K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 1

DABAS VĒSTUREI daļa (5 lekcijas) Kosmiskā evolūcija

Kārlis Bērziņškberzins@latnet.lv

4. lekcija. Visuma struktūras veidošanās un attīstība.

Alternatīvās kosmoloģiskās teorijas.

2007.09.10.

DABAS VĒSTUREI daļa (5 lekcijas) Kosmiskā evolūcija

Kārlis Bērziņškberzins@latnet.lv

1. Ievads kosmoloģijā.2. Visuma evolūcijas pamati.3. Reliktais mikroviļņu fona starojums.4. Visuma struktūras veidošanās un attīstība.

Alternatīvās kosmoloģiskās teorijas.5. Zvaigžņu fizikas pamati.

Saules sistēmas kosmogonija.

2007.09.10.

Kursa I daļas temati:

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 2

DABAS VĒSTURE4. lekcija

• Gravitācijas nestabilitāte. Džīnsa teorija. • Kosmoloģisko datu statistiskā apstrāde. • Kosmoloģiskās simulācijas. • Ciklisks (pulsējošs) visuma modelis. • Dīraka teorija. Modificētā Ņūtona dinamika.

Nekosmoloģiska sarkanā nobīde. • Stīgas un brānas. Multi-visums.

2007.09.10.

Lekcijas temati:

Visuma struktūras veidošanās un attīstība.

Alternatīvās kosmoloģiskās teorijas.

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 3

Struktūras veidošanās

• Pēc rekombinācijas viela Visumā ir ļoti homogēna:

Gravitācijas nestabilitātes rezultātā veidojas Visuma struktūra.

• Galaktikām: ~105

• Galaktiku kopām: ~ 102 - 103.

ρ

δρ

ρ

δρ

δρρ

δ

∝

−TT

~ 10 5

∇ =2 4φ π ρG

Pirmās zvaigznes Visumā jau 200-400 miljonus gadus pēc Lielā Sprādziena

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 4

Pirmās zvaigznes

Galaktikas VisumāHDF

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 5

Galaktikas VisumāHDF

Gravitācijas nestabilitāteGravitācijā nav statiska stāvokļa, tā rada dinamiku.

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 6

Džīnsa teorijaGravitatīvi saistīts gāzes

mākonis kolapsē: 2rG

drdP rρM−=

Apskatam sfērisku gāzes apgabalu ar rādiusu R, masu M un skaņas ātrumu gāzē cs. Tad skaņas vilnis šķērso šo apgabalu laikā:

ts=R/cs ≈ (5×105 yr) (R/0.1 pc) (cs / 0.2 km s-1)-1

Brīvās krišanas (free-fall) laika skala ir:

Tff= (Gρ)-1/2 ≈ (2×106 yr) (n / 103 cm-3) -1/2

kur ρ ir blīvums, n= ρ/µ, µ – vidējā daļiņas masa (µ=3.9×10-24 g - 20% He )

Gravitācijas kolapse notiek, ja tff =<>=<

−=

>=<

δσδ

δ

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 7

Jaudas spektrs

ρρρ

δ−

=)(

)(x

x ( ) ( )∑∑ ⋅−=⋅=k

kk

k xkxk iix expexp)(*δδδ

nAkkP =)(

.2 ,2 ,2L

nkL

nkL

nk zzyyxxπππ ===

∫∑∑∞

→==0

2222 )(211 dkkkP

V ku πδδδ

kkk

Kosmoloģiskās simulācijasPeriodiski robežnosacījumi.Diskrētas “daļiņas” reprezentē lauku.

• Dažādas dinamikas tuvinājumu metodes, piem. Zeļedoviča tuvinājums

• Tiešā integrēšana:

ε – mīkstināšanas (softening) faktors.

• PM – partricle-meshP3M – particle-particle, particle-mesh

• Lokāli jāņem vērā arī hidrodinamika,piem. SPH – Smoothed Particle Hydrodynamics.

2/32 )()(

ij

ijjiij xx

xxmGmF

−+−

=ε

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 8

Periodiski robežnosacījumi

1. Izvēlamies kosmoloģisko modeli2. Izvēlamies gandrīz homogēnus sākuma nosacījumus atbilstoši novērotajai Visuma masas sadalījuma funkcijai (jaudas spektram).3. Ļaujam sistēmai brīvi evolucionēt, veidojot Visuma liela-mēroga struktūru.4. Salīdzinam rezultātus ar novērojumiem.

n = 1 CDM HDM

Kosmoloģiskās simulācijas

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 9

Laiks

Barioniskās matērijas kolapsezvaigznēs un galaktikās

z=20

Springel & Hernquist 2003

z=0

100

Mpc

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 10

Visuma liela mēroga struktūra

Galaktiku veidotie skaņas viļņi kosmosā

SDSS (Sloan Digital Sky Survey) un2dFGRS (Two Degree Field Galaxy Redshift Survey)

Atklāti 2005

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 11

Galaktiku veidotie skaņas viļņi kosmosā

Atklāti 1995

Signatūra ir par mazu, lai tos varētu vizuāli saskatīt galaktiku kartē.

Nekosmoloģiska sarkanā nobīdeSarkano nobīdi rada arī

gravitācijas potenciāls:

rcGMzg 2≈

Fotons raujoties laukā no gravitatīvālauka zaudē enerģiju – kļūst sarkanāks.

−

=+

rcGM

zg2

21

11

Ar to nevar izskaidrot novēroto tālo objektu sarkanās nobīdes ainu!

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 12

Dīraka teorijaBezdimensionāli fundamentālo konstanšu parametri.

382 105.1 ×≈pGm

chKomptona viļņu garums un protona Švarcšilda rādiuss attiecība:

( )40

22

10 107.3

/×≈

−

cmecH

e

Visuma horizonta un elektrona rādiusa attiecība:

( ) ( )2408031

00 1010 =≈−

p

m

mcHρ

Barionu skaits novērojamajā Visumā:

( ) 4/140100

0 1010 =≈

m

prB mcTk

ρh

Fotonu un barionu skaitliskā blīvuma attiecība:Visuma plakanumu izsaka: ρ0mGH0–2 ≈ 1

402

1023.0 ×≈epmGm

ePiem. Kulona un gravitācijas spēka attiecība starp e- un p:

Dīraka teorijaVai tā ir tikai skaitliska sakritība jeb Visumā visu laiku:

1320

4

2

1 ≈cmGm

HeRR

ep

Fizikālajām lielumiem e, G, me c - vajadzētu mainīties laikā!

aatHtG&

=∝ )()(Piem :

gadi 103.331 191

00−− ×≈= hHt

Tad visuma vecumam vajadzētu būt:

Tad:2

23 )()()(

=∝

aatHtatG&

Atbrīvojoties no G: 3−∝aaa&

3−∝ amρun

3/1

00

=

ttaa

1

00

−

=

ttGG

- par mazu!

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 13

Modificētā Ņutona dinamikaMOND – Modiefied Newtonian Dynamics

Tumšā matērijas novērojumiBullet Cluster novērojumi izslēdz (?)- MOG (!)- MOND- TeVeS Brownstein & Moffat 2007

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 14

MOND

MOND

Ņūtona II likums

spēk

s

paātrinājums10-10 3×10-10 5×10-10

Kosmiskās stīgas un brānasKosmiskās stīgas ir hipotētiski 1D kosmiskās

telpas defekti. To biezums ~ Dp

Tās vajadzētu varēt redzēt Planck CMB novērojumos, ja tās pa tiešām eksistē.

Visumā ir novēroti daži stīgu notikumu kandidāti. Piem

Q0957+561A,B

Steinhardt

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 4 15

Multi-visums jeb MuliverssI. Visuma atsevišķas daļasTuvākais ir ~10^(1029) m

II. Paralēlās pasaules

Multi-visums jeb MuliverssI. Visuma atsevišķas daļas