Vznik a vývoj vesmíru

1. Vznik a vývoj vesmíru Bc. Peter Kráčalík Astronomický klub Bratislava

2. Ako vlastne vznikol? • Čo je to kozmológia ? • Aké sú modely vzniku vesmíru ? • Prečo BIG BANG ? • Čo bolo predtým ? • Čo máme vlastne vo vesmíre ? • Ako nakoniec vesmír skončí ?

3. Kozmológia • Veda, ktorá študuje vesmír ako celok • Predtým časť filozofie dnes samostatný vedný obor Okruhy otázok, ktorými sa zaoberá TEÓRIA PRAX Vznik vesmíru stavba vesmíru Vývoj vesmíru elementárne častice – zloženie Zánik vesmíru vzájomnými vzťahmi objektov

4. Kozmológia Na väčšinu otázok teoretickej kozmológie nevieme doteraz uspokojivo odpovedať POZOROVANIA NIE SÚ DOSTAČUJÚCE !!! ZÁKLADNÉ PRINCÍPY KOZMOLÓGIE • Fyzikálne zákony platia rovnako v celom vesmíre • Vesmír je vo veľkých mierkach (> 500 mil. ly) všade rovnaký • Správne naladenie vesmíru – antropický princíp • Každý objekt má kladnú alebo nulovú hmotnosť • Zotrvačnosť telesa určuje rozloženie hmoty vo vesmíre (rotácia objektov a pod. ) • MODELY VESMÍRU

5. Modely vesmíru teória vzniku - počítačová simulácia vývoja - potvrdenie pozorovaniami je stacionárny (nemenný) VESMÍR sa rozpína sa zmršťuje Kozmologický princíp – ako na to: Zem je stredom vesmíru Slnko je stredom vesmíru Galaxia je stredom vesmíru Vesmír sa javí rovnaký z každej strany – stredom vesmíru nie je nič

6. BIG BANG Pred 13,7 miliardami rokov to začalo ..... Simulácia big bangu podľa vyhodnotenia dát z HST

7. Vznik vesmíru 10-43 sekundy: proces začína. začínajú mať zmysel pojmy priestor a čas. teplota 1032 °K vesmír má rozmer 10-32 cm vznikajú a zanikajú častice a antičastice gravitácia a stáva sa samostatnou silou sily vo vesmíre postupne "vymŕzajú" z pôvodnej jednotnej interakcie podľa toho, ako klesá teplota. ?? Planckova dĺžka – Planckov čas

8. Vznik vesmíru

9. Vznik vesmíru – prvá sekunda • 10-32 sekundy - začína inflácia • vo vákuu sa objavujú kvantové bubliny. Jedna z nich sa začne obrovskou rýchlosťou rozpínať. Náš dnešný viditeľný vesmír má v nej podobu tenisovej loptičky. Všetky sily s výnimkou gravitácie sú doteraz zjednotené, keď si však symetrické vákuum naraz "uvedomí", že je nestabilné, a zbavý sa prebytočnej energie. • 10-32 sekundy - inflácia sa zastavuje • Vesmír prechádza na omnoho pomalšie, i keď stále ešte nepredstaviteľne mohutné rozpínanie podľa pôvodnej teórie veľkého tresku. • 10-11 sekundy - teplota poklesla na 1015 stupňa, ďalší "bod mrazu". • 10-4 sekundy - vesmír sa zväčšil asi na veľkosť našej slnečnej sústavy.

10. Vznik vesmíru – čo bolo potom • 100 sekúnd: prvé prvky - vznikajú jadrá hélia. • Vodík, hélium a nepatrné množstvo ďalších ľahkých jadier, zmiešané s elektrónmi a žiarením, postupne chladnú na teplotu rozžeraveného železa vo vysokej peci. • 300 000 rokov: vo vesmíre sa rozjasní - vznikajú prvé atómy • Žiarenie nemá už dosť sily, aby atómy rozbíjalo, a nie je teda pohlcované. • Vesmír sa stáva priehľadný a je vyplnený svetlom. • 1 miliarda rokov - formujú sa prvé galaxie • vesmír začína vyzerať povedome. • 13 - 14 miliárd rokov - dnešný vesmír

11. Big bang – čo ostalo ? Objav jemného, chladného žiarenia pozadia (reliktné žiarenie), ktoré je rozptýlené rovnomerne na všetky smery. Zostatok po big bangu ? Maličké rozdiely v teplote reliktového žiarenia sa považujú za dôkaz slabých fluktuácií v hustote látky raného vesmíru, čo viedlo k tvorbe galaxií.

12. Vesmír dnes ... Milión rokov po veľkom tresku .... plyn sa začína zhusťovať do izolovaných zhlukov - protogalaxií Počas ďalších piatich miliárd rokov zhusťovanie protogalaxií pokračovalo, až sa vytvorili galaxie, v ktorých sa rodili hviezdy.

13. Galaxie obrovský zhluk hviezd, hmlovín a medzihviezdneho materiálu. najmenšie galaxie: 100 000 hviezd najväčšie galaxie: až 3 000 miliárd hviezd V súčasnosti poznáme tieto základné typy galaxii (Hubble): Špirálová Špirálová s priečkou Eliptická Nepravideľná zrážky s inou galaxiou / galaktický kanibalizmus = pekuliárne galaxie Medzi menej známe typy galaxii patria: Seyfertove galaxie, Rádiové galaxie, N-galaxie, Kvázistelárne galaxie, Kvázistelárne objekty.

14. Galaxie – uhádnete? M95 - špirálová s priečkou v Levovi M110 – eliptická v Androméde Galaxia – špirálová s priečkou M74 – špirálová v Rybách

15. Uhádnete ? Zrážka dvoch galaxií – vzniká pekuliárna galaxia

16. Menej známe galaxie  • Kvazary (kvázistelárne objekty) • považujú sa za galaktické jadrá • presný charakter je ešte vždy neistý. • nachádzajú sa na vonkajších okrajoch pozorovaného vesmíru (15 mld ly) • Veľmi mladé galaxie – po big bangu pri formovaní vesmíru kvazary? veľmi malý rozmer, veľmi vysoká hmotnosť silné gravitačné pole silné elektromagnetické žiarenie najmä v RTG Nové typy pozorovaní: Gravitačná šošovka 3C48

17. Menej známe galaxie Seyfertove galaxie: Žiarenie vychádza z galaktického jadra galaxie s veľmi búrlivou aktivitou malých, veľmi jasných jadier rádiové galaxie: Žiarenie vychádza z obrovských výbežkov na oboch stranách galaxie Snímame ich v rádiovej oblasti spektra N-galaxie: kompaktné galaxie, jasné kvázihviezdne jadrom s hmlovitým obalom silný rádiovým zdrojom

18. Galaxia Mliečna cesta • jemný pás svetla prechádza nočnou oblohou – jadro Galaxie. • hviezdna sústava s priemerom približne 100 000 svetelných rokov. • tvar špirály s hustou centrálnou vydutinou so štyrmi ramenami a menej hustým halo. • Slnečná sústava v ramene Orióna (tiež Miestne rameno). Stred Galaxie • Optické mapy – obmedzený pohľad (úplne zahalený mrakmi) • Komplexný pohľad – RTG, IR a UV žiarenie • malá, hustá oblasť obsahujúca najmä staršie červené a žlté hviezdy. • Halo je menej hustá oblasť, v ktorej sa nachádzajú najstaršie hviezdy (14 mld rokov). Ramená špirály • najmä horúce, mladé, modré hviezdy a hmloviny

19. Galaxia Mliečna cesta Slnko Slnko v 2/3 cesty smerom od stredu Galaxie, vykoná obeh približne za 220 mil rokov

20. Čierne diery – aktívne jadrá? Čierna diera – jadro galaxie M81 (animácia z dát z HST)

21. Čierna diery – aktívne jadrá? Neutrónová hviezda je po špirále vťahovaná čiernou dierou. Prechod galaktickým halom (zábery HST)

22. Hmloviny mrak prachu a plynu vo vnútri galaxie. Plyn žiari - hmloviny sú viditeľné - mrak odráža svetlo hviezd zatieňuje svetlo vzd. žiariacich objektov. Emisné hmloviny - vyžarovanie v dôsledku radiácie horúcich mladých hviezd. Reflexná hmlovina - odrazené svetlo hviezd, ktoré sú v nej, alebo okolo nej. Tmavé hmloviny - obrysy zatieňujúce svetlo žiariacich hmlovín alebo hviezd ležiacich za nimi Hmloviny na konci života hviezdy: - rozpínajúce sa obálky plynu, ktoré boli kedysi vonkajšími vrstvami hviezdy. Planetárna hmlovina - obálka plynu vzďaľujúca sa od umierajúceho jadra hviezdy. Pozostatok supernovy - obálka plynu unikajúca od jadra hviezdy veľkou rýchlosťou po prudkej explózii nazývanej supernova.

23. Typy hmlovín Prstencová hmlovina M57 (planetárna hmlovina) Hmlovina v Orióne – M42 (emisná hmlovina) Krabia hmlovina M1 (zvyšky supernovy)

24. Hviezdokopy • Hviezdy sa často vyskytujú v skupinách nazývaných hviezdokopy. • Otvorené hviezdokopy • voľné zoskupenia niekoľkých tisícok mladých hviezd • vznikli v tom istom mraku a rozptyľujú sa do okolia. • Guľové hviezdokopy • sú hustejšie, zhruba sférické skupiny stoviek tisícok starších hviezd. • výskyt smerom do stredu Galaxie M45 – Plejády (otvorená hv.) M54 – Guľová hv. V Strelcovi

25. Hviezdny vývoj

26. Hviezdny vývoj – malé hviezdy • hmotnosť do 1,5-násobku hmotnosti Slnka. • Vznik: • v hmlovine sa kondenzuje oblasť s vyššou hustotou - globula plynu a prachu • v dôsledku vlastnej gravitácie sa globula začne zmršťovať • zhluky s kondenzovanou hmotou sa vo vnútri zohrievajú, začínajú žiariť • - vznik protohviezd (hmotné, teplota v strede cca 15 mil °C) • začínajú sa nukleárne reakcie - vodík sa mení na hélium. • jadrová reakcia - energia bráni hviezde v ďalšej kontrakcii • - hviezda začne svietiť. • Stala sa z nej hviezda hlavnej postupnosti. • Hviezda hmotnosti Slnka zostáva hviezdou hlavnej postupnosti približne 10 miliárd rokov

27. Hviezdny vývoj – malé hviezdy Zánik: • všetok vodík v jadre hviezdy sa premení na hélium. • héliové jadro sa scvrkne - nukleárne reakcie pokračujú vo vrstve okolo jadra. JADRO: dostatočne horúce - hélium sa mení na uhlík. OBAL: sa rozpína, chladne, svietivosť klesá = červený obor hélium v jadre sa spotrebuje vonkajšie vrstvy: rozpínajúca sa plynná obálka = planetárna hmlovina. Zvyšok jadra (asi 80% pôvodnej hviezdy) - biely trpaslík chladne a tmavne. Keď prestane svietiť, z mŕtvej hviezdy sa stáva čierny trpaslík.

28. Biely trpaslík NGC 2440 – snímka NASA

29. Vznik a vývoj – mohutné hviezdy • 3 až 50-násobok hmotnosti Slnka vývoj • podobne ako malá hviezda až po štádium hviezdy hlavnej postupnosti. • hviezda stabilne svieti - vodík v jadre sa premení na hélium (u veľmi hmotnej hviezdy milióny rokov) • červený nadobor : héliové jadro obklopené vonkajšími vrstvami chladnúceho, rozpínajúceho sa plynu. • milióny rokov vytvárajú jadrové reakcie v obálke okolo kovového jadra rôzne prvky zánik • jadro sa zrúti v čase kratšom ako sekunda - obrovská explózia = supernova • rázové vlny rozmetajú vonkajšie vrstvy hviezdy do okolia. zvyšok jadra má hmotnosť: • 1,5 – 3x hmotnosť Slnka = zmršťuje sa do útlej, hustej neutrónovej hviezdy. • Viac ako 3x hmotnosť Slnka = zmršťuje sa až do štádia čiernej diery.

30. Neutrónová hviezda Počítačové spracovanie dát HST Snímok z projektu ROSAT

31. Vzniká magnetar Magnetar je vysoko magnetizovaná rotujúca neutrónová hviezda

32. Vznikla neutrónová hviezda  - veľmi horúca, výnimočne hustá hviezda (1011- 1015 hustota vody) - priemer len 10 až 20 km - jasnosť je teda veľmi malá, normálnymi metódami sa nezaznamená - posledná vývojová fáza hviezd s hmotnosťou 1,44 – 3x Slnka. Rotujúce neutrónové hviezdy: pulzary (výrazné magnetické pole) Tiež súčasť mnohých röntgenových dvojhviezd. • vznikajú zrútením hviezdneho jadra. • po vyčerpaní paliva hviezdy vybuchujú ako supernovy typu II.

33. Vznikla čierna diera • konečné štádium hviezdy • hmotnosť a gravitačná sila sú veľké = gravitačný kolaps. • hmota je stále viac a viac stláčaná do objektu s nepatrným rozmerom a nekonečnou hustotou. • hviezda uzavrie priestor okolo seba • vytvorenie tzv. horizontu udalostí: gravitačné pole na povrchu je nekonečne silné • úniková rýchlosť je vyššia ako rýchlosť svetla • čierna diera pôsobí na svoje okolie iba gravitačnou silou pôvodnej hviezdy, inak je celkom neregistovateľná. • Hviezda, trikrát hmotnejšia ako naše Slnko, pravdepodobne vytvorí čiernu dieru so Schwarzschildovým polomerom 9 km.

34. Čierna diera 

35. Čierna diera v Galaxii • RTG zdroja Cygnus X-1 (dvojhviezda v súhvezdí Labute) • prítomnosť čiernej diery, ktorá vznikla z jednej zložky dvojhviezdy. Postup vťahovania hmoty čiernou dierou: • plyn prúdi z povrchu zvyčajnej viditeľnej hviezdy • vťahuje ho akréčný disk čiernej diery. • trením sa zahrieva na desiatky miliónov stupňov. • plyn vyžaruje röntgenové lúče • horizont udalostí predstavuje nepreniknuteľnú prekážku. • kvantová mechanika - hmota z vnútra čiernej diery sa môže vypariť • kvantové vyparovanie čiernych dier trvá dlho, s výnimkou veľmi malých čiernych dier • nepatrné čierne diery môžu končiť kvantové vyparovanie výbuchom = gama žiarenie

36. Zánik vesmíru? Jeden z predpovedaných scenárov: • Mohutné hviezdy skončia svoju existenciu ako čierne diery • Vyparovanie ich hmoty bude však pomalšie ako nárast hmotnosti iných čiernych dier • Čierne diery sa zrazia a spoja (časť vesmíru pri čiernej diere sa bude zmenšovať do jej nepatrného „jadra“ – bod singularity • Zrážka supermasívnych čiernych dier = obrovský výbuch – nový BIG BANG?

37. Zánik vesmíru?

38. Koniec