Kosmisk tid Universums mörka historia Edvard Mörtsell Stockholms Universitet

Kosmisk tid - universums mörka historia Något om mig själv… Docent i teoretisk fysik Lektor i observationell kosmologi vid Stockholms Universitet 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia 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? Vi försöker en skapa en modell av Universum som kan förklara våra observationer 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia 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 100 biljarder. 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia 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 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

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 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia Avstånd och tid Det tar en dryg sekund för ljus från månen att nå oss på jorden 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia Solljuset tar ungefär 8 minuter på sig Avståndet är åtta ljusminuter 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia Avståndet till vår närmaste stjärna (förutom solen) är fyra ljusår! Proxima Centauri (Alpha Centauri C) Ett ljusår = Avstånd = 10^16 meter = 1000 miljarder mil = 1 biljon mil 1 parsec = 3,26 ljusår Vi ser fyra år tillbaka i tiden! 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia Avståndet till vår närmsta galax, Andromeda, är två miljoner ljusår M31 kan ses med blotta ögat (med lite tur och ansträngning). 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Subaru teleskopet (Hawaii) z = 7 Galaxen på bilden ligger ungefär 13 miljarder ljusår bort 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia Merkurius, Venus, Jorden, Mars, Jupiter, Saturnus, Uranus, Neptunus (, Pluto) Vi lever på planeten jorden som snurrar runt solen, vår närmsta stjärna 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Ett universum av galaxer Notera ”synliga” Universum. Vi återkommer till frågan om Universums storlek. Två aspekter: praktiskt möjligt att observera samt teoretiskt möjligt (ljuset ska hinna fram under Universums ålder). Solen är en av 100 miljarder stjärnor i vår galax Vintergatan, som är en av 100 miljarder galaxer i (det synliga) Universum 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia Ett växande Universum Tiden viktig. Vad är det som blåser upp Universum? Det verkar som om Universum växer snabbare hela tiden. Universum är stort, och blir större hela tiden Volymen har fördubblats på tre miljarder år 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia 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) Vi vill mer än bara beskriva Universum. "for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect" Bevisar att ljus är (kan beskrivas som) fotoner. 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Einsteins Annus Mirabilis 1905 Fotoelektriska effekten Brownsk rörelse Speciella relativitetsteorin Massa är energi (E = mc2) Annalen der Physik 17- 18 (1905) 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

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) ”The Great Debate”, Harlow Shapley (fel) vs Heber D Curtis (rätt) 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia Galaxerna rör sig Edwin Hubble Publicerades 1929 Edwin Powell Hubble (November 20, 1889 – September 28, 1953) Vesto Melvin Slipher (November 11, 1875 – November 8, 1969) Milton Lasell Humason (August 19, 1891 – June 18, 1972) Hubble underestimated distances  overestimated the Hubble constant Milton L Humason Hastigheten = Hubblekonstanten*Avståndet Hubblekonstanten = 0,1 km/h per ljusår Vesto Slipher 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia Ett växande Universum Alternativ: Galaxer rör sig verkligen bort från oss som befinner oss i centrum av Universum. Vad är det som blåser upp Universum? Gå tillbaka till Einstein. Hastigheten = Hubblekonstanten*Avståndet 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

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 c = 300 000 000 m/s = 1 miljard km/h Alla fysikaliska processer bestäms av c. 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia 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 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia Avstånd i rum-tiden d s 2 = c t ¡ r dt = Tidsintervall c = Ljushastigheten dr = Avstånd i rummet ds = Avstånd i rum-tiden Exempel på rum-tidsavstånd. 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Allmänna relativitetsteorin (1916) 1916: Einstein generaliserar relativitetsteorin till att gälla även observatörer som ändrar hastighet Ekvivalensprincipen: Gravitation! Två fall: ”Skapa” och ”trolla bort” gravitation. Gravitationen överlägset viktigaste kraften inom kosmologin. 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Materia kröker rum-tiden Tiden går långsammare nära tunga objekt En ljusstråle böjer av när den passerar ett tungt objekt Ljuset tar den väg för vilken tiden är kortast (längst): Fermats princip. Pierre de Fermat; 17 August 1601 – 12 January 1665) Sunda förnuftet? Einstein: ”Det sunda förnuftet är summan av alla fördomar vi samlat på oss när vi fyller arton” 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia 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 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

En metrik för Universum d s 2 = c t ¡ a ( ) [ r + S · ­ ] 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 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Universum: en kort historik Universum blir större och tunnare 13,7 miljarder år tillbaka i tiden: Big Bang Densitet efter 10-34 sekunder: 1037 solar per mm3 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Universum: en kort historik Solen och jorden skapas 4,5 miljarder år Homo Sapiens 250 000 år 13,7 miljarder år 0 år Big Bang 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

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 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia Strukturer formas Gravitationen är en attraktionskraft mellan materia och annan materia Galaxer är resultatet av en universell kapitalism pådriven av gravitationskraften 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Hur mycket materia finns det? Fritz Zwicky, 1930-talet Galaxhopen Coma 100 gånger mer materia än vad vi kan se: Mörk (genomskinlig) materia! 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Mörk materia i galaxer… Rotationen hos spiralgalaxer Vera Rubin, 1970-talet Mängder av mörk materia även i galaxer! 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia 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! 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia Gravitationslinser Bekräftar Zwickys och Rubins resultat! 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Hubblekonstanten är inte konstant Hastigheten = Hubblekonstanten*Avståndet 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 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

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! 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia 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! 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Ljus är inte bara fotoner Ljus kan beskrivas som en våg med en viss våglängd eller frekvens 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia Rödförskjutning Våglängden på ljuset talar om hur mycket större Universum blivit sedan ljuset lämnade källan Hur länge sedan var det ljuset lämnade källan? Notera att allt som hålls ihop inte expanderar med universum. 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia Avstånd = tid 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) Jämför Cepheider. 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia 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) 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia Universums innehåll Universums mörka historia! Densitet idag: 1 g / (5000 mil)3 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

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 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia 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 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia Universums krökning Har Universum någon gräns? Tänk dig att du är en myra… Universum oändligt stort! 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Vår mest avlägsna bild av Universum Var inte mikrovågor när den släpptes iväg. Mikrovågsbakgrunden 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia 1978 års Nobelpris i Fysik ”för upptäckten av den kosmiska bakgrundsstrålningen” (1965) Hornantenn Arno Penzias Robert Wilson 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia 2006 års Nobelpris i Fysik ”för upptäckten av den kosmiska bakgrundsstrålningens svartkroppsform och anisotropi” (1989, 1992) John Mather COBE satelliten George Smoot 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Bakgrundsstrålningens svartkroppsform 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Bakgrundsstrålningens anisotropi 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia Nya mätningar… 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia Mätningarna bekräftar tidigare resultat! 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia Sammanfattning Universum är 13.7 miljarder år gammalt Vanlig materia utgör bara en bråkdel av dess innehåll Nästan 99 % av Universum är av för oss helt okänd natur Även om vi ”bara” kan se 45,5 ljusår bort tror vi att Universum är oändligt stort Universum växer med allt större hastighet Vi vet fantastiskt mycket Det är fantastiskt mycket vi inte vet 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia Epilog Vi försöker fånga partiklarna som utgör den mörka materien Vi försöker se om den mörka energin ändrar egenskaper med tiden Fler och bättre observationer (praktik) Smartare modeller (teori) 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Bonus! Universums slutgiltiga öde VARNING TILL KÄNSLIGA ÅHÖRARE INNEHÅLLET KAN UPPLEVAS SOM DEPRIMERANDE

Universums slutgiltiga öde Solen växer till en röd jätte och slukar (antagligen) jorden, varefter den förvandlas till först en vit dvärg och därefter en svart dvärg (5 miljarder år) Galaxer kommer längre och längre ifrån varandra och blir mörkare och mörkare allteftersom dess stjärnor dör. Allt som blir kvar är döda stjärnor, planeter och svarta hål (1030 år) 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Universums slutgiltiga öde Om protonen sönderfaller, sönderfaller dessa döda stjärnor och planeter till t.ex. fotoner (1045 år) Till sist förvandlas även alla svarta hål till fotoner (10100 år): Big Freeze Tack för idag! 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Tiden gick saktare förr 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia

Kosmisk tid - universums mörka historia 2009-11-11 Kosmisk tid - universums mörka historia