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