Vznik a vývoj vesmíru
Bc. Peter KráčalíkAstronomický klub Bratislava
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 ?
Kozmológia• Veda, ktorá študuje vesmír ako celok• Predtým časť filozofie dnes samostatný vedný obor
Okruhy otázok, ktorými sa zaoberá
Vznik vesmíru stavba vesmíru
Vývoj vesmíru elementárne častice – zloženie
Zánik vesmíru vzájomnými vzťahmi objektov
KozmológiaNa väčšinu otázok teoretickej kozmológie
nevieme doteraz uspokojivo odpovedaťPOZOROVANIA NIE SÚ DOSTAČUJÚCE
ZÁKLADNÉ PRINCÍPY KOZMOLÓGIE1. Fyzikálne zákony platia rovnako v celom vesmíre2. Vesmír je vo veľkých mierkach (> 500 mil. ly) všade rovnaký3. Správne naladenie vesmíru – antropický princíp4. Každý objekt má kladnú alebo nulovú hmotnosť5. Zotrvačnosť telesa určuje rozloženie hmoty vo vesmíre (rotácia objektov a pod. )
MODELY VESMÍRU
Modely vesmíruteória 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
BIG BANGPred 13,7 miliardami rokov to začalo .....
Simulácia big bangu podľa vyhodnotenia dát z HST
Vznik vesmíru10-43 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
Vznik vesmíru
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.
Vznik vesmíru – čo bolo potom100 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
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.
Vesmír dnes
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.
... Milión rokov po veľkom tresku ....
Galaxieobrovský zhluk hviezd, hmlovín a medzihviezdneho materiálu. najmenšie galaxie: 100 000 hviezdnajväčšie galaxie: až 3 000 miliárd hviezd
V súčasnosti poznáme tieto základné typy galaxii (Hubble):ŠpirálováŠpirálová s priečkouEliptická 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.
Galaxie – uhádnete?
M110 – eliptická v Androméde
Galaxia – špirálová s priečkou
M95 - špirálová s priečkouv Levovi
M74 – špirálová v Rybách
Uhádnete ?Zrážka dvoch galaxií – vzniká pekuliárna galaxia
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
veľmi malý rozmer,veľmi vysoká hmotnosť
silné gravitačné polesilné elektromagnetické žiarenie najmä v RTG
Nové typy pozorovaní: Gravitačná šošovka
3C48
Menej známe galaxieSeyfertove 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 obalomsilný rádiovým zdrojom
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
Galaxia Mliečna cesta
Slnko
Slnko v 2/3 cesty smerom od stredu Galaxie, vykoná obeh približne za 220 mil rokov
Čierne diery – aktívne jadrá?
Čierna diera – jadro galaxie M81 (animácia z dát z HST)
Čierna diery – aktívne jadrá?
Neutrónová hviezda je po špirále vťahovaná čiernou dierou. Prechod galaktickým halom (zábery HST)
Hmlovinymrak prachu a plynu vo vnútri galaxie.
Plyn žiari - hmloviny sú viditeľné - mrak odráža svetlo hviezdzatieňuje 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.
Typy hmlovín
Prstencová hmlovina M57(planetárna hmlovina)
Hmlovina v Orióne – M42(emisná hmlovina)
Krabia hmlovina M1(zvyšky supernovy)
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
Hviezdny vývoj
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
Hviezdny vývoj – malé hviezdyZánik:
- 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.
Biely trpaslík
NGC 2440 – snímka NASA
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.
Neutrónová hviezda
Počítačové spracovanie dát HST
Snímok z projektu ROSAT
Vzniká magnetar
Magnetar je vysoko magnetizovaná rotujúca neutrónová hviezda
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.
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.
Čierna diera
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:1. plyn prúdi z povrchu zvyčajnej viditeľnej hviezdy2. vťahuje ho akréčný disk čiernej diery. 3. trením sa zahrieva na desiatky miliónov stupňov. 4. plyn vyžaruje röntgenové lúče5. 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
Zánik vesmíru?Jeden z predpovedaných scenárov:1. Mohutné hviezdy skončia svoju existenciu ako
čierne diery2. Vyparovanie ich hmoty bude však pomalšie
ako nárast hmotnosti iných čiernych dier3. Čierne diery sa zrazia a spoja (časť vesmíru
pri čiernej diere sa bude zmenšovať do jej nepatrného „jadra“ – bod singularity
4. Zrážka supermasívnych čiernych dier = obrovský výbuch – nový BIG BANG?
Zánik vesmíru?
Koniec