Kdy a jak vznikl vesmr Co dnes vme

Kdy a jak vznikl vesmír Co dnes víme o našem vesmíru a jak jsme na to přišli Hvězdárna Zlín 14. března 2005

1. Kosmologie Nejmladší odpověď na nejstarší otázku

Jaká je podstata našeho světa? • Egyptská bohyně Nút každý den rodí a opět polyká Slunce

• Ačkoliv Řekové položili základy matematiky (Thales, Pythagoras, Euklides, …), nedokázali vytvořit fyziku – Nedospěli k formulaci fyzikálního zákona • Experimentální možnosti byly velice omezené, jednotlivé objevy zůstaly izolovány – určení poloměru Země z úhlů vrženého stínu – usuzování na kulový tvar Země z tvaru stínu při zatmění Měsíce) neznali význam experimentu – Archimédův zákon – Demokritova atomová teorie, formulace zachování energie • Hledání pralátky (voda, vzduch, oheň, …)

1. den Bůh stvořil nebe, zemi a světlo 2. den oddělil Bůh klenbou vody na nebi a na zemi 3. den vytvořil souš a na ní rostliny 4. den Bůh stvořil světla na obloze – Slunce a Měsíc 5. den Bůh stvořil zvířata 6. den Bůh stvořil člověka – Adama a z jeho žebra Evu 7. den Bůh odpočíval Malby Raffaelo Santi

2. První pátrání Tohle ještě není kosmologie…

Christian Huyghens (1629 -1695) • Snažil se nalézt úhlový průměr hvězd pomocí měděné destičky s malými otvory • Určil vzdálenost Síria na 27 000 AU – ve skutečnosti je ještě 20 x dále

William Herschel (1738 – 1822) • první astronom který obrátil pozornost od planet Sluneční soustavy ke hvězdám

Galaxie podle W. Herschela: 1. všechny hvězdy svítí stejně 2. jsou rozloženy rovnoměrně 3. světlo není pohlcováno

3. Kosmický žebřík Hledání „standardní svíčky“

Keplerovy zákony popisují vzájemnou polohu nebeských těles, ale neříkají nic o absolutních vzdálenostech 1. Planety obíhají po kuželosečkách, Slunce je v ohnisku 2. Plocha opsaná průvodičem planety za jednotku času je konstantní 3. P 12 / P 22 = a 13 / a 23

Přechod Venuše před Sluncem 8. 6. 2004 • v moderní době pěkná podívaná • v historii první způsob změření AU • další alternativou bylo měření denní paralaxy blízkých planetek

Pokud by Země obíhala kolem Slunce, měli bychom pozorovat zdánlivý pohyb blízkých hvězd na vzdáleném pozadí –tzv. roční paralaxu • Neschopnost Tycha Brahe změřit paralaxu vedla k jeho odmítání koperníkovy heliocentrické soustavy – ovšem Brahe měřil bez dalekohledu s přesností 2’, což je 500 x méně než by bylo potřebné • Ani William Herschel roku 1774 neuspěl s pokusem změřit paralaxu hvězd

• Poprvé paralaxu úspěšně změřil roku 1838 F. W. Bessel u hvězdy 61 Cygni – hodnota paralaxy 61 Cyg je jen 0, 299” – to odpovídá vzdálenosti 3, 34 pc (~ 10, 9 l. y. ) – parsec (pc) je vzdálenost, ze které je 1 AU vidět pod úhlem 1” – 1 pc = 3, 262 l. y. • Další úspěšná měření přibývají – W. Strueve: Centauri 0, 756” (1, 31 pc ~ 4, 27 l. y. ) – T. Henderson: Lyrae 0, 140” (7, 15 pc ~ 23, 32 l. y. ) • Při maximální úhlové přesnosti 0, 02” bylo možné změřit paralaxy hvězd do asi 100 l. y. – Dnes družice Hipparcos změřila paralaxy do asi 1000 l. y. • 100 l. y. je ale příliš málo, naprostá většina hvězd, všechny mlhoviny, hvězdokupy a galaxie jsou mnohem (ale opravdu MNOHEM) dále

Henrietta Swan Leavitt • v roce 1912 objevila vztah perioda-svítivost u hvězdy d Cephei – M = -2, 8 log P – 1, 43 – podle hvězdy d Cephei se celá třída pulzujících proměnných hvězd nazývá cefeidy • Slabá blízká hvězda se může jevit jasněji než silná vzdálená hvězda – U cefeid ale stačí změřit periodu a už víme jak hvězda SKUTEČNĚ svítí – Z její ZDÁNLIVÉ jasnosti pak můžeme určit jak je daleko • Cefeidy se staly „standardní svíčkou“ vesmíru

První příčky kosmického žebříku jsou na světě: • Vzdálenost mezi Zemí a Sluncem (1 AU) jsme dokázali určit řadou způsobů: – přechody Venuše přes Slunce – z denní paralaxy blízkých planetek (433 Eros) – dnes radarem s přesností jednotek metrů • U blízkých hvězd změříme paralaxu a ze znalosti 1 AU určíme jejich vzdálenost • Pomocí paralaxy určíme vzdálenost blízkých cefeid zkalibrujeme jejich svítivost • Poté dokážeme určit vzdálenost jakékoliv cefeidy např. ve hvězdokupě apod.

4. Albert Einstein a Edwin Hubble Konečně kosmologie – teorie a pozorování vzájemně zapadají

• V roce 1905 Albert Einstein publikuje speciální teorii relativity – postuluje mezní rychlost světla „c“ – zobecňuje Galileovy principy relativity pohybu na všechny fyzikální zákony – žádná rovnoměrně a přímočaře se pohybující se soustava není nadřazena jiné, nelze určit absolutní pohyb nebo klid – relativizuje čas, ruší jeho absolutní podstatu a nezávislost na prostoru – „speciální“ je proto, protože popisuje jen inerciální soustavy • Speciální teorie relativity řešila nakupené problémy fyziky – problém éteru, Michelsonův pokus z roku 1881

• V roce 1915 Albert Einstein přichází s obecnou teorií relativity – obecná teorie relativity je teorií gravitace – gravitace je zakřivení prostoročasu – gravitace a setrvačnost jsou nerozlišitelné – není omezena na inerciální soustavy – matematické vyjádření obecné teorie relativity je už příliš složité – v roce 1917 holandský matematik De Sitter nalezl řešení rovnic obecné relativity

• V roce 1922 Alexandr Friedmann (petrohradský matematik) řešil rovnice obecné teorie relativity pro celý vesmír – výsledek je jednoznačný: vesmír je nestacionární, musí se rozpínat nebo smršťovat – předpokládá homogenitu a izotropii vesmíru – pro podporu ale nemá žádná pozorování – Einstein tento výsledek odmítá a zavádí do rovnic „kosmologický člen“, který umožňuje stabilní vesmír • později tento krok prohlásil za svou největší chybu • V roce 1925 Georges Édouard Lemaître (belgický kněz, profesor astronomie) nezávisle na Friedmannovi řeší rovnice obecné relativity – rovněž dospívá k závěru, že vesmír se rozpíná nebo smršťuje – Navrhuje ověřit své výsledky pozorováním galaxií – Přichází s myšlenkou „praatomu“, z něhož vznikl celý vesmír

• V roce 1917 vrcholí snaha George Ellery Halea (1868 -1938) a na hoře Mt. Wilson v Kalifornii se rozbíhá největší dalekohled své doby, slavný „ 100 -inch Hooker telescope“

• 2, 5 m dalekohled má dostatečnou rozlišovací schopnost, aby rozlišil hvězdy v blízkých galaxiích – M 31 v Andromedě – M 33 v Trojúhelníku – … • Naše Mléčná dráha najednou přestala tvořit celý vesmír, který je ve skutečnosti nesmírně větší – naše Země se stala jen jednou z planet – naše Slunce je jen jednou z hvězd v Galaxii – naše Galaxie je jen jednou z galaxií ve Vesmíru

• Během 20. let 20. století americký astronom Edwin Hubble pátral s použitím Hookerova dalekohledu po cefeidách v blízkých galaxiích

• V roce 1925 Hubble našel 11 cefeid v nepravidelné „mlhovině“ NGC 6822 – tato Irr galaxie se tak stala prokazatelně prvním objeveným objektem mimo naši Galaxii • V roce 1929 změřil Hubble vzdálenosti asi 20 galaxií a z červeného posuvu spektrálních čar způsobených Dopplerovým jevem určil rychlost jejich vzdalování – výsledek ukazuje, že vesmír se skutečně rozpíná!

• Práce pokračují a v roce 1931 je k dispozici podstatně rozsáhlejší soubor dat – O rozpínání vesmíru již není pochyb

Spektrum Slunce (NOAO) a vzdálené galaxie (SDSS) s výrazným červeným posunem

• Hubbelova konstanta H 0 udává jakou rychlostí (km. s -1) se vzdaluje galaxie vzdálená jeden Mpc – Hubble určuje H 0 = 550 km. s-1. Mpc-1 – Friedmannovo stáří vesmíru je t 0 = 1/H 0 – Hubblovo stáří je menší, neboť počítá se zpomalováním rozpínání th 0 = 2/3. t 0 • Stáří vesmíru vyjde 2. 109 let, a to je skutečně málo – stáří Země je určeno na 4, 6. 109 let – teoretikové se vracejí k Lemaîtrovým modelům předpokládajícím přerušované rozpínání • Tento stav trval do poloviny 20. století – během II. světové války platilo nařízení o zatemnění ve městech na západním pobřeží ze strachu z japonských náletů – expoziční doby na hvězdárně Mt. Wilson bylo možno značně prodloužit – v roce 1948 uveden do provozu 5 m dalekohled na Mt. Palomar

• Na základě nových pozorování zmenšuje v roce 1952 W. Bade hodnotu H 0 na ½ (~220 km. s-1. Mpc-1) • V 60. letech 20. století je za nepravděpodobnější hodnotu považována hodnota H 0 = 55 km. s-1. Mpc-1 – věk vesmíru pak vychází 20. 109 let a Země tedy nevypadá starší než vesmír

5. Big Bang Už víme (skoro) vše

• V roce 1946 George Gamow formuluje teorii „žhavého velkého třesku“ – uvažuje o postupném vzniku prvků při chladnutí vesmíru • V roce 1948 teorii velkého třesku se svými žáky rozšiřuje a přichází s předpovědí zbytkového (reliktního) záření o teplotě 5 až 10 K • Enrico Fermi namítá, že postupný vznik prvků naráží na nestability jádra s 5 nukleony – Gamowova teorie byla tak postupně opuštěna • V roce 1948 přichází Bondi, Gold a Hoyle s teorií stacionárního vesmíru – žádný velký třesk nebyl – hmota neustále vzniká a kompenzuje tak rozpínání – rozpory s pozorováním ale tuto teorii odsoudily k zániku

• V roce 1957 tým 4 vědců (manželé Burbidgeovi, Hoyle a Flower), tzv. Gang 4, vysvětlili vznik prvků od Li po Fe ve hvězdách – Zachycováním neutronů při výbuších supernov lze vysvětlit i vznik prvků těžších než Fe (např. uran) – tyto objevy měly pro kosmologii nesmírný význam • Kolem roku 1958 Dicke oživil zájem o reliktní záření – začal pracovat na radiometru pro cm vlny s detektorem chlazeným na 4 K – Nezávisle na něm Zeldovič pracuje na teorii „studeného velkého třesku“, neboť byl mylně informován že reliktní záření hledáno bylo, ale nebylo nalezeno

• Zlom nastává v roce 1964, kdy technici Penzias a Wilson z Bell Laboratories při hledání vhodných pásem pro telekomunikační družice reliktní záření vskutku objevili

• Reliktní záření objevené Penziasem a Wilsonem mělo teplotu (neboli odpovídalo záření absolutně černého tělesa o teplotě) asi 3 K – to se skvěle shoduje s Gamovovými předpověďmi • Záření je homogenní a izotropní – přichází ze všech směrů stejně • Penzias a Wilson svůj objev zveřejnili v práci dlouhé 600 slov a vytvořili tak nejkratší práci oceněnou Nobelovou cenou

• Mezitím Dicke dokončil svůj radiometr a potvrdil charakter reliktního záření jako záření absolutně černého tělesa – Penzias a Wilson měřili v poměrně úzkém pásmu vlnových délek – Měření v maximu intenzity (vlnová délka pod 1 mm) muselo být prováděno mimo atmosféru z letadel U-2 • Odchylky v intenzitě dovolují určit rychlost pohybu Země vzhledem k pozadí (asi 400 km/s) – Rychlost Galaxie je asi 600 km/s • Teorie žhavého velkého třesku se stala jednoznačně převládající teorií vývoje vesmíru • První okamžiky vypadají následovně:

• 10 -43 s po velkém třesku – hadronová éra – vesmír je vyplněn těžkými částicemi (protony a neutrony) – hustota vesmíru je 1097 kg/m 3 – teplota vesmíru je 1033 K – skoro ke každé částici existuje antičástice – na 109 antičástic připadá 109+1 částice – částice a antičástice anihilují a ze zbytku později vznikají galaxie, hvězdy, planety a také my • 10 -4 s po velkém třesku – leptonová éra – – převládají lehké leptony (elektrony, neutrina, miony) hustota vesmíru je 107 kg/m 3 teplota vesmíru je 1010 K z této doby pocházejí nejstarší svědci historie vesmíru - neutrina

• 10 s po velkém třesku – éra záření – vzájemnou anihilací částic a antičástic vznikly fotony s vysokou energií – vesmír byl ale pro záření neprůhledný – fotony neustále naráženy na příliš nahuštěné částice – energie záření nedovolovala elektronům navázat se na protony a vytvořit atomy vodíku • 106 let po velkém třesku – éra látky – vesmír se rozpínal a chladl – hmota vesmíru se deionizovala, vesmír pro záření zprůhledněl – reliktní záření je přímým svědkem tohoto zprůhlednění

• Pozorování ale přinášejí komplikace, které tento model nemůže vysvětlit: – vesmír se jeví ve velkém měřítku homogenní (všude v prostoru stejný) – vesmír je ve velkém měřítku izotropní (ve všech směrech stejný) – jak je to možné, když v počátcích rozpínání neměly částice vzhledem k omezené rychlosti světla čas „říci si o svém stavu“ (vyrovnat podmínky) – na druhé straně kdyby byl vesmír naprosto homogenní, nemohly by v něm vzniknout galaxie, hvězdy a planety • V roce 1981 vyslovil Alan Guth domněnku, že nezáleželo na počátečních podmínkách, vesmír byl „donucen“ fyzikálními zákony zformovat se do současné podoby

• V současné době známe 4 interakce hmoty – – gravitační elektromagnetickou jadernou slabou jadernou silnou • Weinberg, Salam a Glashow objevili, že při vysokých energiích elektromagnetická a slabá jaderná interakce splynou – v roce 1983 vyl v CERN detekován intermediální boson W s elektrickým nábojem a neutrální boson Z - nositelé elektroslabé interakce – je zapotřebí teplota 1028 K (1024 e. V) – GUT (Great Unification Theory) je na světě – je důvodné se domnívat, že s rostoucími energiemi (teplotami) se k elektroslabé interakci připojí i jaderná silná interakce (jak je to s gravitací? )

• Kvantová teorie vede na zcela nový pohled na vakuum – vakuum není prostě „nic“ – ve vakuu vznikají páry virtuálních částic (např. elektron -pozitron) – doba jejich existence je pod Heisenbergovou mezí, neporušují tedy zákony zachování energie • Vakuum tedy má samo osobě energii • Igor Novikov předpovídá gravitační působení vakua – působí odpudivě, nikoliv přitažlivě – nemění se s r 2 jako gravitace ale lineárně s r • Teorie sjednocení fyzikálních interakcí a teorie vakua vedou k tzv. „inflačnímu modelu vesmíru“

• V čase 10 -34 hustota energie hmoty klesla na úroveň hustoty energie vakua, začíná inflační nafouknutí • V 10 -32 s po velkém třesku nastává fázová změna vakua, opět dominuje hustota energie hmoty a vesmír pokračuje v adiabatickém rozpínání

• Během inflační fáze se objem vesmíru zvětšil 1043 x – znamená to, že prakticky v celém objemu se jednotlivé oblasti vesmíru navzájem dostaly mimo svůj horizont událostí • Problém homogenity a izotropie je tedy vyřešen – celý pozorovatelný vesmír je inflací nafouknutá původně velice malá oblast vesmíru, v níž si částice stačily „říci“ o svém stavu – nic ale není bez problémů – fázový přechod vakua nesmí být skokový, jinak by vznikl silně nehomogenní vesmír „typu ementál“ – zavádí se pojem „podchlazené vakuum“, jako analogie podchlazené vody, která rovněž nemusí zamrznout i pokud je teplota pod bodem mrazu

• Velmi velké vzdálenosti ve vesmíru určujeme pomocí Hubblova vztahu ze změřeného červeného posuvu (a tím ze známé rychlosti vzdalování) – z měření červeného posuvu blízkých galaxií, ve kterých dokážeme nalézt cefeidy, musíme ale H 0 určit co nejpřesněji – v (relativně) malých vzdálenostech je ale určení obtížné, vlastní pohyb galaxií narušuje měření • Každopádně Hubblův vztah se stává další příčkou našeho kosmického žebříku – tato příčka sahá doslova až na konec vesmíru – zatím ale není moc přesná

• Galaxie podle z (SDSS) – z = 0, 02 – z = 0, 03 – z = 0, 05 – z = 0, 075 – z = 0, 1 – z = 0, 2 – z = 0, 3 – z = 0, 4 – z = 0, 5

• Nejistá hodnota H 0 (mezi 50 a 100 km. s-1. Mpc-1) způsobuje v kosmologii velké problémy – nikdo neví jak je vesmír vlastně starý – nikdo neví jak je galaxie s daným z daleko – proto se jedním z klíčových úkolů Hubblova kosmického dalekohledu (HST) je zpřesnění H 0 a tím i přesné určení věku vesmíru

Na rozdíl od pozemských dalekohledů HST dokáže nalézt cefeidy v galaxiích vzdálených až 100 l. y.

• Nejvzdálenější galaxie, v níž HST dokázal najít cefeidu, byla NGC 4603 vzdálená 108 l. y. – to je 2 x dále než je střed kupy galaxií v Panně • V květnu 1999 oznámil tým klíčového projektu HST učení H 0 na 70 km. s-1. Mpc-1 s chybou 10% – do této doby nebylo jasné, je-li vesmír starý 10 či 20 miliard let – kosmologie se „přesnou vědou“

6. Pátrání po skryté hmotě Už zase nevíme (skoro) nic

• Pátrání po nové „standardní svíčce“ – zachytit slabou cefeidu dále než 100. 106 l. y. je nesmírně obtížné, potřebujeme mnohem vyšší jas – potřebujeme objekt, jehož absolutní svítivost známe • Obě podmínky splňují supernovy typu Ia – příklady supernov: sn 1999 be a sn 2002 bo

• Supernovy typu Ia jsou vždy dvojhvězdy – z červeného obra přetéká hmota na bílého trpaslíka – po dosažení kritické teploty v celém objemu hmoty na bílém trpaslíkovi vzplane termonukleární reakce – protože reakce vzplane vždy po nakupení určitého množství materiálu, je i exploze vždy stejná – variace ve svítivosti lze odlišit z průběhu světelné křivky – výbuchy supernov můžeme zjistit i na vzdálenosti miliard světelných let

• Supernovy typu Ia se stávají další příčkou kosmického žebříku, podstatně spolehlivější než červený posun – svítivost těchto supernov lze kalibrovat nalezením cefeid v blízkých galaxiích, kde vybuchne i Ia supernova • Vyhledávání supernov v cizích galaxiích se věnuje řada robotických observatoří: – KAIT (Katzman Automatic Imaging Telescope) – Tenagra Observatories – … • Na pátrání po vzdálených supernovách typu Ia se zaměřují dva týmy: – High-Z Supernova Search Team – Supernova Cosmology Project

V roce 1998 přichází „blesk z čistého nebe“ • Supernovy vzdalující se určitou rychlostí (s určitým naměřeným červeným posunem) jsou ve skutečnosti dále než bychom očekávali • Znamená to, že v historii (vzdálenost zde díky konečné rychlosti světla hraje roli stroje času) se nevzdalovaly rychleji (jak bychom očekávali od vesmíru jehož rozpínání se gravitací zpomaluje), ale naopak pomaleji • Rozpínání vesmíru sice po určitou dobu zpomalovalo, ale jakmile se gravitační přitažlivost vyrovnala dosud neznámé odpudivé síle, rozpínání opět zrychluje!

Varianty hustoty hmoty M a neznámé odpudivé energie • Einsteinův kosmologický člen se opět dostává na scénu

• Ve vědě platí pravidlo, že výjimečná tvrzení vyžadují výjimečné důkazy – Začíná hon na vzdálené supernovy

• Poměr M/ = 0, 25/0, 75 dnes potvrzují i další pozorování – rozložení fluktuací reliktního záření v úhlovém rozměru 1° (WMAP) – seskupování galaxií zkoumané mohutnými přehlídkami oblohy (2 d. F, SDSS, …) – naneštěstí podstata těchto měření není bez matematiky snadno přístupná

• Průnik všech experimentů nám dává velmi dobrou představu o geometrii našeho vesmíru

• Podstata temné nebaryonické hmoty tvořící ¼ vesmíru je zcela neznámá – jediný její projev je gravitace – jaký druh částic ji může tvořit? • Podstata temné energie představující 70% vesmíru je už zcela mimo naše znalosti – – – víme jen, že je odpudivá nevíme jestli působí lineárně se vzdáleností nevíme jestli je v čase proměnná nevíme jestli má lokální variace nebo působí globálně vůbec netušíme co ji způsobuje a jak ji skloubit s našimi současnými teoriemi

• V roce 2005 byla objevena temná galaxie VIRGOHI 21 – galaxie je opticky zcela neviditelná, neobsahuje hvězdy, mlhoviny apod. – je vzdálena 50. 106 l. y. v kupě v Panně – poměr baryonické a nebaryonické hmoty je 1: 500 – galaxie byla objevena díky rádiovému záření galaktického plynu ( = 21 cm)

• Temnou hmotou záhady nekončí… • Proč grafy zobrazující vývoj vesmíru začínají v čase 10 -43 s? – dosud se nepodařilo spojit obecnou teorii relativity (teorii gravitace platící ve velkých vzdálenostech) a kvantovou teorii (teorii mikrosvěta elementárních částic) – pro popis dějů před tzv. Planckovým časem 10 -43 s ale jednotnou teorii potřebujeme – dosud nejnadějnější teorie strun (případně její sjednocení se supersymetrickou teorií v podobě tzv. M -teorie) slibuje vytvoření jednotné teorie, velkým problémem je ale praktická nemožnost experimentálně potvrdit teoretické předpovědi – nástin teorie strun by ale zabral další přednášku…

Děkuji za pozornost. Otázky?