Aine ja maailmankaikkeus. Kari Enqvist Helsingin yliopisto ja Fysiikan tutkimuslaitos

Transkriptio

1 Aine ja maailmankaikkeus Kari Enqvist Helsingin yliopisto ja Fysiikan tutkimuslaitos Lahden yliopistokeskus

2 1900-luku tiedon uskomaton vuosisata -mikä on aineen olemus -miksi on erilaisia aineita (kemia) -mitä on elämä -miksi aurinko paistaa -millainen on maailmankaikkeus reduktionismi tieteellinen maailmankuva

3 Ensimmäinen alkeishiukkanen: elektroni J.J. Thomson 1897 katodisäteet = elektroneja 1800-luku: kemiallinen atomi 1900-luvun taite: energetiikka, jatkuva aine

4 MIKSI AURINKO PAISTAA? Hans Bethe 1939 nobel 1967 protonit törmäilevät ja yhtyvät heliumiksi p + p... He + fotoneja + neutriinoja hydrostaattinen tasapaino E = mc 2 4 milj tonnia massaa/s liike-energiaksi = 100 miljardia megatonnia/s = 276 W/m milj. km ytimen lämpötila 16 milj astetta matelijan metabolismi komposti

5

6 mutta protonit ja neutronit ovat yhdisteitä... Hiukkasfysiikan standardimalli

7 CERNin CMS-ilmaisin

8

9 atomista vuotaa ulos sähkömagneettista kenttää kemia karkeistettua fysiikkaa

10 tapa jolla molekyylit muodostuvat on vielä monimutkaisempi muoto tärkeä perustason yksinkertaisuus monimutkaisuus käytännön sovelluksia: lääkkeet, nanoteknologia, jne

11 Maailmassa on pimeää ainetta neutriinot: -eivät vuorovaikuta valon kanssa -syntyvät ydinreaktioissa mustat aukot -tavallista atomaarista ainetta kosmologia tuntematonta pimeää ainetta

12 UNIVERSUMIN KALUSTELUETTELO aiheuttaa kiihtyvää laajenemista

13 mistä tiedämme tämän? ALKURÄJÄHDYSTEORIA 1917: Einstein sovelsi yleistä suhteellisuusteoriaa koko maailmankaikkeuteen avaruus laajenee

14 Edwin Hubble : Linnunradan ulkopuolella on galakseja : galaksien lähettämä valo punasiirtyy sitä enemmän, mitä kauempana ne ovat avaruus laajenee nykyään on mitattu miljoonien galaksien punasiirtymät

15 tyhjä avaruus laajenee Linnunrata välimatkat näyttävät venyvän atomit, galaksit sidottu toisiinsa

16 alkuräjähdys á la Einstein ei tapahtunut missään: aika ja avaruus saivat alkunsa alkuräjähdyksessä avaruus ei laajene mihinkään tyhjään tilaan

17

18 Miten katsotaan menneisyyteen? valon nopeus on vain km/s: kun katsotaan kauas, katsotaan samalla menneisyyteen KUU on noin 1 s päässä menneisyydessä AURINKO on noin 8 minuutin päässä ANDROMEDAN GALAKSI on 2 miljoonan vuoden päässä ALKURÄJÄHDYS on 13.7 miljardin vuoden päässä

19 Kun katsotaan niin kauas kuin on mahdollista katsoa, nähdään KOSMINEN MIKROAALTOTAUSTA - löytyi sattumalta vuonna joka suunnasta saapuvaa mikroaaltosäteilyä

20 13.7 mrd vuotta 13.7 mrd valovuotta maailmankaikkeuden koko voi olla ääretön vuotta alkuräjähdyksestä

21 Mikroaaltotaustaa mitanneita satelliitteja COBE (Cosmic Background Explorer) 1992 WMAP (Wilkinson microwave anisotropy probe) 2003 Planck (vrt. Max Planck) 2009 keväällä suomalaiset tutkijat mukana

22 Kuuma alkutila lämpösäteilyä T = K

23 WMAP PRIMORDIAL SKY MAP <T> = K O(10-5 ) K Kuumia ja kylmiä alueita muutaman sadastuhannesosaasteen suuruisia eroja

24 PIMEÄ AINE CDM cold dark matter - läpinäkyvää ei lähetä eikä vastaanota sähkömagneettista säteilyä - vaikuttaa painovoimallaan toistaiseksi tuntemattomien alkeishiuk- kasten muodostama kylmä kaasu neutriinot myös pimeää ainetta ei riittävästi

25 Bullet cluster: dark matter in action

26 simulaatiot galaksijoukkojen nauhamainen rakenne 1 Mpc = 3 milj. vv ZOOM 3D PAIKALLINEN GALAKSIJOUKKO

27 PIMEÄ ENERGIA tyhjiöenergia = kosmologinen vakio pimeä energia yleisempi: kosmologinen vakio voi muuttua ajan kuluessa EI KOOSTU HIUKKASISTA osallistuu maailmankaikkeuden kehitykseen painovoimavaikutuksellaan (energia on massaa ja massa energiaa!)

28 Tyyppi Ia supernova harvard.edu Chandrasekharin raja standardikynttilä

29 PIMEÄ ENERGIA

30 SN kirkkaus d Oletus: FRW-universumi d=[z+f( m)z 2 ]/H 0 = energia/kriittinen energia emogalaksin z

31

32 KOSMOLOGIAN STANDARDIMALLI CDM mikroaaltotausta + supernovahavainnot + FRW-oletus laajenemisvauhti alkoi kiihtyä n. 6 miljardia vuotta sitten energia relativistinen aine = säteily aine pimeä energia v - 6 mrd v 2010 aika

33 pimeä energia = teoreettinen ongelma hiukkasteoriat - miksi suuruusluokka E ~10-120? - miksi juuri nyt? Nykykosmologian suurin haaste

34 Onko pimeä energia varmasti olemassa? laajenemista ei nähdä ainoastaan valoa epähomogeniat kangastus? Onko teoria varmasti oikea? yleinen suhteellisuusteoria väärä? yleistä suhteellisuusteoriaa pitää laajentaa? tieteellinen keskustelu jatkuu kiivaana

35 Onko pimeä aine varmasti olemassa? hyvin vähän epäilijöitä monia pimeää ainetta havaitsemaan pyrkiviä kokeita löytyy seuraavan 10 vuoden aikana?