Dabas vesture - Natural Historyhome.lu.lv/~kberzins/astrolekcijas/kberzins_dabas...Alternatīvās...
Transcript of Dabas vesture - Natural Historyhome.lu.lv/~kberzins/astrolekcijas/kberzins_dabas...Alternatīvās...
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 1
DABAS VĒSTUREI daļa (5 lekcijas) Kosmiskā evolūcija
Kārlis Bērziņš[email protected]
4. lekcija. Visuma struktūras veidošanās un attīstība.
Alternatīvās kosmoloģiskās teorijas.
2007.09.10.
DABAS VĒSTUREI daļa (5 lekcijas) Kosmiskā evolūcija
Kārlis Bērziņš[email protected]
1. Ievads kosmoloģijā.2. Visuma evolūcijas pamati.3. Reliktais mikroviļņu fona starojums.4. Visuma struktūras veidošanās un attīstība.
Alternatīvās kosmoloģiskās teorijas.5. Zvaigžņu fizikas pamati.
Saules sistēmas kosmogonija.
2007.09.10.
Kursa I daļas temati:
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 2
DABAS VĒSTURE4. lekcija
• Gravitācijas nestabilitāte. Džīnsa teorija. • Kosmoloģisko datu statistiskā apstrāde. • Kosmoloģiskās simulācijas. • Ciklisks (pulsējošs) visuma modelis. • Dīraka teorija. Modificētā Ņūtona dinamika.
Nekosmoloģiska sarkanā nobīde. • Stīgas un brānas. Multi-visums.
2007.09.10.
Lekcijas temati:
Visuma struktūras veidošanās un attīstība.
Alternatīvās kosmoloģiskās teorijas.
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 3
Struktūras veidošanās
• Pēc rekombinācijas viela Visumā ir ļoti homogēna:
Gravitācijas nestabilitātes rezultātā veidojas Visuma struktūra.
• Galaktikām: ~105
• Galaktiku kopām: ~ 102 - 103.
ρ
δρ
ρ
δρ
δρρ
δ
∝
−TT
~ 10 5
∇ =2 4φ π ρG
Pirmās zvaigznes Visumā jau 200-400 miljonus gadus pēc Lielā Sprādziena
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 4
Pirmās zvaigznes
Galaktikas VisumāHDF
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 5
Galaktikas VisumāHDF
Gravitācijas nestabilitāteGravitācijā nav statiska stāvokļa, tā rada dinamiku.
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 6
Džīnsa teorijaGravitatīvi saistīts gāzes
mākonis kolapsē: 2rG
drdP rρM−=
Apskatam sfērisku gāzes apgabalu ar rādiusu R, masu M un skaņas ātrumu gāzē cs. Tad skaņas vilnis šķērso šo apgabalu laikā:
ts=R/cs ≈ (5×105 yr) (R/0.1 pc) (cs / 0.2 km s-1)-1
Brīvās krišanas (free-fall) laika skala ir:
Tff= (Gρ)-1/2 ≈ (2×106 yr) (n / 103 cm-3) -1/2
kur ρ ir blīvums, n= ρ/µ, µ – vidējā daļiņas masa (µ=3.9×10-24 g - 20% He )
Gravitācijas kolapse notiek, ja tff =<>=<
−=
>=<
δσδ
δ
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 7
Jaudas spektrs
ρρρ
δ−
=)(
)(x
x ( ) ( )∑∑ ⋅−=⋅=k
kk
k xkxk iix expexp)(*δδδ
nAkkP =)(
.2 ,2 ,2L
nkL
nkL
nk zzyyxxπππ ===
∫∑∑∞
→==0
2222 )(211 dkkkP
V ku πδδδ
kkk
Kosmoloģiskās simulācijasPeriodiski robežnosacījumi.Diskrētas “daļiņas” reprezentē lauku.
• Dažādas dinamikas tuvinājumu metodes, piem. Zeļedoviča tuvinājums
• Tiešā integrēšana:
ε – mīkstināšanas (softening) faktors.
• PM – partricle-meshP3M – particle-particle, particle-mesh
• Lokāli jāņem vērā arī hidrodinamika,piem. SPH – Smoothed Particle Hydrodynamics.
2/32 )()(
ij
ijjiij xx
xxmGmF
−+−
=ε
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 8
Periodiski robežnosacījumi
1. Izvēlamies kosmoloģisko modeli2. Izvēlamies gandrīz homogēnus sākuma nosacījumus atbilstoši novērotajai Visuma masas sadalījuma funkcijai (jaudas spektram).3. Ļaujam sistēmai brīvi evolucionēt, veidojot Visuma liela-mēroga struktūru.4. Salīdzinam rezultātus ar novērojumiem.
n = 1 CDM HDM
Kosmoloģiskās simulācijas
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 9
Laiks
Barioniskās matērijas kolapsezvaigznēs un galaktikās
z=20
Springel & Hernquist 2003
z=0
100
Mpc
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 10
Visuma liela mēroga struktūra
Galaktiku veidotie skaņas viļņi kosmosā
SDSS (Sloan Digital Sky Survey) un2dFGRS (Two Degree Field Galaxy Redshift Survey)
Atklāti 2005
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 11
Galaktiku veidotie skaņas viļņi kosmosā
Atklāti 1995
Signatūra ir par mazu, lai tos varētu vizuāli saskatīt galaktiku kartē.
Nekosmoloģiska sarkanā nobīdeSarkano nobīdi rada arī
gravitācijas potenciāls:
rcGMzg 2≈
Fotons raujoties laukā no gravitatīvālauka zaudē enerģiju – kļūst sarkanāks.
−
=+
rcGM
zg2
21
11
Ar to nevar izskaidrot novēroto tālo objektu sarkanās nobīdes ainu!
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 12
Dīraka teorijaBezdimensionāli fundamentālo konstanšu parametri.
382 105.1 ×≈pGm
chKomptona viļņu garums un protona Švarcšilda rādiuss attiecība:
( )40
22
10 107.3
/×≈
−
cmecH
e
Visuma horizonta un elektrona rādiusa attiecība:
( ) ( )2408031
00 1010 =≈−
p
m
mcHρ
Barionu skaits novērojamajā Visumā:
( ) 4/140100
0 1010 =≈
m
prB mcTk
ρh
Fotonu un barionu skaitliskā blīvuma attiecība:Visuma plakanumu izsaka: ρ0mGH0–2 ≈ 1
402
1023.0 ×≈epmGm
ePiem. Kulona un gravitācijas spēka attiecība starp e- un p:
Dīraka teorijaVai tā ir tikai skaitliska sakritība jeb Visumā visu laiku:
1320
4
2
1 ≈cmGm
HeRR
ep
Fizikālajām lielumiem e, G, me c - vajadzētu mainīties laikā!
aatHtG&
=∝ )()(Piem :
gadi 103.331 191
00−− ×≈= hHt
Tad visuma vecumam vajadzētu būt:
Tad:2
23 )()()(
=∝
aatHtatG&
Atbrīvojoties no G: 3−∝aaa&
3−∝ amρun
3/1
00
=
ttaa
1
00
−
=
ttGG
- par mazu!
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 13
Modificētā Ņutona dinamikaMOND – Modiefied Newtonian Dynamics
Tumšā matērijas novērojumiBullet Cluster novērojumi izslēdz (?)- MOG (!)- MOND- TeVeS Brownstein & Moffat 2007
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 14
MOND
MOND
Ņūtona II likums
spēk
s
paātrinājums10-10 3×10-10 5×10-10
Kosmiskās stīgas un brānasKosmiskās stīgas ir hipotētiski 1D kosmiskās
telpas defekti. To biezums ~ Dp
Tās vajadzētu varēt redzēt Planck CMB novērojumos, ja tās pa tiešām eksistē.
Visumā ir novēroti daži stīgu notikumu kandidāti. Piem
Q0957+561A,B
Steinhardt
-
K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 15
Multi-visums jeb MuliverssI. Visuma atsevišķas daļasTuvākais ir ~10^(1029) m
II. Paralēlās pasaules
Multi-visums jeb MuliverssI. Visuma atsevišķas daļas