubblekonstanten*Avståndet Galaxerna rör sig Edwin Hubble Milton L Humason Hubblekonstanten = 0,1 km/h per ljusår Vesto Slipher Kosmisk tid - universums mörka historia

19. Hastigheten = Hubblekonstanten*Avståndet Ett växande Universum Kosmisk tid - universums mörka historia

20. Speciella relativitetsteorin (1905) • Galileo Galilei: Mekanikens lagar oberoende av vilken (konstant) hastighet vi har • Einstein: Detta gäller alla fysikaliska lagar, därmed är ljushastigheten (c) den samma för alla (alla observatörer ekvivalenta) • Rummet och tiden ej absoluta • Ju högre hastighet, ju långsammare går tiden • Rum-tiden Kosmisk tid - universums mörka historia

21. Rum-tiden • En händelse är en viss plats i rummet vid en viss tid • Olika personer mäter olika avstånd i rummet och olika tider mellan händelser • Alla kan enas om avståndet mellan händelser i rum-tiden • Receptet för att beräkna avstånd: metrik Kosmisk tid - universums mörka historia

22. ds = Avstånd i rum-tiden dt = Tidsintervall c = Ljushastigheten dr = Avstånd i rummet 2 2 2 2 d d d t ¡ s c r = Avstånd i rum-tiden Kosmisk tid - universums mörka historia

23. Allmänna relativitetsteorin (1916) • 1916: Einstein generaliserar relativitetsteorin till att gälla även observatörer som ändrar hastighet • Ekvivalensprincipen: Gravitation! Kosmisk tid - universums mörka historia

24. Materia kröker rum-tiden • Tiden går långsammare nära tunga objekt • En ljusstråle böjer av när den passerar ett tungt objekt Kosmisk tid - universums mörka historia

25. GPS • Satelliterna rör sig snabbt: klockor ombord går långsammare • Satelliterna har mindre gravitation: klockor ombord går snabbare • Nettoeffekt: GPS klockor fortar sig med 38 miljondels sekunder per dygn Kosmisk tid - universums mörka historia

26. 2 2 2 2 2 2 2 ( ) [ ( ) ] d d d d S ­ t t ¡ + s c a r r = · En metrik för Universum • Skalfaktorn a(t) talar om hur stort Universum är och beror på Universums innehåll • Vi kan beräkna hur Universums storlek ändras med tiden om vi vet vad Universum innehåller • Vi kan lära oss vad Universum innehåller om vi kan mäta hur Universums storlek ändras med tiden Kosmisk tid - universums mörka historia

27. Universum blir större och tunnare 13,7 miljarder år tillbaka i tiden: Big Bang Densitet efter 10-34 sekunder: 1037 solar per mm3 Universum: en kort historik Kosmisk tid - universums mörka historia

28. Universum: en kort historik Homo Sapiens 250 000 år Solen och jorden skapas 4,5 miljarder år 13,7 miljarder år 0 år Big Bang Kosmisk tid - universums mörka historia

29. Big Bang och strängteori • Vi har ingen teori som kan beskriva både gravitation och kvantfysik • Vi vet inte vad som händer när densiteten är högre än 1057 solar per mm3 Kosmisk tid - universums mörka historia

30. Gravitationen är en attraktionskraft mellan materia och annan materia Galaxer är resultatet av en universell kapitalism pådriven av gravitationskraften Strukturer formas Kosmisk tid - universums mörka historia

31. Hur mycket materia finns det? Fritz Zwicky, 1930-talet Galaxhopen Coma 100 gånger mer materia än vad vi kan se: Mörk(genomskinlig) materia! Kosmisk tid - universums mörka historia

32. Mörk materia i galaxer… Rotationen hos spiralgalaxer Vera Rubin, 1970-talet Mängder av mörk materia även i galaxer! Kosmisk tid - universums mörka historia

33. Mörk materia • Lite materia; svårt att skapa galaxer • Mycket materia; lätt att skapa galaxer • Mörk materia behövs för att alla strukturer vi ser ska ha hunnit att bildas • Men, vi vet ännu inte vad den mörka materien är! Kosmisk tid - universums mörka historia

34. Gravitationslinser Bekräftar Zwickys och Rubins resultat! Kosmisk tid - universums mörka historia

35. Kosmisk tid - universums mörka historia

36. Hastigheten = Hubblekonstanten*Avståndet Hubblekonstanten är inte konstant • Hubblekonstanten talar om hur snabbt Universum växer • Newtons första lag: Om vi inte påverkar ett system förändras inte hastigheterna i systemet • Ett tomt universum växer med konstant hastighet • Gravitationen från (mörk) materia får expansionshastigheten att avta Kosmisk tid - universums mörka historia

37. Universums vikt och öde • Gravitationen motverkar universums expansion • Mängden materia avgör universums öde • Lite materia: universum expanderar för evigt • Mycket materia: universum börjar dra ihop sig • Big Crunch! Kosmisk tid - universums mörka historia

38. Att väga universum • Genom att mäta hur storleken ändras med tiden kan vi bestämma universums massa (densitet) • Storleken förändras långsamt (miljarder år) • Vi kan inte mäta förändringen i storleken direkt (ännu) • Vi kan se tillbaka i tiden! Kosmisk tid - universums mörka historia

39. Ljus är inte bara fotoner Ljus kan beskrivas som en våg med en viss våglängd eller frekvens Kosmisk tid - universums mörka historia

40. Rödförskjutning • Våglängden på ljuset talar om hur mycket större Universum blivit sedan ljuset lämnade källan • Hur länge sedan var det ljuset lämnade källan? Kosmisk tid - universums mörka historia

41. Ljuset blir svagare ju längre bort ljuskällan är Stark ljuskälla: synlig på stora avstånd Känd effekt för att kunna beräkna avståndet Supernovor: exploderande stjärnor som ett par veckor lyser som en hel galax (100 miljarder stjärnor) Avstånd = tid Kosmisk tid - universums mörka historia

42. Kosmisk tid - universums mörka historia

43. Kosmisk tid - universums mörka historia

44. Acceleration • Hur kan expansionen gå snabbare och snabbare (accelerera)? • Universum domineras av något med motsatt gravitation • I brist på bättre förslag kallar vi det mörk energi • Den utgör ungefär 70 % av universums totala massa (densitet) Kosmisk tid - universums mörka historia

45. Densitet idag: 1 g / (5000 mil)3 Universums innehåll Kosmisk tid - universums mörka historia

46. Sammanfattning (så här långt) • Vi vet inte hur allt började • Universum har växt i 13,7 miljarder år och kommer antagligen fortsätta med det • Vanlig materia utgör bara en bråkdel av dess innehåll • Nästan 99 % av Universum är av för oss helt okänd natur Kosmisk tid - universums mörka historia

47. Hur stort är Universum? • Jättestort • Exakt hur stort beror på om vi menar vad vi kan observera eller på hur vår modell ser ut samt vilken tidpunkt vi refererar till • Universum 13,7 miljarder år gammalt • Vi kan teoretiskt se något som idag befinner sig på ett avstånd av 46,5 miljarder ljusår • Praktiskt kan vi ”bara” se 45.5 miljarder ljusår Kosmisk tid - universums mörka historia

48. Universum oändligt stort! Universums krökning Kosmisk tid - universums mörka historia

49. Vår mest avlägsna bild av Universum Mikrovågsbakgrunden Kosmisk tid - universums mörka historia

50. 1978 års Nobelpris i Fysik ”för upptäckten av den kosmiska bakgrundsstrålningen” (1965) Hornantenn Arno Penzias Robert Wilson Kosmisk tid - universums mörka historia