Expansiunea

Universului

Ricardo Moreno, Susana Destua, Rosa M. Ros, Beatriz García

Uniunea Astronomică Internațională,

Școala Retamar (Madrid, Spania), Space Telescope Science

Institute (Baltimore, SUA)

Universitatea Tehnică din Catalonia (Barcelona, Spania)

Universitatea Tehnologică Națională (Mendoza, Argentina),

Obiective

Să înțeleagă ceea ce este expansiunea

Universului

Să înțeleagă că nu există nici un centru al

Universului

Să înțeleagă Legea lui Hubble

Să analizeze modul în care poate fi detectată

materia întunecată

Prezentare

Acest atelier are următoarele etape:

Originea Universului: Big Bang

Galaxiile: nu se "mută" prin spațiu, spațiul

este cel care se extinde.

Constanta lui Hubble: v = H · d

Nu există nici un centru al universului, așa

cum nu există nici o țară centrală pe glob

Radiaţia de fond

Lentile gravitationale

Modele, predicţii, de verificare:

faţă de masa Experiment

Experimentul funcționează, deoarece fizica este o disciplină care permite a prezice ce se va întâmpla: dacă

tragem rapid o față de masă, nu este timp pentru acțiunea forțelor de frecare de a acționa asupra obiectelor de pe masă și acest lucru explică ceea ce se intampla

Fizica dezvoltată pe Pământ este aceeași cu cea pe care o aplică Astronomii Universului.

Predicție: dacă trageți rapid o faţă de masă, ce se intampla cu ceea ce este pe masă ? Datorita inertiei corpurile raman pe masa.

Deplasarea spre roșu 1/3

Lumina difuzată de fiecare element arată liniile: este spectrul caracteristic fiecărui element.

Observând lumina de la galaxii, vom vedea că liniile sunt deplasate spre roșu, și cu cât mai departe este galaxia, cu atât este mai mare schimbarea.

Aceasta este interpretată ca un rezultat al mișcării de îndepărtare a galaxiilor de noi

Deplasarea spre roșu 2/3

Galaxiile din apropiere au mișcări relative mici și

neregulate: Marele Nor al lui Magellan 13 km/s,

Micul Nor al lui Magellan -30 km/s, Andromeda -

60 km/s, M 32 21 km/s.

În roiul Fecioara, (50 de milioane de a.l.), toate

galaxiile se îndepărtează de noi la viteze între

1000 și 2000 km/s.

În constelația Coma Berenice (300 de milioane

de a.l.), vitezele sunt între 7.000 și 8 500 km/s.

Deplasarea spre roșu 3/3

În direcția opusă, M 74 se mută la 800 km/s

și M 77 la -1130 km/s.

Dacă observăm galaxii îndepărtate și slabe,

viteza de recesiune este chiar mai mare: NGC

375 se îndepărtează de la 6200 km/s, NGC

562 la 10500 km/s și NGC 326 la 14500 km/s.

Independent de direcția în care am observa,

cu excepția galaxiilor foarte apropiate, toate

se îndepărtează de noi.

Efectul Doppler

O ambulanță, o motocicletă,

un tren care se apropie, auzim

un sunet strident atunci când

se îndepărtează de noi

Acut unda este scurtată

Grav unda este întinsă

• Efectul Doppler poate fi auzit

prin rotirea în plan orizontal a

un ceas cu alarmă.

• Atunci când se apropie de

privitor, este scurtată, iar

sunetul este mai ascuțit.

• Când se îndepărtează, este

întins și sunetul este mai puţin

ascuțit.

• Se întâmplă la fel ca sunetul

unei motociclete, unei

ambulanțe, unui tren ...

Activitatea 1: Efectul Doppler

•Acest efect Doppler se datorează deplasării. Dar acest lucru

nu este cel de la expansiunea galaxiilor.

Activitatea 2. Extindere de fotoni

•Universul, atunci când se extinde,"întinde"fotonii din el.

•Puteți face un model in care se întind cu ajutorul unui

cablu semi-rigid, care este folosit în instalații electrice de

case.

•Cu cât este mai lungă calea fotonului, cu atât sunt mai

întinse.

Legea Hubble

În 1930, Edwin Hubble şi-a dat seama că galaxiile cele mai îndepărtate se îndepărtează mai repede.

Legea Hubble: v = H·d

Nu se deplasează prin spațiu: spațiul este cel care se extinde, trăgând galaxiile

Activitatea 3: Universul într-un cauciuc

Activitatea 4: Universul într-un balon

•Distanţa dintre galaxii creşte cu expansiunea

•Galaxiile nu se deplasează pe balon

Ex

pan

siu

nea U

niv

ers

ulu

i

1 Distanța până la cele mai apropiate galaxii obținute în

principal din relația perioadă-luminozitate a stelelor cu

Cepheide variabile

Din curba de lumină este posibil să se obțină perioada P

Din relația perioada-luminozitate magnitudinea absolută

M

Cu aceste cantități, se poate calcula distanța d=10(m-M+5)/5

pc Pentru a determina distanțe la galaxiile cele mai îndepărtate astronomii

folosesc un singur tip de supernove cu luminozități similare.

2 Viteza de recesiune este măsurată în spectrul:

v(/)*c Exp

an

siu

nea U

niv

ers

ulu

i

16

3 Constanta Hubble este panta liniei: v = H0 ·d,

unde H0 este rata de expansiune a Universului:

H0 = 72 km/s/Mpc

Fig. 1 din Freedman și colab, 2001, APJ, vol. 553, p47.

Exp

an

siu

nea U

niv

ers

ulu

i

Activitatea 5: Calcularea constantei

Hubble

Albastru = Univers

înainte de

expansiune

Roșu = Univers

după expansiune

Activitatea 5: Calcularea

constantei Hubble

Dacă ne întoarcem, a existat un moment în care totul a fost unit: Universul în expansiune.

Georges Lemaître a venit cu ideea unui univers în expansiune, care a început ca un "ou cosmic". Este cel mai acceptat model de univers astăzi

Big Bang

Big Bang

Nume de Big Bang: explozie mare.

Lui Fred Hoyle, cu anumite prejudecăți anti-religioase, I s-a părut sau a considerat că modelul ar fi în concordanță cu ideea unui Creator

S & T a făcut un concurs să-l redenumească. 12.000 de propuneri. Nici una nu a fost mai bună.

Big Bang Înainte de Big Bang? Nu știm nimic.

Care a fost cauza? De ce s-a întâmplat? Și de ce are aceste legi fizice?

Fizica ne spune cum funcționează lucrurile existente, nu de ce există.

Fizica studiază materia de la originile sale (de la Big Bang), nu înainte, și nici nu se studiază motivul sau scopul de ce există. Acestea sunt filosofice, religioase, dar nu probleme științifice.

2 erori: a face religie din știință și de a face ştiinţă din religie. Fiecare are propriul domeniu de studiu, metode și modul de a vedea realitatea complexă.

Big Bang

Fluctuația din vidul cuantic?

Vidul nu este nimic, există.

Universuri multiple? Nedemonstrabil

prin definiție. Teorie non-științifică

Evoluția Universului

Dezvoltarea Universului

Activitatea 6: Nu este un centru de răspândire

100%

105%

Activitatea 6: Nu este un centru de răspândire

Radiație

Radiații care au devenit libere la 380000 ani

după Big Bang.

De-a lungul timpului, se extinde spațiul,

fotonii se extind în lungime de undă.

Este prezenta în regiunea microundelor

Misiunile COBE,

WMAP și Planck au

făcut o hartă a cerului

cu radiaţii care, tot mai

detaliate, detectează

fluctuațiile mici:

amprente de bucăți de

materie din care

galaxiile au început să

se formeze

Fondul de radiațiilor de

microunde

Activitatea 7: Radiația de fond

cosmică

• 300000 ani după Big Bang, fotonii au fost

separaţi de materie și au început să

călătorească liber prin univers.

• Prin extinderea spațiului, fotonii şi-au

extins lungimea de undă, în prezent = 2

mm, echivalent cu T = 2.7 K = -270 ° C.

Activitatea 7: Radiația de fond

cosmică

• Putem detecta cu un TV analog.

Într-un canal gol, unul din zece puncte vine de

la radiația de fond de microunde.

Găurile negre nu sunt vizibile, dar

noi știm că ele există pentru că

atracția lor gravitațională face să se învârtească totul în jurul lor.

Materia întunecată este invizibilă, un mod de a detecta este observarea comportamentului de apropiere a obiectelor.

Materie întunecată: masa Spin care

compensează atracția gravitațională terestră

Un alt mod de a detecta materia

întunecată: lentilă gravitațională

Masa unei lentile gravitaţionale acţionează ca un

obiect optic de denaturare a spațiului din jur și

deviază lumina unui alt obiect îndepărtat.

Lentile gravitaționale

Lumina urmează întotdeauna calea cea mai

scurtă posibil

Dacă suprafața este curbată, linia este curbată

De ce se curbează lumina când

trece pe lângă un corp?

În cazul în care o masă este prezentă, spatiul este curbat și cel mai scurt drum între două puncte este o curbă.

O situație similară poate fi văzută cu ajutorul globului terestru.

Pentru o lentilă optică convexă, lentila concentrează razele de lumină paralele pe un punct: focalizarea.

Pentru o lentilă gravitațională, lentila concentrează razele de lumină pe o linie în loc de un punct; acest lucru poate introduce mai multe distorsiuni în imagine.

Cum acţionează lentilele

gravitaționale?

Schimbări de poziție și

multiplicare

Deformarea produce poziția aparentă a stelelor,

galaxiilor sau quasarilor

Lentilele gravitaționale nu sunt perfecte, cele mai

mari pot produce mai multe imagini.

Deformare

În cazul în care corpul deviat este o sursă astronomică extinsă, imaginile rezultate produc un set de arcuri luminoase.

"Dacă sistemul de lentile este perfect simetric, razele converg și rezultatul este un inel".

Dacă corpul deviat este o stea sau un quasar, imaginea este un punct.

Activitatea 8: Simularea de deformare

a spațiului, cu un pahar de vin

Dacă puneți paharul de vin alb pe hârtie milimetrică și vă uitaţi prin vin, puteți vedea această deformare.

Activitatea 8: Fixaţi o lanternă și mișcaţi-o încet în timp ce priviţi

prin sticla de vin

Acest model simplu arată că "materia" poate produce distorsiuni observate în imagini "prin" ea.

Activitatea 8: Fixaţi o lanternă și mișcaţi-o încet în timp ce priviţi prin sticla de vin

Fragment de arc; Crucea lui Einstein; Inelul lui Einstein

Dacă punem baza unui pahar de sticla pe hârtie milimetrică, putem vedea deformarea.

Activitatea 8: Simularea de deformare

cu piciorul unui pahar

Taie fundul paharului.

Activitatea 8: Privind prin "partea de jos a unui pahar"

Fragment de arc; Crucea lui Einstein; Inelul lui Einstein

Activitatea 8: Privind prin "partea de jos a

unui pahar"

De ce e întuneric noaptea?

Olbers a sugerat că în cazul în care:

Universul este infinit ca măsură.

Numărul de stele este distribuit uniform în

univers.

Toate stelele au o luminozitate similară de-

a lungul Universului ...

Noapte întunecată

Un Univers infinit va avea un număr infinit de

obiecte și trebuie să fie strălucitor noaptea

De ce e întuneric noaptea?

Apoi :

Orice punct de pe cer va fi luminos, nu negru, deoarece nu va fi întotdeauna o stea îndepărtată stralucitoare.

Numărul de stele in fiecare "strat de ceapă" al cerului este proporțional cu R2 și lumina lor este invers proporțională cu r2, unde fiecare strat furnizeaza aceeași cantitate de lumină spre Pamant. Dacă există straturi infinite, cerul ar trebui să apară luminos pe timp de noapte.

De ce e întuneric noaptea?

Greşeli:

Datorită expansiunii, stelele mai îndepărtate par mai roșiatice (mai luminoase).

Dar mai presus de toate, cerul nu are o vârstă infinită. Nu există straturi infinite de stele.

Noaptea poate fi întunecată!

Vă mulțumesc foarte

mult pentru atenție!