Na poeku bejae Veliki prasak Prof Dr Tijana

Na počeku bejaše. . . Veliki prasak! Prof. Dr Tijana Prodanović PMF Novi Sad Astronomsko društvo Novi Sad 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 1

Kosmologija • Oblast astronomije • O poreklu, evoluciji i sudbiji Kosmosa POČETAK 26. 03. 2014. @ Radio Cafe KRAJ? Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 2

Veliki Prasak • Teorija o nastanku svemira iz jedne vrele, guste tačke koja je počela da se širi • 1949. Sir Fred Hoyle je nazvao ovu teoriju “Veliki prasak” (“Big Bang”) – u stvari, hteo je da je ismeje – ali je ime ostalo • Naučnici nemaju i neće imati sva objašnjenja o Velikom prasku • Ali sve više prosmatranja potvrđuje da je svemir zaista tako nastao 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 3

Nije eksplozija! • Ne postoji centar i nema razbacivanja stvari svuda okolo • Desilo se svuda u isto vreme • Svemir je od jednom bio ispunjen energijom – vreo i gust • Početak prostora i vremena, materije i energije • Kako se prostor-vreme širilo svemir se hladio i razređivao • I na kraju su se formirale zvezde i galaksije koje danas vidimo 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 4

Stubovi kosmologije • Glavni posmatrački dokazi teorije vrelog Velikog praska 1. Važne vesti: svemir se širi! širi Hablov zakon 2. Svemirska kuhinja: prvi elementi H, He, D, Li 3. Eho velikog praska: kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 5

Galaksije se udaljavaju od nas! • 1928, Edwin Hubble • Većina galaksija se udaljava od nas – Izuzetak su galaksije iz “komšiluka” (na pr. Andromeda) • Što je dalja neka galaksija to se brže udaljava od nas – Hablov zakon v=Hod v – brzina d – rastojanje Ho – Hablova konstanta 26. 03. 2014. @ Radio Cafe July 28 th, 2006 Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs Astronomy 100 6

Interpretacija: Pogled na Svemir • Egoista – Mi smo centar svemira! • Einstein – Svemir se širi, i ne postoji centar! 26. 03. 2014. @ Radio Cafe July 28 th, 2006 Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs Astronomy 100 7

1. Mišljenje egoiste • U principu moguće! • Ali! Mnogo razloga zašto ne valja biti “Egoista” – Nije filozofski • Nije kopernikanski! – Nije ono što vidimo • Mlečni put ni komšiluk galaksija ne izgledaju kao standardni centri eksplozija (npr. kao neutronska zvezda i supernova ostatak) 05. 03. 2013. Evolucija elemenata i cesticna astrofizika 8

2. Mišljenje Ajnštajna • Svemir se širi! – *Mada mi se ne širimo • Sve galaksije se međusobno udaljavaju! • Isto vidimo iz bilo koje tačke • Ne postoji centar, ni posebno mesto 05. 03. 2013. Evolucija elemenata i cesticna astrofizika 9

Širenje Svemira. . . kao. . . naduvavanje balona: 2 D površina balona kao 3 D Svemir Sve tačke se udaljavaju Konačan a bezgraničan I svetlost se “širi” 26. 03. 2014. @ Radio Cafe . . . kolač koji raste dok se peče. . . 3 D širenje Grožđice se udaljavaju ali se ne šire Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 10

Ali mi se ne širimo! • Druge sile nas drže i opiru se širenju – Atomi – nuklearne sile – Molekuli i živa bića – elektromagnetna sila – Planete, zvezde, galaksije, jata galaksija – gravitacija • Ali superjata galaksija se šire! – širenje jača sa rastojanjem (više prostora se širi) – gravitacija slabi sa rastojanjem 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 11

Starost Svemira • Širenje Svemira opisujemo tzv. Hablovom konstantom H 0 = 68 km/s/Mpc* • Hablov zakon v=Hod • Brzina v=d/t • Dakle Ho=1/t – Procenjujemo starost Svemira Vreme = 1/Ho=1/(68 km/s/Mpc) = 14 milijardi godina *Mpc = Mega (milion) parsek = 3, 2 svetlosne godine = 3 x 1013 km 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 12

Stubovi kosmologije • Posmatrački dokazi na kojima počiva cela teorija vrelog velikog praska 1. Važne vesti: svemir se širi! širi Hablov zakon 2. Svemirska kuhinja: prvi elementi H, He, D, Li 3. Eho velikog praska: kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanović Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs Petnica 2007. 13

Sastav svemira Nutritivna vrednost Porcija… 100 g proizvoda Broj porcija u Svemiru… gomila! 100 g proizvoda sadrži Vodonik …………. . . 75 g Helijum ………. . . ………………. 25 g Deuterijum …………………. . . 0, 01 g Litijum …. . ……. . . ………. . . 10 -8 g Ove količine merimo! Ali odakle? ? 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 14

Kratka istorija vremena. . . t=0 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Danas Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 15

0 -10 -43 sekundi. . . Temperatura =1032 K • • • Plankovo vreme Pre toga …nemamo pojma! Teorije koje imamo ne rade Sve 4 osnovne sile ujedinjene Fali nam TEORIJA O SVEMU da ujedini gravitaciju i kvantnu teoriju • Gravitacija se odvaja. . . ostale 3 sile i dalje ujedinjene 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 16

Razjedinjenje sila 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 17

Primordijalna supa. . . • Vrela primordijalna supa – mešavina najosnovnijih čestica, antičestica i zračenja • Čestice i antičestice se poništavaju i stalno rađaju iz zračenja • Svemir se širi, hladi i razređuje 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 18

10 -35 - 10 -33 sekundi nakon VP. . . Temperatura =1027 K • Jaka nuklearna sila se odvaja • Inflacija! Svemir naglo raste! • Uveća se 1035 puta! 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 19

Inflacija rešava probleme! Objašnjava zašto nam svemir izgleda ravan 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 20

Inflacija rešava probleme! Objašnjava zašto daleka mesta u svemiru izgledaju isto • • Suprotni krajevi svemira izgedaju slično Kao da su se usaglasili (putem svetlosti) A nije bilo vremena Morali su biti zajedno u nekom momentu 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 21

3 minuta nakon VP. . . Temperatura =1 milijarda K • Svemir se dovoljno ohladio da zračenje više ne može da rastura protone i neutrone • Konačno prva jezgra! • Neutron+proton= DEUTERIJUM (težak vodonik) • Počinje “zakuvavanje”. . . fuzija vodonika u teže elemente 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 22

Nukleosinteza i prvi elementi • Temperatura ~ 109 K • Fuzija najlakših elemenata (proton) (2 protona+2 neutrona) Takođe: Deuterijum (proton+neutron) 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 2323. 10. 2007.

3 minuta i 30 sekundi nakon Velikog praska. . . • Svemir se ohladio za dalje “kuvanje” težih jezgara • Kraj nukleosinteze • Primordijalni (prvi elementi) – H, He, D, 7 Li • Sve ostalo kasnije napravile zvezde • Svemir počeo bez ugljenika i metala • Posmatranja elemenata u starim zvezdama to potvrđuju 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanović Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs Petnica 2007. 24

Stubovi kosmologije • Posmatrački dokazi na kojima počiva cela teorija vrelog velikog praska 1. Važne vesti: svemir se širi! širi Hablov zakon 2. Svemirska kuhinja: prvi elementi H, He, D, Li 3. Eho velikog praska: kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanović Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs Petnica 2007. 25

Narednih 380. 000 godina. . . • Atomi još ne mogu da se formiraju – čim se elektron veže za jezgro, zračenje ih rastavi (jonizacija) • Zračenje se odmah utroši na sudar sa elektronima ili na jonizaciju • Narednih ~380. 000 godina – svemir se širi i hladi – materija i zračenje – status quo – svemir nevidljiv 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 26

380. 000 godina nakon VP. . . Temperatura = 3000 K • Zračenje i sudari nemaju više dovoljnu energiju da jonizuju • Elektroni se spajaju sa jezgrima – ATOMI! • Preostalo zračenje nesmetano prolazi pored atoma. . . i prolazi i danas ispunjavajući svemir • Eho velikog praska! • Kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 27

Kosmičko pozadinsko zračenje • Zračenje vrelog gasa ranog svemira • Kada je emitovano zračenje je bilo vidljivo (380. 00 godina nakon velikog praska) • Usled istezanja (širenja) svemira, i samo zračenje se isteže • Sad ga vidimo kao mikrotalasno zračenje na temperaturi od 2, 73 K (kad je emitovano bilo je ~3000 K) • Otkriveno slučajno 1965. – Arno Penzias i Robert Wilson – Nobelova nagrada 1978. • Konačan dokaz teorije vrelog velikog praska 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanović Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs Petnica 2007. 28

Kosmološke varijacije – na malim skalama • Svemir isto izgleda u svim pravcima na velikim skalama • Na malim skalama varijacije u temperaturi na 100. 000 -tom delu stepena! • Nobelova nagrada 2006. 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanović Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs Petnica 2007. 29

26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 30

Inflacija rešava probleme Poreklo fluktuacija pozadinskog zračenja • Rani svemir: more čestica i energije • Gustina je konstantno varirala na mikroskopskom nivou • Inflacija: uvećava mikroskopske fluktuacije na veličinu galaksija Male nepravilnosti postaju začetak velikih struktura (galaksija i jata) 10 -25 cm Pre inflacije 26. 03. 2014. @ Radio Cafe 1025 cm = 3 Mpc = 107 sv. god. Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs Posle inflacije 31

Potvrda inflacije! • BICEP 2 eksperiment, Antarktik -17. 03. 2014! • Meri mikrotalasno pozadinsko zračenje • Detektovani primordijalni gravitacioni talasi uzrokovani inflacijom! • Pogled u najraniji trenutak Svemira! 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 32

Sudbina Svemira • Večita borba: gravitacija vs. inercija? • Brzina lansiranja vs. prva kosmička brzina? • Svemir – Gravitacija: gustina svega u Svemiru – Inercija: širenje – kritična gustina • Sudbina – Ako 26. 03. 2014. @ Radio Cafe večito širenje zaustavljanje i kolaps Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 33

Geometrija proriče sudbinu! • Geometrija - gravitacija vs. širenje – Materija zakrivljuje prostor – Širenje – Hablova konstanta • Tri moguće geometrije: – Zatvoren – gravitacija materije je dovoljno jaka da se prostor zakrivi sam na sebe Veliko sažimanje – Ravan – gravitacija i širenje su izjednačeni, širenje se zaustavlja u beskonačnosti – Otvoren – Svemir će se zauvek širiti Veliko hlađenje 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 3423. 10. 2007.

Pozadinsko zračenje i geometrija Svemira 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 3523. 10. 2007.

A ostalo je istorija. . . • 9 milijardi godina kasnije – Sunce i Zemlja • 13, 7 milijardi godina kasnije – Homo sapiens 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 36

Hvala! Pitanja? 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 37

Merenja primordialnog D • U oblacima siromašnim metalima na velikom crvenom pomaku – apsorpcioni sistemi kvazara – kvazar u pozadini “obasjava” oblak gasa gde ima D – pošto se D posle Velikog praska samo uništava i ništa ga više ne stvara ova merenja su donja granica primordialnog D 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanović Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs Petnica 2007. 3823. 10. 2007. 38

Merenja primordialnog 7 Li • U halo zvezdama sa malo metala u našoj galaksiji – zvezde u halou Mlečnog puta – tzv. Pop II zvezde – stare zvezde, malo metala – plato (tzv. “Spite plato”) u odnosu na metaličnost (vreme) – znači postoji neka “startna” količina 7 Li količina Li Spite plato 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanović količina metala danas Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs Petnica 2007. količina metala 3923. 10. 2007. 39

Materija i antimaterija • U ranom svemiru, fotoni su imali toliku veliku energiju da su mogli da se pretvaraju u parove čestica-antičestica • Nastale čestice/antičestice bi se brzo poništile i vratile natrag u energiju (zračenje) • Na početku je bilo skoro ista količina materije i antimaterije 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 40

Formiranje galaksija • Nakom ~800 miliona godina formirale su se galaksije • Zgušnjenja gasa mase nekoliko miliona mase Sunca kolapsirala su i načinila supermasivne crne rupe • Začetak galaksija • Mnoge mlade galaksije bile su aktivne galaksije 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanović Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs Petnica 2007. 4123. 10. 2007. 41

14 sekundi nakon VP… Temperatura =3 milijarde K • Svemir se dovoljno ohladio da fotoni više ne mogu da prave parove elektronpozitron • Elektron-pozitron anihilacija • 1. 000. 001 čestica na svakih 1. 000 antičestica • Na kraju ostaju u glavnom čestice a sve što se poništi odlazi kao zračenje 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 42

Svemir je od materije • Kako možemo biti sigurni? • Vi, ja, Zemlja smo od materije a ne od antimaterije • Mesec je od materije a ne od antimaterije • Lokalni “komšiluk” u Mlečnom putu je materija, gas između zvezda • Svemir je od materije 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 43

• Atom Sastav materije. . . – elektroni – jezgro • neutroni i protoni – kvarkovi • Hemijski element – broj protona – na pr. 1 proton = vodonik 1 H – 3 protona = litijum 7 Li • Izotop – broj neutrona – na pr. 1 proton i 1 neutron = izotop vodonika = deuterijum – 3 protona i 3 neutrona = izotop litijuma = 6 Li 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 44

Elementarne čestice • Tri vrste elementarnih (nedeljivih) čestica u prirodi • Kvarkovi - materija – grade protone i neutrone • Leptoni - materija – Elektroni i neutrini 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 45

Materija i antimaterija • Svaka čestica ima antičesticu – Antielektron=pozitron, antikvark, antineutrini • Antimaterija je stabilna kao obična materija! – Mogu postojati antiprotoni, antiatomi, antikamenje, antiljudi, antizvezde, antigalaksije • Ali kad se materija i antimaterija ukrste. . – Anihilacija – materija se pretvori u energiju – E=mc 2 – Oslobođena energija kao iz male atomske bombe! 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 46

Fantastična četvorka • Gravitacija – dominira na velikim daljinama (drži planete u orbiti oko sunca) • Elektromagnetizam - drži atome i molekule na okupu • Slaba nuklearna sila – upravlja nuklearnim reakcijama (pretvara jedan kvark u drugi) • Jaka nuklearna sila – drži atomsko jezgro na okupu 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs 47

Prve zvezde • Mislimo da su prve zvezde nastale ~400 miliona godina nakon velikog praska • Tad još nije bilo galaksija • Tzv. hijerarhijsko formiranje struktura – prvo se formiraju mali objekti pa onda veliki • Nastale su u protogalaktičkim oblacima • Donele svemiru prvu isporuku težih elemenata 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanović Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs Petnica 2007. 4823. 10. 2007. 48

Začeci galaksija Kvantne fluktuacije u vreme GUT ere (pre 10 -35 s) Pre rekombinacije čestice su suviše brze da bi se zgusnule 26. 03. 2014. @ Radio Cafe Tijana Prodanović Inflacija rasteže fluktuacije na veličinu galaksija (pre 10 -32 s) Nakon rekombinacije gravitacija gušćih oblasti privlači mežusobno čestice Tijana Prodanovic, prodanvc@df. uns. ac. rs Petnica 2007. 4923. 10. 2007. 49