Crafoord palkinto nopeus-etäisyys etäisyys

Transkriptio

1 Allan Sandage ja maailmankaikkeuden laajeneminen P. Teerikorpi Tuorlanobservatorio Turunyliopisto

2 Allan Sandage ( ) Mt. Palomar Observatory

3 Crafoord palkinto 1991 hyvin tärkeistä tutkimuksista, joiden kohteina galaksit, niiden tähtisisällöt, tähtijoukot ja sumut ja niiden kehitys, sekä nopeus-etäisyys etäisyys relaatio (Hubblen laki) ja sen kosminen kehitys

4 SandageoliEdwin Hubblenassistentti Hubblen-Sandagenkosmologiaohjelma Sandage1961: The ability of the 200-inch telescope to discriminate between selected world models. (ApJ ApJ) eri Friedmanninmallit steady-state state malli

5 Sandage1961 osoitti, että kosmologiassavoidaan tehdä ennusteita ja testaamalla niitähavainnoilla valita empiirisesti uskottavimpia maailmanmalleja Vielä1952 Hermann Bondi kirjoitti kosmologian tilasta: The checking of a prediction, which usually forms such a vital link in the formulation of physical theories, does not occur in this field, and we have to rely on less objective and certain criteria, such as how satisfying and how simple a theory is'

6 Havaitsevan kosmologian keksintöjä galaksiavaruuden löytyminen kosmologinen punasiirtymä (Slipher) punasiirtymä punasiirtymä-etäisyyslaki (Hubble) kvasaarit (Sandageym ) terminen taustasäteily (1965) galaksiavaruuden kompleksinen rakenne pimeä sektori ja kiihtyvä laajeneminen

7 Galaksiavaruus: ~ 1920 Andromedansumun etäisyys etäisyys kolmella eri metodilla Knut Lundmark Ernst Öpik EdwinHubble

8 M31 etäisyys 2.5 Mvv andrometri pituusyksikkö 1 Mvv = 1 miljoonaa valovuotta = m

9 Kosmologinen punasiirtymä Vesto Slipher M31: spektri ja säteisnopeus 300 km/s mitattua sumua: 21 punasiirtymää, max km/s

10 Kosmologinen punasiirtymä Vesto Slipher M31: spektri ja säteisnopeus 300 km/s mitattua sumua: 21 punasiirtymää, max km/s Claude Bernard (1800-luku): metsämies oli yhden sortin riistan perässä, mutta saikin pyydykseensä yllättäen tyystin muuta

11 Allan Sandagekommentoi Slipheria: One of the most enigmatic astronomers ever The best astronomer hardly known in those days His desire for recognition approached zero

12 Allan Sandagekommentoi Slipheria: One of the most enigmatic astronomers ever The best astronomer hardly known in those days His desire for recognition approached zero Scientific morality is worth an infinite sum compared with false priority.

13 Havaitsevan kosmologian keksintöjä galaksiavaruuden löytyminen kosmologinen punasiirtymä (Slipher) punasiirtymä punasiirtymä-etäisyyslaki (Hubble) kvasaarit (Sandageym ) terminen taustasäteily (1965) galaksiavaruuden kompleksinen rakenne pimeä sektori ja kiihtyvä laajeneminen

14 Hubblen laki Slipherin punasiirtymät + Hubblen etäisyysarviot 1929 moderni diagrammi nopeus = c z lähiavaruuden Hubblen laki

15 The Observational Approach to Cosmology (1937): Hubble totesi, että The observable region of space, the region that can be explored with existing instruments, is a sample of the universe. If the sample is fair, its observed characteristics should furnish important information concerning the universe at large. Our sampleof the universe on äärellinen otos maailmasta. Tärkeätä, että otos olisi edustava, fair. Tähän ajatukseen perustui Hubblen- Sandagenkosmologian ohjelma.

16 Edustavuus? Hubble: 50 Mvv syvyys jo edustava? Nyt tiedetään: on olemassa 1000 Mvv rakenteita 600 Mvv

17 Syvemmälle avaruuteen Hubblen laki havaittu Mvv:n etäisyyksillä vakiokynttilöitä etäisyyden sijasta näennäinen kirkkaus

18 Teoreettinen puoli Alexander Friedmann Albert Einstein Georges Lemaître

19 Friedmannin laajeneva tasa-aineinen aineinen malli malli tilavuus tiheys geometria suljettu malli äärellinen yli- palloavaruus laakea ääretön kriittinen euklidinen avoin malli ääretön ali- hyperbolinen Lemaître ennusti 1927: punasiirtymä ~ etäisyys

20 Sandagentutkimusaiheita Linnunradan ikä (tähtien evoluutio) kosmiset etäisyysmittarit (kefeidit, ) Hubblen vakion arvo (V = H R) kosmologiset testit ja paljon muuta (>500 julkaisua) Klassisen kosmologian kysymyksiä galaksiavaruudessa

21 Galaksiavaruus

22 Tähtiä alusta loppuun 1953 (PhD) A Study of the Globular Cluster Messier 3 (pallomainen tähtijoukko) 2010 Amplitude Fine Structure in the Cepheid P-L Relation (kefeidi-tähtien sykkeestä)

23 Sandagentutkimusaiheita Linnunradan ikä (tähtien evoluutio) kosmiset etäisyysmittarit (kefeidit, ) Hubblen vakion arvo (V = H R) kosmologiset testit ja paljon muuta (>500 julkaisua)

24 Kosmisen laboratorion erityisyys katsoa saa, vaan ei koskea (yksi piste) katsotaan kauas ja menneeseen rakennettava kosmiset etäisyystikkaat valintaefektit suuri ongelma kosmologinen malli sekätavoite että työkalu Sandage: Practical cosmology

25 Mutta toisaalta Yrjö Väisälä: Luontoa ei voi pettää eikä luonto kieroile meitä vastaan

26 Mutta toisaalta Yrjö Väisälä: Luontoa ei voi pettää eikä luonto kieroile meitä vastaan Albert Einstein: Jumala on mutkikas, vaan ei pahansuopa

27 Etäisyystikkaat Paul Hodge (1981): The determination of the extragalactic distance scale, like so many problems that occupy astronomers' attention, is essentially an impossible task.

28 Etäisyystikkaat Paul Hodge (1981): The determination of the extragalactic distance scale, like so many problems that occupy astronomers' attention, is essentially an impossible task. itärajan takana sanotaan: silmä pelkää, mutta käsi tekee mahdottomia asioita, joita kuitenkin tehdään

29 Etäisyystikkaat mitä kaikkea luonnosta löytyy parallakseja pyöriviä galakseja räjähtäviä tähtiä ym. ym.

30 Kosmiset etäisyydet ja Hubblen vakio Nopeus = H etäisyys (V = cz= H R) H määrää etäisyys- ja aikaskaalan etäisyydet: ongelma systemaattiset virheet Hubblen vakion alamäki aikaskaala kasvanut ~ miljardia v

31 Hubblen vakion mitatun arvon pienentyminen

32 G.Paturelinajankuva ajankuva 1980-luvulta Sandage de Vaucouleurs

33 Päivitetty versio muutamat monet muut

34 Hubblen vakio kertoo ~ iän, muttei geometriaa Sandage: The searchfor two numbers lisätestejä laajenemisvauhti ja sen hidastuminen aineen tiheys vakiokynttilät, mittakepit eri punasiirtymillä taustasäteily Sandage eritoten: kirkkausetäisyys vs. punasiirtymä

35 Etäisyydet kosmologisia testejä Euklidinen: keppietäisyys = kirkkausetäisyys = kulmakokoetäisyys Epäeuklidinen, staattinen: keppietäisyys kirkkausetäisyys = kulmakokoetäisyys Laajeneva avaruus: keppietäisyys kirkkausetäisyys kirkkausetäisyys kulmakokoetäisyys punasiirtymäetäisyys

36 Olisipa oiva testikappale, kummastakin päästä palava kynttilä Vakiotehot vakiopituus Kirkkaustesti: näennäinen kirkkaus vs. punasiirtymä mikä Friedmannin malli?

37 Olisipa oiva testikappale, kummastakin päästä palava kynttilä Vakiotehot vakiopituus Kirkkaustesti: näennäinen kirkkaus vs. punasiirtymä mikä Friedmannin malli? Kulmakokotesti: kulma θ vs. punasiirtymä

38 Olisipa oiva testikappale, kummastakin päästä palava kynttilä Vakiotehot vakiopituus Kirkkaustesti: näennäinen kirkkaus vs. punasiirtymä mikä Friedmannin malli? Yhdistelmätesti: säteilyvuo f, kulma θ f/ θ 2 (1+z) - 4. laajenemisen testi Kulmakokotesti: kulma θ vs. punasiirtymä

39 Galaksijoukkojen ykkösgalaksit kirkkaustestissä Sandage tutki paljon luvuilla Hubblen laki näkyy kauniisti, MUTTA kirkkaus kehittyy miljardeissa vuosissa Neitsyen joukko

40 Galaksijoukkojen ykkösgalaksit kirkkaustestissä punasiirtymä kirkkausetäisyys

41 Galaksijoukkojen ykkösgalaksit kirkkaustestissä punasiirtymä 1956 Hoyle& Sandage ennustivat mahdollisuuden havaita kiihtyvästi laajeneva kaikkeus m-zdiagrammista! kirkkausetäisyys

42 Sandagentyötoveri Gustav Tammann1979: supernovia Ia voisi käyttää kirkkaustestissä (Λ>0?) kaksi ryhmää toteutti testin hyvin etäisillä supernovilla Λ= Einsteinin kosmologinen vakio

43 Sandagentyötoveri Gustav Tammann1979: supernovia Ia voisi käyttää kirkkaustestissä (Λ>0?) kaksi ryhmää toteutti testin havaittiin Riesset et al. Perlmutter et al. odotettiin Λ= Einsteinin kosmologinen vakio

44 Sandagentyötoveri Gustav Tammann1979: supernovia Ia voisi käyttää kirkkaustestissä (Λ>0?) kaksi ryhmää toteutti testin havaittiin kiihtyvyys odotettiin antigravitaatio, pimeä energia, Λ >0 Λ= Einsteinin kosmologinen vakio

45 Uusi kosmologia

46 Uusi kosmologia Laatu korvaa määrän?

47 Sandage(1995): 23 astronomical problems for the next three decades* Kosmologia-aiheisiaaiheisia mm. Onko laajeneminen todellista? Etäisyysskaala Maailmankaikkeuden geometria Pimeän aineen luonne ja määrä *vrt. Hilbertin23 matematiikan ongelmaa

48 Sandage(1995): 23 astronomical problems for the next three decades Kosmologia-aiheisiaaiheisia mm. Onko laajeneminen todellista? Etäisyysskaala Maailmankaikkeuden geometria Pimeän aineen luonne ja määrä

49 Toisinajattelijan työtoverina: Burbidge editor, Sandageco co-editorann.rev.a&a Geoffrey Burbidge ( ) alkuaineiden synty tähdissä B 2 FH kvasaarien punasiirtymienluonne? Big Bang?

50 Punasiirtymän luonne ja laajenemisen testit staattinen laajeneva mekanismi tuntematon laajeneva avaruus punasiirtymä ei muutu kulma kulma θ(z) laskeva pintakirkkaus (1+z) pari muuta (Sandage 1961) z/vuosi ~ 1 cm/s/vuosi ei testattu (42m E-ELT ELT?) θ(z): (z):lla minimi! ollut vaikea testata pintakirkkaus (1+z) - 4. Sandage: galaksi kalpenee, yes

51 Punasiirtymän luonne ja laajenemisen testit staattinen laajeneva mekanismi tuntematon laajeneva avaruus punasiirtymä ei muutu kulma kulma θ(z) laskeva pintakirkkaus (1+z) - 1. (Sandage 1961) z/vuosi ~ 1 cm/s/vuosi ei testattu (42m E-ELT ELT?) θ(z): (z):lla minimi! ollut vaikea testata pintakirkkaus (1+z) - 4. Sandage: galaksi kalpenee, yes

52 Punasiirtymän luonne ja laajenemisen testit staattinen laajeneva mekanismi tuntematon laajeneva avaruus punasiirtymä ei muutu kulma kulma θ(z) laskeva pintakirkkaus (1+z) - 1. (Sandage 1961) z/vuosi ~ 1 cm/s/vuosi ei testattu (42m E-ELT ELT?) θ(z): (z):lla minimi! ollut vaikea testata pintakirkkaus (1+z) - 4. Sandage: galaksi kalpenee, yes

53 Sandage: galaksien pinnat himmenevät suurin piirtein odotetusti havaittu (1+z) laskettu kehitys (1+z) -4 punasiirtymä Vastaa kaksoiskynttilän yhdistelmätestiä

54 Entä kulmakokotesti? Vakiotehot vakiopituus Kulmakokotesti: (Fred Hoyle 1959) θ Laajeneva avaruus kulmassa θminimi, punasiirtymä > 1

55 Kulmatestiä yritetty 2-radiolähteillä Joutsen A

56 Kulmatestiä yritetty 2-radiolähteillä minimiä ei ole saatu näkyviin kehitys? valintaefekti? Kapahi 1987 Nilsson 1993

57 Sopusoinnun periaate Friedmannin laajeneva malli selittää monia eri havaintoja, mikä puoltaa laajenemisen paradigmaa. Sandagekorostanut: aikaskaalojen yhteensopivuus noin 14 miljardia v ikä Hubblen vakiosta Linnunradan vanhimpien tähtijoukkojen ikä alkuaineiden ikä Suora mittaus, punasiirtymänmuutos, muutos, vielä tekemättä E pursi muove! (?)

58 What seems so simple is often complex in its dreadful detail

59 All swellthatendswell

60

61 lämpötila T(z) 2.7 (1+z) Luzziet al. 2009

62 Supernovien Ia valokäyrän venyminen punasiirtymän mukaan (Goldhaber et al. 2001)