880 likes | 1.05k Views
Wyniki Pomiarów SN - Interpretacja w Kosmologii - Wstęp Kilka wzorów Odległość D L Pomiar red shiftu Dlaczego SN – kto pracuje -WYNIKI z SN Promieniowanie ` reliktowe Porównanie wyników Podsumowanie Koniec. O czym będzie mowa
E N D
Wyniki Pomiarów SN - Interpretacja w Kosmologii - Wstęp Kilka wzorów Odległość DL Pomiar red shiftu Dlaczego SN – kto pracuje -WYNIKI z SN Promieniowanie ` reliktowe Porównanie wyników Podsumowanie Koniec ŚWIERK mhs 2004
O czym będzie mowa • Dec. 17, 1998 — The universe is not only expanding, but that expansion appears to be speeding up. • And as if that discovery alone weren’t strange enough, it implies that most of the energy in the cosmos is contained in empty space — a concept that Albert Einstein considered but discarded as his “biggest blunder.” • The new findings have been recognized as 1998’s top scientific breakthrough by Science magazine. • http://www.msnbc.com/news/224520.asp?cp1=1 ŚWIERK mhs 2004
Wynik z 1998 r podsumowywał 10 lecie pracy zespół Supernova Cosmology Project (LRL) który opracował metodę znajdowania licznych SN • Podobnej metody użył zespół High-Z Supernova Search Team z Mount Stromlo i Siding Spring Observatories w Australii, • Zostały znalezione SN tak odległe, że obserwowane światło było z nich wyemitowane gdy Wszechświat był bardzo młody. • Celem badań odległych SN był pomiar zmian w rozszerzaniu się Wszechświata – dla zrozumienia jego rozwoju – początków, struktury i losu. • Zakładano, że pod wpływem grawitacji Wszechświat będzie się rozszerzał coraz wolniej. • Okazało się że Wszechświat przyspiesza - rozszerza się coraz szybciej..
Członkowie Supernova Cosmology Project oraz High-Z Supernova Search zespołu otrzymali zgodne wyniki. • Używali dużych naziemnych teleskopów oraz HST (Hubble Space Telescope) i detektorów CCD. • Informacja o rozszerzaniu się Wszechświata pochodzi z pomiaru odległości dalekich obiektów i ich red shiftu. • Odległość gwiazdy jest mierzona poprzez pomiar jasności na Ziemi, jeżeli znana jest jej całkowita jasność. • Jest to wykonalne dla obiektów o znanej całkowitej jasności – czyli „standard candle” • Jako świec standardowych w omawianych pracach badano SN Ia (w galaktyce kilka wybuchów / 1000 lat, świecą przez kilka tygodni) • mierzono ich krzywą świetlności - zależność jasności od czasu (skala wielu dni)
Obserwacja Wszechświata • Podstawowym źródłem informacji jest promieniowanie elektromagnetyczne • Może być ono emitowane, pochłaniane, rozpraszane • Procesy emisji są przydatne dla zrozumienia warunków panujących w źródłach • Absorpcja pozwala na zrozumienie systemów położonych między źródłem i obserwatorem, nawet gdy nie emitują one promieniowania • Rozproszenie niesie informacje o środowiskach które emitują i absorbują promieniowanie. • może zmieniać długości fali - red (blue) shift - przesunięcie ku podczerwieni - mówi kiedy sygnał był wysłany
Rozwój Wszechświata • Wszechświat się powiększa i stygnie. Pomiar różnych epok, „dostęp” do danych o Wszechświecie • Promieniowanie reliktowe niesie informacje o bardzo młodym Wszechświecie, pochodzi z „last surface scattering” • W zakresie mierzonego „red shiftu” np. SN • http://www.astro.ucla.edu/~wright/BBhistory.html CMB 3*105 lat Wiek Wszechświata ~13*109 lat Red shift 60% wieku Wszechświata
Wzory, wzory.... ŚWIERK mhs 2004
Równanie Friedmanna - index 0 oznacza teraz - czas obserwacji (B11/2) Zależność parametru Hubbla od czynnika a – definiuje wymiar Wszechświata w czasie t, stosunek do dzisiejszego - a/a0 H2(t) = ((1/a)( da/dt))2 = 8 p rm G /3+8 p rr G /3 –k c2/a2 + Lc2/3 Wkład do gęstości Wszechświata od promieniowania (r), materii (m), stałej kosmologicznej (l), krzywizny (k). r - Wr0 = 8 p G/3 * r0r m - Wm0 = 8 p G/3 * r0m k Wk0 = -kc2 /a02 L WV0 =8 p G/3 * r0v H2(t) = WR0*(a/a0)-4 + WM0 *(a/a0)-3 + Wk0 *(a/a0)-2 + Wv0 *(a/a0)0 Wkład od materii I promieniowania ŚWIERK mhs 2004
Dla opisu Wszechświata są używane mierzalne a(t) z oraz t DL ŚWIERK mhs 2004
Definicja gęstości krytycznejrkrytyczne = 3 H0 / 8 p G W= r / rc + Lc2/3H02 B13/13 W -1= kc2 / H02a2 zależność parametru Hubbla od z jest wielkością mierzalną - z=Dl/l • r = r r / rkryt • m = r m / rkryt gęstość materii Wk = -kc2 / H02 krzywizna czaso przestrzeni • v = -Lc2 / 3H02 stała kosmologiczna H(z) = H0 * sqrt( Wr(1+z)4 + Wm (1+z)3 +Wk (1+z)2 + WV ) gdzie H(z=0) = H0 oraz: WK = 1 - (WV + Wr0 + Wm0 ), korelacja
Pytanie Jakie są parametry opisujące rozszerzanie się Wszechświata Jak zmienia się promień Wszechświata w funkcji czasu Odpowiedź Należy wyznaczyć zależność odległość źródła sygnału i prędkość z jaką źródło się oddala od obserwatora ŚWIERK mhs 2004
Jasność obserwowana zależy od z zależy od t http://astronomy.swin.edu.au/sao/guest/bschmidt/
DL m jest funkcją z http://astronomy.swin.edu.au/sao/guest/bschmidt/
Odległość DL • Różne definicje odległości w kosmologii: • Comoving distance B 13/6 • Proper distance • Angular diameter distance B12/8-9 • Proper motion distance • interesuje nas • „luminosity distance” DL ŚWIERK mhs 2004
Różne definicje odległości w kosmologii: • Interesuje nas „luminosity distance” DL • strumień maleje jak R –2, • F mierzony strumień • L strumień całkowity– musi być znany • definicja: • czyli DL = sqrt (L/4pF), ŚWIERK mhs 2004
Jak się mierzy odległości DL-wiedza trudna i tajemna • Pomiar bezwzględny oraz względny- • paralaksa daje pomiar bezwzględny • Różne metody - w zależności od odległości pomiary (wyniki metod) zahaczają o siebie – znajomość odległości dalekich obiektów zależy od kalibracji poprzez bliskie obiekty • Odległości w naszej Galaktyce mierzone bezpośrednio przez „primary indicators” • „secondary inicator” kalibrowane przez pomiary (tutaj SN, Tully – Fischer relation) • astro.uchicago.edu/home/web/olinto/ courses/A18200/kawai/main.html ŚWIERK mhs 2004
Kilka definicji - jasność -B15/5 • m – jasność obserwowana -niezgodna z intuicja im - większa wartość tym bledszy obiekt, m = -2.5 log10F + C dla 2 obiektów których mierzone strumienie wynoszą F1 i F2 różnica jasność m1 – m2 = -2.5 log 10(F1/F2) • M jasność absolutna M = m –5 log10 (DL / 10 pc) z def.M=m dla odległości 10 pc • M = 4.72 – 2.5 log10(L/LO) • Wartości jasność strumień związek • rzeczywiste M L M=-2.5log10(L)+C1 • obserwowane m F = L / 4 p DL 2 m=-2.5log10(F)+C2 • m-M= -5 log10 DL (H0 , z, WM, WL) +25 [DL w Mpc] ŚWIERK mhs 2004
m-M= -5 log10 DL (H0 , z, WM, WL) +25 Jeżeli znane jest (m, M oraz DL nie są niezalężne) • M • DL • z • m Wx=1-Wmr ~a-3(1+w) w = P/(rc2) http://arxiv.org/PS_cache/astro-ph/pdf/0309/0309739.pdfstr 23. • Można wyznaczyć • WM, • H0 , • WL ŚWIERK mhs 2004
Dla wyznaczenia M (odległe obiekty) potrzebne 2 założenia: • Istnieją obiekty które mogą być używanych jako „świece standardowe” tzn. M jest stałe! • właściwości tych obiektów nie zależą od odległości (czyli czasu emisji sygnału) - M dla małych z (bliskie źródła) pozostają niezmienione dla dużych z (odległe źródła). • Dodatkową komplikacją jest • Możliwości istnienia krzywizny czaso przestrzeni B14 • Rozszerzania się Wszechświata co powoduje zmianę częstości strumienia światła emitowanego i obserwowanego ŚWIERK mhs 2004
Związek między odległością DL (albo m-M) z redshiftem z • Inna jest częstość emitowana, a inna obserwowana - jest to komplikacja powodowana ekspansją Wszechświata -red shiftem – który zmienia n • n e = no (1+z)nczęstość e emisji oobserwacji • Widmo obserwowane nie jest już tym które było wyemitowane – jest przesunięte ku czerwieni – szczegóły: • F(no) = L(ne) / 4 p D2L = (1+z) L(no (1+z)) / 4 p D2L • Poprawka związana z tym efektem - K(z)B28/10, P#5.2 • K(z, ne,no) = Kij(z) jest skomplikowaną funkcją F(n) • mi(z) = 5 log (DL(z) /Mpc) +25 +Mj + Kij(z) P#5.2 ŚWIERK mhs 2004
Przesunięcie ku podczerwieni red shift z = Dl/l • Dla uniknięcia konfuzji przypomnę – są 3 przyczyny red shiftu • Grawitacja • Efekt Dopplera • Kosmologia i to nas interesuje • Ciekawym i tajemnicze jest dla mnie jak się rozróżnia rodzaje (źródła) red shiftu. ŚWIERK mhs 2004
Red shift powodowany przez grawitację B7/ 7-8 ŚWIERK mhs 2004
B10/5-6 z = a(t0) / a(te) – 1 = (l0 - l e ) / le –1 = Dl / le te czas emisji t0 obecnie a(t0) / a(te) – jest miarą wzrostu Wszechświata w czasie wędrówki światła
Przesuniecie ku podczerwieni z = l0 / le –1 = Dl/l Zależność z, czasu emisji te, parametru Hubbla H(t), a 1/(1+z) = a/a0 Nie relatywistyczna a/a0 = (t/t0)2/3 H0(1+z)3/2 materia promieniowanie a/a0 = (t/t0)1/2 H0(1+z)2 Próżnia a(t)~exp(H0t) H0=sqrt(W0v) chętnie jest używana (nie relatywistyczne i nie ścisłe) v = z c
Zakres w jakim znamy z • Najdalsza Super Nova ma z ~1.7 (z~1.7, SN1997ff). • Znane są quazary o z ~6.5 • promieniowanie reliktowe pochodzi z z ~1000 • jeżeli • t = 3*105 lat • t0 = 13*109 lat • dla promieniowania 1/(1+z) = a/a0 = (t/t0)1/2 ŚWIERK mhs 2004
Dlaczego SN • Podobieństwo wybuchów SN Ia – świece standardowe, ale Są to obiekty kapryśne, ponieważ: • rzadkie procesy kilka / 1000 lat/ galaktykę • Nieprzewidywalne - kiedy wybuchnie? • Należy zmierzyć ich krzywą świetlności F(t) • Kto pracuje • Jaka jest „strategia” szukania SN • wyniki – będzie mowa o SN Ia ŚWIERK mhs 2004
Jak wyglądają wybuchy Super Novych blaski i cienie : ŚWIERK mhs 2004
Cienie Często tak wygląda wybuch SN ŚWIERK mhs 2004
Widać wybych SN http://astron.berkeley.edu/~jcohn/chaut/sjha_pics.html ŚWIERK mhs 2004
Piękno SN SN 1994 D www.eso.org/~bleibund/talks/Texas_pub.ppt ŚWIERK mhs 2004
NGC5371 ŚWIERK mhs 2004
Niezmiernie jasne wybuchy Supernowych - 2 typów procesów: • Typ SN Ia • Wybuch termojądrowy jądra C / O • Są to lekkie gwiazdy (m<8 m0) • W widmach nie mają linii H • Typ SN II, SN Ib, SN I c –fascynujące obiekty, • Zapadanie się grawitacyjne jądra Fe • Wybuchy ciężkich (m>8 m0) gwiazd • Pozostawiają gwiazdę neutronową lub czarną dziurę • 99% energii wynoszą neutrina • Ale dzisiaj nie będzie o nich mowy... ŚWIERK mhs 2004
wybuchy SN Ia - Białe Karły i Super Nove • Czy rozumiemy dlaczego SN Ia mogą być użyte jako świece standartowe? • Tzn mieć taka sama jasnośc M. • Podobieństwo wybuchów rodziny SN Ia, mimo różnic gwiazd z których powstają, można prawdopodobnie wytłumaczyć. • Gwiazda podobna do Słońca (tzn lekka) zużywa paliwo w okresie 5 - 10*109 lat. • Wówczas się zapada, powstaje Biały Karzeł składający się zasadniczo z C i O. • Grawitacja jest kompensowana przez ciśnienie zdegenerowanych elektronów. ŚWIERK mhs 2004
Biały Karzeł powoli stygnie..... Jeżeli jednak • jest blisko innej gwiazdy nadal spalającej paliwo jądrowe, a warunki są odpowiednie (orbita, masa) strumień materii jest powoli gromadzony przez Białęgo Karła, którego masa rośnie. (do granicy Chandrasekhara ~1.4 MO ). • Gwiazda staje się niestabilna (zapada się) i następuje wybuch termojądrowy. Jest to wybuch SN Ia • Wydaje się że ten mechanizm powoduje zanikanie różnic związanych z natura gwiazdy z której powstał Biały Karzeł i SN • Obserwowane krzywe świetlności oraz widma SN Ia są podobne ŚWIERK mhs 2004
Zrozumienie krzywych świetlności (zależność od czasu) SN Ia dla małych z http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/assets/images/2003/Sep-05-2003/PhysicsTodayArticle.pdf ŚWIERK mhs 2004
Porównanie krzywych świetlności wielu SN Ia odległych SN bliskich (małe z) W układzie spoczynkowym SN http://xxx.lanl.gov/PS_cache/astro-ph/pdf/0104/0104382.pdf
Opis rysunk z poprzedniego sliduu ŚWIERK mhs 2004
Dygresja o rozszerzaniu się Wszechświata – skala ~10-15 sec do 106 sec • Szerokość krzywej świetlności w dana jest przez • w=s(1+z) http://xxx.lanl.gov/PS_cache/astro-ph/pdf/0104/0104382.pdf • dw/dz = 1.07+-.06, czyli 18s różne od 0 • ds/dz = 0.05+-0.05 • Rozszerzanie Wszechświata mierzy • Red shift „micro” zegarem z okresem T = 2 × 10 -15 sec • Krzywe świetlności SN Ia zegarem „macroskopowym” z okresem rzędu 4 tygodni T ~ 2.4 × 106 sec. • Rozszerzanie się Wszechświata -1 + z -jest konsystentne z czasami które różnią się o 21 rzędów wielkości. ŚWIERK mhs 2004
Współprace • potężne konsorcja • wykorzystujące teleskopy naziemne oraz HST • negocjujące o czas obserwacji ŚWIERK mhs 2004
Współprace • niewielkie z: red shift w zakresie 0.01 - 0.1Calan/Tololo Supernova Search pracująca w Cerro-Tololo Inter American Observatory znakomita analiza krzywych świetlności 30 nowych SN, • Badania SN Ia o dużych z kontrolują 2 grupy • High-Z SN Search (tutaj jest też Australia....Harvard) • Supernova Cosmological Project (Berkeley) • http://www.astro.utoronto.ca/~lilly/CFRS/conference/layman.html ŚWIERK mhs 2004
High-Z SN Search (HZSNS) Cerro-Tololo Inter American Observatory, Canada France Hawaii Telescope, HST, ESO 3.6n, KECK, United Kingdom Infra Red telescope też na 4 200 na Hawajach, Wisconcin Indiana Yale National Optical Astronomy Observatory , Very Large Telescope należy do ESO jest w północnym Chile • Supernova Cosmological Project (SCP) w Lawrence Berkeley National Laboratory oraz Center for Particle Astrophysics Berkeley - mierzyli SN w zakresie z>0.3
Jak przewidzieć i znaleźć wybuch SN • Zespół Supernova Cosmology Project • obserwował w bezksiężycowej części nieba dziesiątki tysięcy galaktyk • Powtórzenie takiej obserwacji po 3 tygodniach pokazywało na istnienie kilkunastu jasnych obiektów – kandydatów na SN.." . • Zamawianie czasu na teleskopach/HST by mierzyć F = f(t)
Supernova Cosmological Project (SCP) Strategia pomiaru i źródła informacji http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/assets/images/2003/Sep-05-2003/PhysicsTodayArticle.pdf
Naprawde tak to wygląda - Supernova 2004S, IAUC 8282 discovered 2004/02/03.542 by Perth Astronomical Research Group For the year 2004, 27 supernovae have been reported (334 last year). http://www.calsky.com/cs.cgi/Deep-Sky/9/1 http://www.rochesterastronomy.org/snimages/ brigtness Wspaniały zbiór zdjęć SN http://www.rochesterastronomy.org/snimages/ ŚWIERK mhs 2004
Jeszcze raz Po Co? ŚWIERK mhs 2004
Podsumowanie problemu • SN Ia mają podobną jasność bezwzględną, są doskonałymi świecami standartowymi • Ich względna jasność mierzy odległość przebytą przez światło • Red shift mierzy ekspansje Wszechświata • Zależność DL (z) mówi jak ekspansja zależy od czasu • Ta zależność jest czuła na WM - WL • http://morgaine.mit.edu/~kburgess/www/wesleyanTalk.pdf ŚWIERK mhs 2004
WYNIKI z SN • SN Ia powstaje w wyniku wybuchu termojądrowego stosunkowo lekkiej gwiazdy (białego karła + materii). Moc wydzielana w wybuchu pozwala na bardzo odległe obserwacje. Najdalsza obserwowana SNIa ma z max =1.7.. • przypominam: 1/(1+z) = a(t) / a(t0). • Przesunięte ku podczerwieni Światło z odległych galaktyk (wyemitowane miliardy lat temu) niesie informację o strukturze dużo mniejszego Wszechświata. ŚWIERK mhs 2004