Document

Structuur en evolutie van de kosmos
J.W. van Holten
Metius, 31-10-2008
Ingredienten voor een heelal
- materie: gas, sterren, neutrino’s
- straling: Röntgen, licht, microgolf, radio
- magneetvelden
- onzichtbare componenten: donkere materie, energie
- ruimte en tijd
Materie
elektron
(licht, negatief geladen)
kern
(massief, positief geladen)
bestaat uit baryonen (nucleonen)
1 Å = 10-10 m
Atoomkern
(gebonden toestand van baryonen)
proton
(positief geladen)
neutron
(elektrisch neutraal)
1 fm = 10-15 m
k ernkrachten >> elektrische (Coulomb) krachten
Neutrino’s:
product van zwakke wisselwerkingen
B.v.: ß - verval:
p
n
_
m >
n
mp + me + m


e
de melkweg
Baryonen, elektronen in
gas (H, He) en sterren
Gemiddelde dichtheid in
het heelal:
1 nucleon per 5 m3
centrale deel
Verdeling van
melkwegstelsels
in onze wijde
omgeving
Onzichtbare materie
NGC 3198
Omloopsnelheid van sterren
in melkwegstelsels:
snelheid neemt niet af naar
de rand toe
(Kepler: T2 ~ R3)
Gravitatielens-effect:
afbuiging van licht
donkere materie bestaat niet uit baryonen
QuickTime™ and a
Sorenson Video 3 decompressor
are needed to see this picture.
Straling
radio
Bestaat uit lichtdeeltjes (fotonen)
met energie E = hf = hc/
licht
Kosmische
achtergrondstraling
(CMB)
(WMAP)
Microgolven:
T = 2.73 K
410 fotonen/cm3
Afstandsbepaling in het heelal
i. Parallax methode
Definitie: d = 1 parsec als  = 1 boogseconde
 1 parsec = 3.26 lichtjaar = 3.09 x 1013 km
ii. Variabele sterren
a. Cepheiden
Henriette Leavit
(1912)
- van groot aantal parallax en helderheid bekend
- statistisch verband periode vs. helderheid
1923: E. Hubble ontdekt cepheiden
in M31 (Andromeda)
Afstand: 2.5 miljoen lichtjaar
er zijn
melkwegstelsels
buiten het onze
b. Supernovae
Thermo-nucleaire explosie/implosie van een ster
Supernova Ia:
SN 94b (NGC 4526)
sterke correlatie duur en piek-helderheid
iii. Roodverschuiving
Doppler effect:
Roodverschuivingsparameter z :
Hubble (1929): roodverschuiving evenredig met afstand
Wet van Hubble
Supernova metingen tot z ≈ 0.3
H0 = 73 ± 3 km/sec/Mpc
Het uitdijende heelal
- Alle melkwegstelsels bewegen met
toenemende snelheid van elkaar af
- hoe verder je het heelal in kijkt,
hoe verder terug in de tijd
- het licht dat het langst onderweg is
geweest is het meest naar rood
verschoven (langere golflengte)
Verste
melkwegstelsels
zichtbaar met HST:
Z~6-7
Verdeling van melkwegstelsels
Op schaal > 100 Mpc: homogeen en isotroop
Kosmische achtergrondstaling
Homogeen en isotroop
T = 2.73 K
∆T/T ~ 10-5
Neutraal waterstof gevormd bij T = 3200 K
z = 1100,
13.7 miljard jaar geleden
Kosmische uitbreiding van lichtsignalen
Geen uitdijing
Constante uitdijing
Versnelde uitdijing
Hoge z supernova metingen
 Versnelde expansie
Vacuumenergie
Versnelde expansie  negatieve druk:
kosmos wint energie door uitzetting
Dit is mogelijk als de lege ruimte een
constante energie per volume-eenheid
bezit:
vacuumenergie
(Einstein’s kosmologische constante)
Meetkunde van de ruimte
Ω0 = gemiddelde energiedichtheid van het heelal
in termen van de kritische energiedichtheid
 0 = 1   = c =
3c2 H02
8π
= 5.2 GeV/m3
Energiebudget van het heelal (nu):
- fotonen:
= 0.00005 c
 baryonen: B = 0.04 c
- vacuum:
v = 0.74 c
- onzichtbare materie: dm = 0.22 c
(waarvan neutrino’s: ~ 0.001 c)
Waarnemer in W (blauw)
n melkwegstelsel van massa m
per eenheid volume
Energiebalans van
melkwegstelsel O (rood):
E = 1/2 mv2 - GmM
R
Hubble: v = H0 R
Totale massa: M = 4π R3 nm
3
2E
3c2 H02
8πG
8πG
2
2
2
= H0 nmc = H0   c =
2
2
2
mR
3c
3c
8πG
Evolutie van het energiebudget
-Dichtheid van baryonen en fotonen neemt af met
toenemend volume van het heelal  n ~ 1/volume ~ 1/a3
-De (rust)energie van baryonen blijft hetzelfde bij
toenemend volume van het heelal  m ~ 1/volume ~ 1/a3
-Aantal en energie van fotonen neemt af met toenemend
volume van het heelal (roodverschuiving)  r ~ 1/a4
-De vacuumenergie is onafhankelijk van het volume van het
heelal  v = constant.
Evolutie en cross-over materie/straling/vacuumenergie
als functie van de schaal van de kosmos
Samenstelling van het heelal
 Nu
(z = 0, T = 2.73 K)
 Ontkoppeling kosmische
achtergrondstraling
(z = 1100, T = 3200 K)
Versnelde expansie van de kosmos
QuickTime™ and a
YUV420 codec decompressor
are needed to see this picture.