35
ןןןןן ןןןן ןןןןןן ןןןןןן ןןןןן ןןןן ןןןן ןןןןןןןן ןןןןןןןן ןן ןןןן ןןן ןןןןן ןןןןן ןןןןן26.11.13 ןןן ןןןן, ןןןן ןןןןןhttp://www.boker.org.il/meida/negev/desert_biking/school/ dark_matter/dark-matter-003.htm

חזי יצחק, מיכל וולטר

  • Upload
    jetta

  • View
    86

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

שילוב נושא החומר האפל בהוראה בתיכון עולם החלקיקים היסודיים של הטבע יום העיון במכון ויצמן 26.11.13. חזי יצחק, מיכל וולטר . http://www.boker.org.il/meida/negev/desert_biking/school/dark_matter/dark-matter-003.htm. מה אנו יודעים על הרכב המסה היקום? מסתבר שמעט מאד. - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: חזי יצחק, מיכל וולטר

בתיכון בהוראה האפל החומר נושא שילובהטבע של היסודיים החלקיקים עולם

ויצמן במכון העיון 26.11.13יום

, וולטר מיכל יצחק חזי

http://www.boker.org.il/meida/negev/desert_biking/school/dark_matter/dark-matter-003.htm

Page 2: חזי יצחק, מיכל וולטר

? היקום המסה הרכב על יודעים אנו מה ... מאד שמעט מסתבר

Page 3: חזי יצחק, מיכל וולטר

צוויקי – פריץ Fritz Zwicky-1933היסטוריה

גלקסיות • של המהירויות את חקר" comaבצביר פ ע המסה את וחישב

>--- הצביר של והבהירות המהירותהמהירות פי על המחושבת המסה

פי ----<10גדולה הנראית מהמסה" אפלה " מסה קיימת המסקנה

:// . . . / / / _ 2/ _http imagine gsfc nasa gov docs science mysteries l dark.matter html

Page 4: חזי יצחק, מיכל וולטר

? המהירות פי על המסה את מחשבים איךהשמש מערכת דוגמה

2

2

2

2( )

s p p

s

GM M M vr rrM vG

M r v

של ברדיוס הנמצאת שהמסה חישבו פיזיקאיםשמש 46היא מסות מיליארד

204*10 mr

Triangulum Galaxy

ממכניקה דוגמהתנועה- קלאסית

מסה של סיבובית . שונות במתיחויות

Page 5: חזי יצחק, מיכל וולטר

" בהירות פ ע מסה חישוב• " פ ע גלקסיה של המסה את לחשב ניתן

בין והקשר שלה המרחק וידיעת הבהירותלמסה בהירות

3.5s

s

MM LL

את מחשבים כאשרשל Triangulumהמסה

מקבלים" הבהירות פ עשל מסה מיליארד 7רק . שמש מסות

Page 6: חזי יצחק, מיכל וולטר

סיבוב – Rotation Curvesעקומות

של • כפונקציה מסלולית מהירות של גרפיםהגלקסיה ממרכז המרחק

לכת • כוכבי 1עבורsv M G

r

Page 7: חזי יצחק, מיכל וולטר

The Solar System

Planet r[km*1000] r[km] T [day]

Mercury 57910 57910000 87.97

Venus 108200 1.08E+08 224.7

Earth 149600 1.5E+08 362.2

Mars 227940 2.28E+08 686.98

Jupiter 778330 7.78E+08 4332.71

Saturn 1429400 1.43E+09 10759.5

Uranus 2870990 2.87E+09 30685

Neptun 4504300 4.5E+09 60109

Pluto 5913520 5.91E+09 90550

Page 8: חזי יצחק, מיכל וולטר

0 2000000000 4000000000 6000000000 80000000000

10

20

30

40

50

60

f(x) = 363637.174488513 x^-0.499808502399165R² = 0.999989704378476

v[km/s]Power (v[km/s])

r[km]

v[km

/s]

Rotation Curve for the Solar Systemהתלמידים עם לבצע ניתן

Page 9: חזי יצחק, מיכל וולטר

Rotation curves for Saturn’s moon

0

200000

400000

600000

800000

1000000

1200000

1400000

16000000

2

4

6

8

10

12

14

16

18

f(x) = 6330.57891450877 x^-0.502032115520361R² = 0.999950411917352

Saturn

r[km]

v[km

/s]

Page 10: חזי יצחק, מיכל וולטר

- רובין ורה גלקסיות של סיבוב 1967עקומות

"Fame is fleeting. My numbers mean more to me than my name. If astronomers are still using my data years from now, that's my greatest compliment."

Page 11: חזי יצחק, מיכל וולטר

שביל גלקסית של הסיבוב עקומתהחלב

"In a spiral galaxy, the ratio of dark-to-light matter is about a factor of ten. That's probably a good number for the ratio of our ignorance-to-knowledge. We're out of kindergarten, but only in about third grade.“ Vera Rubin

Milky way r[kpc] r[ly]

2 65202.5 81503.5 114104.5 146705.5 179306.7 21842

7 228207.5 244509.5 30970

10.3 3357811.5 3749012.5 4075013.3 4335814.5 4727015.5 5053016.5 5379017.5 5705018.5 60310

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 700000

50

100

150

200

250

300

350

Milky Way Galaxy

r [light years]

v [k

m /

s]

Page 12: חזי יצחק, מיכל וולטר

Calculating the mass of Milky Way

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 700000

50000000000100000000000150000000000200000000000250000000000300000000000350000000000400000000000450000000000

Series1

r [light years]

Mas

s in

Msu

n2

rv rMG

Page 13: חזי יצחק, מיכל וולטר

NGC 2998

:// . . / / / _2715/ / / /http www wolframalpha com entities galaxies NGC sv bw lm

NGC 2715

NGC 3495 NGC 801

של סיבוב עקומותנוספות גלקסיות

Page 14: חזי יצחק, מיכל וולטר

0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 1400000

50

100

150

200

250

NGC 801NGC 3495NGC 2998NGC 2715

r [Light Years]

v [k

m/s

]

Page 15: חזי יצחק, מיכל וולטר

M33גלקסיה

Page 16: חזי יצחק, מיכל וולטר

מרכז סביב כוכבים סיבוב של סימולציההגלקסיה

אפל חומר ללא אפל חומר עם

Page 17: חזי יצחק, מיכל וולטר

קיום ללא קרסו גלקסיות של נומריות סימולציותאפל – 1973חומר

הגלקסיות ליציבות תורם האפל החומר

James Peebles (left) and Jeremiah Ostriker (right) found evidence for dark matter in their computer simulations.

Page 18: חזי יצחק, מיכל וולטר

- בטמפרטורה מרחביים שינויים נוספת עדותהרקע קרינת של

This map shows the pattern of temperature variations in the cosmic microwave background (CMB) measured with the WMAP satellite. WMAP made a differential measurement of the CMB temperature with two sensitive radio antennae mounted with a fixed displacement between them. As the satellite rotated, the radio antennae traced out temperature variations in the entire sky. The largest temperature differences (between the red and dark blue regions) are about 0.0004 K, and the characteristic angular size of the temperature variations is around 1 degree. By analyzing the detailed pattern in this map, WMAP scientists infer that less than 4 percent of the universe is ordinary matter, and 23 percent is dark matter.

Page 19: חזי יצחק, מיכל וולטר

- עידוש האפל החומר של לקיומו נוספת עדותכבידתי

2

4GMdc

Page 20: חזי יצחק, מיכל וולטר
Page 21: חזי יצחק, מיכל וולטר

החומר מהו האפל?

Candidate Mass range Pros Cons

Astronomical objects (failed stars, black holes, MACHOs...)

1050-1063 eVRather conservative scenario; lensing searches effective

Amount of ordinary matter made in Big Bang falls short of total dark matter we need; not detected via lensing searches

Neutrinos <2 eVKnown to exist, and have mass so a natural candidate

Tiny neutrino mass inhibits clumping on small scales needed to hold galaxies together

Axions 10-6 eV

Postulated to solve a different problem altogether; dark matter aspect comes for free

Tough to detect

Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs)

1010 eV

Plausible class of new elementary particles that emerge from multiple theories beyond the Standard Model

Have evaded detection in accelerators to date

Alternative Gravity Scenarios N/A

No mysterious new matter needed, but rather a modification of gravity

Hard to reconcile with Bullet Cluster observations; theories seen as "inelegant"

Dark Sector Interactions N/A

Two new pieces of physics: exotic dark matter particles plus new interactions between them; might help reconcile experiments

Added complexity; wider range of phenomenology; tougher to rule out

Page 22: חזי יצחק, מיכל וולטר

CERN Axion Solar Telescope (CAST) . שימוש בשמש שנוצרים אקסיונים אחר חיפוש

מאד חזק מגנטי קרינת 9.5בשדה וגלאי טסלהX . התגלו – טרם עתה עד

חלקיקים של לפיזיקה קוסמולוגיה בין קשראלמנטריים

Page 23: חזי יצחק, מיכל וולטר

- ה אחר בדקוטה WIMP החיפוש במכרההדרומית

The Large Underground Xenon (LUX) detector contains 350 kg of cold liquid xenon that will scintillate when it interacts with a WIMP. The liquid xenon, held in the blue oblong vessel in this cutaway diagram, sits inside an 8-meter-diameter by 6-meter-high tank of water that reduces background signals from gamma radiation by seven orders of magnitude. Isolated from other sources of radiation by almost 1500 meters of rock, LUX will improve sensitivity to WIMPs by a factor of 100 over previous methods.

Page 24: חזי יצחק, מיכל וולטר

AMS-02 –Alpha Magnetic Spectrometer

- " א ונאס לצרן משותף פרויקטעל שהותקן חלקיקים גלאי

. הבינלאומית החלל מעבדתחומר אנטי למדוד מתוכנן

- . ב קוסמיות 2013בקרנייםשל תוצאות חודשים 18פורסמו

עדות נתגלתה בהן מדידות של . האפל החומר של לקיומו

:// . . /http ams nasa gov

Page 25: חזי יצחק, מיכל וולטר
Page 26: חזי יצחק, מיכל וולטר

ראשון – PRLמאמר

Page 27: חזי יצחק, מיכל וולטר

- אפל חומר אין ואוליתאוצות עבור מתוקנת ניוטונית דינמיקה

MONDקטנות מילגרום' מרדכי פרופ

2

020

02

for

for

a GM a aa rGMa a ar

Page 28: חזי יצחק, מיכל וולטר

נתונים מול תיאוריה

Page 29: חזי יצחק, מיכל וולטר

החומר של הנושא את לשלב המוטיבציה מה? בתיכון בהוראה האפל

בהווה – • מתרחש עכשווי מדעסקרנות – • פתורות לא חידות• - שחיקה מניעת למורים עניין מוסיףמתקדמות • טכנולוגיות על לימודגמר • ועבודות פרויקטים ביצוע

Page 30: חזי יצחק, מיכל וולטר

? קיים מה PI The Mysteryמודול •

of the Dark Matter •The physics of the 21st

Century

Page 31: חזי יצחק, מיכל וולטר
Page 32: חזי יצחק, מיכל וולטר

Uranus –A very badly behaved planet

• Discovered by William Herschel in 1781 • Period of revolution 84 years, average distance from the Sun is: 19 AU. • After 1800, discrepancies started to be apparent between the planet position as

predicted by theory and as measured in the sky

Page 33: חזי יצחק, מיכל וולטר

Uranus –A very badly behaved planet

• Discovered by William Herschel in 1781 • Period of revolution 84 years, average distance from the Sun is: 19 AU. • After 1800, discrepancies started to be apparent between the planet position as

predicted by theory and as measured in the sky

Page 34: חזי יצחק, מיכל וולטר

Neptune Discovery Chronology • In October 1845, Adams wrote to George Airy,

the Astronomer Royal of Greenwich Observatory, claiming that he had solved the problem of Uranus' orbit, and stating the position where the unknown planet could be found.

• In December 1845 (just two months after Adams), Le Verrier independently published a short manuscript on the orbit of the missing planet.

• Neptune was ultimately discovered by the German astronomer Johann Galle, on September 29, 1846, using Le Verrier’s predictions.

Page 35: חזי יצחק, מיכל וולטר