1. Er universet skabt for vores skyld
1. Er universet skabt for vores skyld
1. Er universet skabt for vores skyld
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Universets opståen og udvikling 1<br />
Universets opståen og<br />
udvikling<br />
Grundtræk af kosmologien
Universets opståen og udvikling 2<br />
Albert Einstein<br />
• Omkring 1915 fremsatte<br />
Albert Einstein<br />
sin generelle relativitetsteori.<br />
En matematisk<br />
beskrivelse af<br />
verdensrummets geometri<br />
i fire dimensioner<br />
• Denne teori er stadig<br />
det faste udgangspunkt<br />
<strong>for</strong> alle, der <strong>for</strong>sker<br />
i kosmologi, dvs.<br />
læren om <strong>universet</strong>
Universets opståen og udvikling 3<br />
Tyngdekræfter fastlægger rummets geometri<br />
• Ifølge Einstein er rummets<br />
krumning fastlagt af tyngdekræfter<br />
• Tegningerne viser todimensionale<br />
analogier<br />
• Universet<br />
kan<br />
være<br />
lukket,<br />
fladt<br />
eller<br />
åbent<br />
Lukket univers Åbent univers
Universets opståen og udvikling 4<br />
Universet er alt, hvad der er<br />
• Ballonen illustrererer et<br />
todimensionalt lukket<br />
univers. Væsener, der er<br />
bundet til dens overflade,<br />
kan bevæge sig så langt,<br />
de vil, uden at møde<br />
grænser<br />
• I princippet kan man finde<br />
ud af, om <strong>universet</strong> er<br />
åbent eller lukket ved at<br />
måle vinkelsummen i en<br />
stor trekant. Det er dog<br />
ikke lykkedes at gøre det<br />
Åbent Lukket
Universets opståen og udvikling 5<br />
Universet er ufatteligt stort<br />
• Rummet indeholder<br />
milliarder af galakser<br />
• Flere af galakserne på<br />
billedet er mere end<br />
10 mia. lysår borte<br />
Galaksen M81
Universets opståen og udvikling 6<br />
Universet udvider sig<br />
• Edwin Hubble opdagede<br />
i 1920-erne,<br />
at galakserne i rummet<br />
bevæger sig<br />
bort fra hinanden<br />
• Uanset, hvor man<br />
befinder sig, ser det<br />
ud, som om andre<br />
galakser flygter<br />
• Verdensrummet<br />
udvider sig<br />
Billedet viser en galaksehob
Universets opståen og udvikling 7<br />
To kosmologiske teorier<br />
• I de følgende år<br />
fremkom der<br />
med udgangspunkt<br />
i Einsteins<br />
relativitetsteori<br />
to modstridende<br />
teorier om rummets<br />
udvidelse:<br />
• <strong>1.</strong> Big Bang<br />
• 2. Steady State
Universets opståen og udvikling 8<br />
Steady State teorien<br />
• Der opstår hele tiden<br />
stofpartikler af ingenting<br />
• Selv om galakserne<br />
spredes til alle sider, er<br />
<strong>universet</strong> stationært<br />
• Det ny stof, som opstår,<br />
holder tætheden<br />
konstant<br />
• Universet ser ens ud<br />
overalt, og har altid<br />
gjort det
Universets opståen og udvikling 9<br />
Big Bang teorien<br />
• Både rum og tid opstod<br />
<strong>for</strong> ca. 15 mia. år siden<br />
ved en kæmpeeksplosion<br />
• I begyndelsen var <strong>universet</strong><br />
lille og meget varmt.<br />
Siden er det kølet af i<br />
takt med, at det har<br />
udvidet sig<br />
• Tætheden af galakser<br />
bliver mindre i takt med<br />
udvidelsen
Universets opståen og udvikling 10<br />
Big Bang vinder<br />
• I mange år kæmpede tilhængere <strong>for</strong> hver deres<br />
teori. I dag betragtes kampen som afgjort<br />
• Big Bang teorien understøttes nemlig af fire solide<br />
søjler
Universets opståen og udvikling 11<br />
Den første søjle<br />
Big Bang passer med fysikken
Universets opståen og udvikling 12<br />
Fysikerne kender fire kræfter<br />
• <strong>1.</strong> Den stærke kraft<br />
Virker over korte afstande<br />
Binder kvarker og atomkerner<br />
sammen<br />
2. Den svage kraft<br />
Virker over korte afstande<br />
Ansvarlig <strong>for</strong> bl.a. betahenfald<br />
• 3. Den elektromagnetiske<br />
Virker over længere afstande<br />
Binder elektroner til atomkerner<br />
• 4. Tyngdekraften<br />
Virker over meget store afstande<br />
Holder sammen på hele <strong>universet</strong>
Universets opståen og udvikling 13<br />
Kræfterne virker ved udveksling af partikler<br />
• De elektromagnetiske<br />
kraft virker ved udveksling<br />
af fotoner<br />
• Den stærke kraft <strong>for</strong>midles<br />
af såkaldte gluoner<br />
• Den svage kraft <strong>for</strong>midles<br />
af partiklerne W + , W - og<br />
Z o<br />
• Gravitationskraften <strong>for</strong>midles<br />
af såkaldte gravitoner.<br />
Man har endnu<br />
ikke været i stand til at<br />
observere gravitoner<br />
Udveksling<br />
af bolde<br />
giver frastødning
Universets opståen og udvikling 14<br />
Fysikerne kender stoffets opbygning<br />
• Stof består af krystaller<br />
og molekyler<br />
• Krystaller og molekyler<br />
består af atomer<br />
• Atomer består af kerner<br />
og elektroner<br />
• Atomkerner består af<br />
protoner og neutroner<br />
• Protoner og neutroner<br />
består af kvarker
Universets opståen og udvikling 15<br />
Fysikerne kender stråling og stof<br />
• Strålingskvanter kan omdannes til partikler,<br />
og partikler kan blive til stråling
Universets opståen og udvikling 16<br />
Big Bang teorien<br />
• Universet opstod <strong>for</strong> ca.<br />
15 milliarder år siden ved<br />
en kæmpeeksplosion, der<br />
<strong>skabt</strong>e rum og tid<br />
• I begyndelsen var temperaturen<br />
meget høj, over<br />
10 32 grader
Universets opståen og udvikling 17<br />
De fire kræfter<br />
• Lige efter Big<br />
Bang var der kun<br />
én kraft i <strong>universet</strong><br />
• Efterhånden som<br />
<strong>universet</strong> kølede<br />
af, udskiltes de<br />
fire kendte kræfter<br />
• Først gravitationen,<br />
og derefter<br />
den stærke kraft
Universets opståen og udvikling 18<br />
Lette partikler opstår<br />
• Universet afkøles hurtigt<br />
• På et tidspunkt bliver<br />
temperaturen så lav, at<br />
partikler som elektroner,<br />
positroner og kvarker<br />
opstår af strålingen ved<br />
pardannelse<br />
?
Universets opståen og udvikling 19<br />
Protoner og neutroner opstår<br />
• Den stærke kraft udskilles<br />
• De hidtil frie kvarker<br />
bindes af den stærke<br />
kraft sammen til neutroner<br />
og protoner<br />
?
Universets opståen og udvikling 20<br />
Atomkerner opstår<br />
• Neutroner og protoner<br />
danner kerner af helium,<br />
indtil der ikke er flere<br />
neutroner<br />
• Foruden stråling og lette<br />
partikler indeholder rummet<br />
nu kerner af H og He<br />
?
Universets opståen og udvikling 21<br />
Atomer opstår<br />
• Efter ca. 300.000 år er<br />
<strong>universet</strong> kølet ned til<br />
3000 K<br />
• Den elektromagnetiske<br />
kraft binder elektroner<br />
og kerner sammen til<br />
atomer af H og He
Universets opståen og udvikling 22<br />
Den anden søjle<br />
Urstoffets sammensætning og alder
Universets opståen og udvikling 23<br />
Stjernemodeller<br />
• Ved hjælp af computermodeller har man beregnet<br />
stjerners udvikling og alder<br />
• De ældste stjerner i kugle<strong>for</strong>mede hobe er ca.<br />
13 mia. år gamle
Universets opståen og udvikling 24<br />
Grundstoffer i stjerner<br />
• Beregning og analyse af stjerners spektre viser,<br />
at gamle stjerner består af hydrogen og helium<br />
• Yngre stjerner indeholder desuden små mængder<br />
af tungere grundstoffer<br />
• På billedet monteres et fotometer på 2,5 meterteleskopet<br />
i La Palma på De Kanariske Øer<br />
Et fotometer monteres i<br />
bunden af teleskopet
Universets opståen og udvikling 25<br />
Urstoffet<br />
• Astronomerne nåede<br />
frem til, at stjerner<br />
og galakser er<br />
opstået af et urstof,<br />
der indeholdt 76 %<br />
hydrogen og 24 %<br />
helium<br />
• De kunne imidlertid<br />
ikke <strong>for</strong>stå det!<br />
Hvor<strong>for</strong> ikke rent<br />
hydrogen?<br />
76 %<br />
24 %
Universets opståen og udvikling 26<br />
Big Bang teorien har <strong>for</strong>klaringen<br />
• Knapt et sekund efter Big Bang bliver kvarkerne<br />
af den stærke kraft bundet sammen til<br />
neutroner og protoner<br />
• Neutroner og protoner vekselvirker<br />
• Efterhånden som temperaturen falder, <strong>for</strong>skydes<br />
ligevægten, så der bliver 88 % protroner og<br />
12 % neutroner<br />
88 %<br />
12 %
Universets opståen og udvikling 27<br />
Urstoffets sammensætning<br />
• For hver 100 kernepartikler<br />
er der 88 protoner og<br />
12 neutroner<br />
• Heraf kan der dannes seks<br />
heliumkerner, da hver<br />
kerne kræver to neutroner<br />
og to protoner<br />
• Der bliver 76 protoner eller<br />
hydrogenkerner tilbage<br />
• Da protoner og neutroner<br />
har ca. samme masse, får<br />
vi der<strong>for</strong> 24 % helium og<br />
76 % hydrogen
Universets opståen og udvikling 28<br />
Galakser opstår<br />
• Ca. en mia. år efter Big Bang begynder urstoffet<br />
(hydrogen og helium) at samle sig i store klumper,<br />
som bliver til stjernehobe og galakser
Universets opståen og udvikling 29<br />
Den tredie søjle<br />
Universets udvidelse
Universets opståen og udvikling 30<br />
Galakserne fjerner sig fra hinanden<br />
• Galakserne i <strong>universet</strong><br />
bevæger sig bort<br />
fra hinanden, <strong>for</strong>di<br />
<strong>universet</strong> udvider sig<br />
• Udvidelsen er let at<br />
<strong>for</strong>klare som en følge<br />
af Big Bang
Universets opståen og udvikling 31<br />
Ballonmodel<br />
• Todimensional model <strong>for</strong><br />
<strong>universet</strong>s udvidelse<br />
• ”Galakserne” fjerner sig<br />
fra hinanden, <strong>for</strong>di<br />
ballonens overflade<br />
bliver større og større<br />
• I <strong>vores</strong> tredimensionale<br />
univers ser vi på samme<br />
måde galakserne flygte<br />
fra hinanden, <strong>for</strong>di hele<br />
<strong>universet</strong> udvider sig
Universets opståen og udvikling 32<br />
Rød<strong>for</strong>skydning<br />
• Galaksernes hastigheder og afstande bestemmer<br />
vi ud fra deres spektralliniers rød<strong>for</strong>skydning<br />
• Rød<strong>for</strong>skydningen z er den relative bølgelængdeændring<br />
z = /
Universets opståen og udvikling 33<br />
Forskellige slags rød<strong>for</strong>skydning<br />
• For nære galakser er<br />
rød<strong>for</strong>skydningen lille<br />
og kan <strong>for</strong>tolkes som<br />
dopplereffekt<br />
• For fjerne galakser er<br />
rød<strong>for</strong>skydningen stor<br />
og <strong>skyld</strong>es rummets<br />
udvidelse. Fordi rummet<br />
udvider sig, bliver<br />
strålingens bølger<br />
længere
Universets opståen og udvikling 34<br />
Hubbles lov<br />
• Edwin Hubble fandt, at galaksernes hastigheder<br />
bort fra os er proportionale med deres afstande:<br />
• v = H o · r<br />
• H o = 65 (km/sek)/Mpc<br />
kaldes Hubblekonstanten<br />
v = 2 · r
Universets opståen og udvikling 35<br />
Den fjerde søjle<br />
Baggrundsstrålingen
Universets opståen og udvikling 36<br />
Baggrundsstrålingen<br />
• I 1948 <strong>for</strong>udsagde George<br />
Gamow, at hvis der<br />
havde været et Big Bang,<br />
skulle rummet være fuldt<br />
af stråling<br />
• Omkring 1960 opdagede<br />
Penzias og Wilson (billedet)<br />
en <strong>for</strong>styrrende støj i<br />
deres radioantenne, som<br />
kom fra alle retninger<br />
• Det viste sig at være<br />
Planck-stråling svarende<br />
til temperaturen 2,7 K
Universets opståen og udvikling 37<br />
COBE-satellitten<br />
• Målingerne blev kontrolleret<br />
af COBE-satellitten,<br />
der blev opsendt til <strong>for</strong>målet<br />
i 1989<br />
• COBE bekræftede, at<br />
rummet i alle retninger<br />
gennemtrænges af<br />
Planck-stråling svarende<br />
til en temperatur på<br />
2,726 K<br />
• Bølgelængden er omkring<br />
1 mm
Universets opståen og udvikling 38<br />
Big Bang teoriens <strong>for</strong>klaring<br />
• I det tidlige univers var der<br />
mange frie elektroner, som<br />
vekselvirkede med stråling<br />
• Universet var der<strong>for</strong> ikke<br />
gennemsigtigt<br />
• Da <strong>universet</strong>s temperatur<br />
nåede ned på ca. 3000 K,<br />
blev elektronerne bundet til<br />
H- og He-kerner og dannede<br />
atomer<br />
• Herefter kunne strålingen<br />
bevæge sig uhindret i et<br />
gennemsigtigt univers
Universets opståen og udvikling 39<br />
Universet udvider sig <strong>for</strong>tsat<br />
• Da hele <strong>universet</strong> udvider<br />
sig, vokser også<br />
strålings bølgelængde<br />
• Den stråling, der fyldte<br />
<strong>universet</strong>, da det<br />
blev gennemsigtigt ved<br />
4000 K, er der stadig,<br />
men i dag er den kølet<br />
ned til 2,726 K, <strong>for</strong>di<br />
<strong>universet</strong> og dermed<br />
bølgelængden er blevet<br />
ca. 1500 gange større<br />
4000 K
Universets opståen og udvikling 40<br />
Man havde et problem<br />
• Strålingen var fuldstændig ens i alle retninger<br />
• Hvordan skulle galakser kunne opstå, hvis der<br />
ingen ujævnheder var i det tidlige univers?<br />
• Til sidst fandt COBE-satellitten små afvigelser i<br />
fjerde decimal<br />
• Figuren viser en<br />
farvekodet oversigt<br />
over små<br />
afvigelser i bølgelængde<br />
• Kimen til galakserne
Universets opståen og udvikling 41<br />
Galakser og galaksehobe<br />
• De meget små ujævnheder<br />
i det tidlige univers<br />
bevirker, at stoffet klumper<br />
sig sammen i stjerner,<br />
galakser og galaksehobe
Universets opståen og udvikling 42<br />
Universets alder og fremtid<br />
Bliver <strong>universet</strong> ved med at udvide sig
Universets opståen og udvikling 43<br />
Vi kan se tilbage i tiden<br />
• Lyset fra de<br />
blå galakser<br />
på billedet har<br />
været 10 milliarder<br />
år undervejs<br />
• Vi ser altså en<br />
del af <strong>universet</strong>,<br />
som det<br />
så ud <strong>for</strong> 10<br />
milliarder år<br />
siden
Universets opståen og udvikling 44<br />
Universets alder<br />
• En galakse, der i tiden t H<br />
siden den opstod, har haft<br />
hastigheden v, har bevæget<br />
sig stykket r = v · t H<br />
• Iflg. Hubble er v = r · H o ,<br />
dvs.:<br />
• t H = r/v = 1/H o =15 mia. år<br />
• t H kaldes hubbletiden<br />
• Den passer meget godt<br />
med den beregnede alder<br />
på ca. 13 mia. år <strong>for</strong> de<br />
ældste kugle<strong>for</strong>mede hobe
Universets opståen og udvikling 45<br />
Universets størrelse<br />
• Vi kan ikke se galakser,<br />
der fjerner sig<br />
med større hastighed<br />
end lysets:<br />
c = 300.000 km/s<br />
• Der er der<strong>for</strong> en øvre<br />
grænse <strong>for</strong> størrelsen<br />
af det synlige univers:<br />
• r max = c · 15 mia. år =<br />
1,4 ·10 26 m = 4,6 Gpc
Universets opståen og udvikling 46<br />
Bliver <strong>universet</strong> ved med at udvide sig?<br />
• Tyngdekræfter mellem<br />
galakserne bremser<br />
<strong>universet</strong>s udvidelse<br />
• Universet kan være<br />
åbent og udvide sig i<br />
det uendelige<br />
• Eller er <strong>universet</strong> kan<br />
være lukket og falde<br />
sammen igen i et Big<br />
Crunch
Universets opståen og udvikling 47<br />
Big Crunch eller udvidelse i det uendelige<br />
• Hvis der kun findes det stof, vi kan se i <strong>for</strong>m af<br />
stjerner og galakser, er <strong>universet</strong> åbent<br />
• Hvis der desuden er meget mørkt, dvs. usynligt<br />
stof, er <strong>universet</strong> lukket<br />
• Mørkt stof kan være neutrinoer, gas og støv eller<br />
sorte huller
Universets opståen og udvikling 48<br />
Slut<br />
på historien om kosmos, som<br />
naturvidenskaben <strong>for</strong>tæller<br />
den netop nu
Change language