No kosmologi: alla powerpoints docx

1A s. 1

2A s. 7

3 s. 11
Universum

Kosmologi:1A
Avståndet till solen

Edmond Halley 1700-talet sa att man skulle kunna räkna ut avståndet till solen.

Mäta skulle kunna tiden för planeten Venus att passera framför solen.

Det skulle ske vid två tillfällen 1761 och 1769

Halley hann dö innan mätningen var klar

Förvånansvärt bra resultat 150 miljoner km. Idag räknar man med avståndet 149 miljoner km

Vår sol är en stjärna av miljarder andra stjärnor i universum.

De energirika strålarna från solen gör det möjligt för oss att leva på jorden.

Utan energi från solen skulle jorden vara en kall plats. Fotosyntesen skulle inte fungera. Och chanserna för livsprocesser små.

Solen består av heta gaser, främst bestående av helium och väte.

Den enorma hettan. 10-20 miljoner grader i solens mitt, gör att atomerna består av atomkärnor.

Hettan och trycket från gravitationen gör att atomkärnorna slås ihop. Vätekärnor slås ihop till heliumkärnor. Detta kallas fusion.

Varje sekund omvandlas 4 miljoner ton materia till energi.

En liten del av denna energi når jorden i form av strålning.
Fusion

Väteisotoperna Deuterium och Tritium slås samman och bildar en instabil kärna.

Både alfapartikeln och neutronen får enorm rörelseenergi

Det mesta av energin hamnar hos neutronen. 4 femtedelar av energin.

14 Mega elektronvolt

Stjärnornas färg

Färgen på en stjärna avslöjar temperaturen vid ytan.

En vit stjärna har en temperatur på ca 10 000 grader vid ytan
(mycket hetare närmare kärnan)

En gul stjärna som vår sol har en temperatur på ca 6000 grader.

En röd stjärna som t.ex. Betelgeuze i orions stjärnbild. Har en temperatur på ca 3000 grader vid ytan.

Jättestjärnor med en diameter tusen gånger större än vår sol har ofta en lägre temperatur på ytan. De är röda.

Mindre stjärnor än vår sol, sk. dvärgstjärnor har ofta en hög temperatur. De är vita och kallas därför för vita dvärgar.
Avstånd

Med den snabbast rymdsonden till Mars. Ca 40 dygn

Närmsta stjärnan, Proxima centauri. 76 000 år med denna rymdsond.

Ljusår. Den sträcka ljuset färdas under ett år.

4,3 ljusår till Proxima centauri (syns endast från södra halvklotet)

Sirius är den ljusstarkaste stjärnan som kan ses från norra halvklotet. Det är 9 ljusår till Sirius.

780 ljusår till polstjärnan

När vi tittar på polstjärnan har den bild vi ser varit på väg i 780 år.
Triangelmetoden:

•Ett visst datum mäter man vinkeln till den stjärna man vill mäta avståndet till.

•Ett halvår senare mäts vinkeln igen. Nu har man basen på en likbent triangel.

•Då kan man räkna ut avståndet.

Det finns effektivare metoder.
Stjärnor håller ihop:

Dubbelstjärnor

Trippelstjärnor

Plejaderna t.ex. består av sju stjärnor.

Stjärnhopar

Galaxer

En diameter på 100 000 ljusår

Galaxen roterar. Ett varv tar 240 miljoner år: Ett galaktiskt år.

Andra galaxer

Vintergatan är en av miljarder galaxer i universum.

Våra närmsta granngalaxer är Stora och lilla Magellanska molnet ca 200 000 ljusår bort.

Andromedagalaxen ca 2,2 miljoner ljusår bort.

Spiralformade som t.ex. vintergatan

Klotformade

Eliptiskt formade

Lär dig hitta på stjärnhimlen

Börja med att hitta karlavagnen.

Dra en linje från Karlavagnens främre hjulpar
till polstjärnan

Om du fortsätter efter den tänkta linjen

Enligt astrologerna påverkar solen, planeterna och stjärnorna människors egenskaper.

Astrologi bygger på förställningar och teorier som är flera tusen år gamla.

Detta har inte med vetenskap att göra och absolut inte med astronomi.

-

Universum:1B

Jorden är platt.

Den flyter på ett stort hav som en ö. Denna världsbild ifrågasätts av sjömän. Det första man ser av ett skepp som närmar sig är masten.
Jorden är rund

Två argument:

Masterna syns först

Stjärnhimlen ser olika ut på olika platser på jorden.

Jorden befinner sig i mitten.

Planeterna och solen rör sig över himlen.

Stjärnorna befinner sig i en slags sfär som rör sig över himlen. Som en glaskupa.

Planeterna befinner sig i olika glas sfärer.

Månen närmast sen Merkurius och Venus

Varför har mars så konstig bana? Ser ut att röra sig baklänges. Ptolemaios menade att Mars rörde sig i så kallade epicykler.

Fler invändningar:

Morgonen kommer tidigare ju längre österut man färdas.

Månförmörkelser kunde ses av människor på olika platser men vid olika tidpunkter. Snurrar jorden?
Kopernikus och den heliocentriska världsbilden

Polsk munk på 1500-talet

Menade att planeternas bana enklare skulle kunna förklaras om solen var i mitten.

I så fall skulle även jorden vara en planet.

Solen befinner sig i mitten och planeterna rör sig runt solen. Bortom planeterna finns de avlägsna stjärnorna.

Invändningar:

Om jorden rörde sig så som Kopernikus menade borde vi inte känna en fartvind?

Varför ramlar man inte av när man kommer till undersidan?

En sten som släpps från en hög höjd borde hamna en bit bakom utsläppsplatsen.
Kyrkan.

Kyrkan hade under medeltiden en väldigt stor makt. Kyrkan var allvetande. Kyrkan hade anammat Ptolemaios världsbild. Om kyrkan kunde ifrågasättas skulle även andra ”sanningar” kunna ifrågasättas. Kyrkan kunde inte acceptera sådana tankar.

Studerade stjärnhimlen med sin enkla kikare.

Han kunde se att Jupiter hade månar och att vår måne hade berg och dalar.

Galileo insåg att detta enklare kunde förklaras med hjälp av Kopernikus teorier.

Tvingades av katolska kyrkan att förneka sin övertygelse och sattes i husarrest.
Kepler

Tysk astronom och matematiker.

Solen befinner sig i mitten och planeterna rör sig i elliptiska banor.
Isaac Newton

Engelsk naturvetare och matematiker på slutet av 1600-talet

Gravitationen är det som håller oss kvar på jorden.

Ett föremål som man tappar greppet om faller till marken

Jordens gravitation håller kvar månen i dess bana

Månens gravitation orsakar tidvatten på jorden

Planeterna hålls kvar i sina banor av solens gravitation
Paradigmskifte

I slutet av 1700-talet är de flesta vetenskapsmän övertygade om den heliocentriska världsbilden.

Solen är en stjärna

Teleskopen har blivit bättre.

Ett tätt band av stjärnor över himlen kallas för vintergatan.

Avlägsna oförklarliga objekt. T.ex. Andromeda

Tysk vetenskapsman beskriver i början av 1900-talet gravitationen på ett annat sätt.

Rummet har fyra dimensioner varav ett är tiden.

En stor massa kommer då att kröka rummet.

Krökta rummet
Edvin Hubble

Amerikansk astronom på 1920-talet.

Avlägsna galaxer innehåller stjärnor.

Vårt solsystem befinner sig i galaxen vintergatan.

Galax är en stjärnhop.

Den närmsta galaxen, Andromeda befinner sig på miljoner ljusårs

Solen ligger drygt 8 ljusminuter (499 ljussekunder) från jorden. Detta avstånd kallas också en astronomisk enhet.

Avståndet till den näst närmaste stjärnan, Proxima Centauri, är 4,22 ljusår.

Avståndet till centrum på vintergatan är 26 000 ljusår.

Vintergatan har en diameter på cirka 100 000 ljusår.

Avståndet till den närmaste galaxen, Andromedagalaxen, är cirka 2,5 miljoner ljusår.

Storleken på det observerbara universumet är 46 miljarder ljusår.
Rödförskjutning

Dopplereffekt

Olika grundämnen har specifika spektrallinjer. Väte till vänster
Hubble upptäckte rödförskjutningen

När Hubble studerade avlägsna stjärnors spektrallinjer upptäckte han att de oftast var rödförskjutna.

Han såg att galaxerna var på väg ifrån oss.

Universum tycks expandera.

En nebulosa består av rymdstoff. Ett moln av gas. Små partiklar i universum. Väte och helium.

De kan härstamma från en supernova.

Alla dess partiklar får en gemensam gravitation.

Gravitationen drar partiklarna in mot ett centrum.

När partiklarna kommer närmare varandra stiger temperaturen.

Vid en viss temperatur ca en miljon grader, startar fusionen. Stjärnan tänds
Fusion.

Atomer slås ihop och bildar energi.

Väte omvandlas till helium. Lätta atomkärnor slås ihop till tyngre atomkärnor samtidigt som enorma mängder energi kastas ut. Gammapartiklar.

Materia omvandlas till energi: E = mc2

Väte bildar helium.
Kosmisk bakgrundsstrålning

Två radioastronomer undersöker vintergatan.

De får en konstig störning vid en viss våglängd. Störningen är den samma i alla riktningar. De tror att det är fel på utrustningen.
Förhöjd temperatur

Var man än riktar ett radioteleskop så kommer ett visst brus att uppstå vid en viss våglängd (ca 7cm).

En skillnad på 3 K
Teorin om Big bang

Tre observationer

Rödförskjutning. Universum expanderar.

Kosmisk bakgrundsstrålning. Rester från en enorm explosion.

Mängden lätta grundämnen i förhållande till tunga grundämnen.
Räkna baklänges

Om universum expanderar.

Kan vi då räkna baklänges?

Big Bang

13,75 miljarder år

Universum är statiskt. Det kommer att expandera till en viss punkt men sen avstannar expansionen.

Universum kommer att expandera till en viss punkt sen kommer det att dras i hop av gravitationen.

Universum kommer att expandera allt fortare

Steady state

Big crunch (gnab gib)

Big Rip

Universum

Föreläsning 2A:
Big bang, den stora smällen
I dag ansluter sig i stort sett alla forskare till teorin om Big bang.

Det finns bevis som talar för Big bang. Att universum expanderar kan bevisas med hjälp av

rödförskjutning. Bakgrundsstrålningen, det kosmiska brus som kan höras

överallt i universum på en viss våglängd. Mängden lätta grundämnen stämmer med beräkningar av universums ålder.

Precis efter den stora smällen var det så varmt att endast protonerna och neutronernas byggstenar kunde existera. Det fanns bara kvarkar och leptoner (elektroner).

En miljondels sekund senare har universum svalnat till 10 miljoner grader vilket gjorde att kvarkarna kunde bilda protoner och neutroner. En proton är ju en vätekärna, så väte hade bildats.

3 minuter senare har temperaturen sjunkit till 1 miljongrader vilket gjorde det möjligt för heliumkärnor att bildas.

Efter en kvart har alla universums heliumkärnor bildats. Det har även bildats små kärnor av lithium och beryllium. Även borkärnor har bildats. Det finns även fria elektroner.

Först 700 000 år senare har universum svalnat så pass mycket att atomkärnorna kunde suga åt sig de fria elektronerna.

Men universum är mörkt. Det finns inga stjärnor,

inget ljus. Först 400 miljoner år senare tänds den första

stjärnan.
Inflationsteorin
Universum uppstod ur en energisoppa, universum var supertätt och superhett (Det är inte helt korrekt att påstå att universum uppstod ur en enda lite punkt, eftersom universum var hoppackat i ett mycket litet område så uppstod den stora smällen överallt och samtidigt - Universum uppstod i alla punkter samtidigt). Samtidigt expanderar universum oändligt snabbt från det extremt lilla hoppackade universum till nästan dess nuvarande storlek på bråkdelen av en

sekund.
Vad fanns innan Big bang?

Många forskar väljer att besvara denna fråga med en motfråga: var fanns du innan du föddes?

De menar att frågan är omöjlig att besvara eftersom vi inte kan veta.

Andra menar att det har med vakuum att göra.
Innan Big bang

Den antika beskrivningen av vakuum är att det är ett område där det inte finns några partiklar. Det är tomt. En mer modern beskrivning av vakuum är att det är tomt om man betraktar vakuum under en längre tid. Däremellan kan det ske saker. Man talar om energifluktuationer. Små små förändringar av energibalansen. Energi kan tillfälligt uppstå men lika snabbt försvinna. Einsteins formel E= mc2 säger att energi kan omvandlas till materia men även att materia kan uppstå ur energi.

Så skulle dessa energifluktuationer kunna skapa materia?

Uppstod Big bang i en energisoppa?

Om sådana energifluktuationer kunde skapa Big

bang är det då möjligt att flera Big bang kan ske?

Det finns även teorier om parallella/multipla universa.

Det ska understrykas att detta handlar om teorier.Och så länge de inte kan bevisas så är det teorier!

I Big bang skapades kvarkar som sen byggde upp atomkärnor, väte kärnor. Lätta atomkärnor bildades. Var kommer de tyngre atomkärnorna ifrån? De skapas i supernovor.

I en stjärna finns framförallt två krafter. Den inåtriktade gravitationen av den samlade

materiens sammanlagda gravitation Det finns även en utåtriktad kraft. Energin som

skapas i fusionen när lätta vätekärnor slås samman till heliumkärnor.

Den utåtiktade kraften, solvinden, kastar ut partiklar och elektromagnetisk strålning.

Så länge det finns bränsle, vätekärnor. Finns en balans mellan in- och utåt riktade krafter. Vår sol som är relativt liten kommer att svälla upp till

en röd jätte när bränslet tar slut. Den sväller upp så pass mycket att den omsluter de inre planeterna. Allt liv på jorden förintas. Detta beräknas ske om 4,5 miljarder år.
Balansen upphör

När balansen mellan ut och inåtriktade krafter upphör tar gravitationen överhand och krymper solen till en liten vit dvärg. Detta sker i mindre stjärnor. Vad händer i större stjärnor, sådana som har 2-3 gånger så stor massa som vår sol?

I mycket stora stjärnor kan balansen få ett abrupt

slut. När bränslet tar slut förmår inte gravitationen att hålla

ihop stjärnan, stjärnan kollapsar helt. De utåt riktade krafterna tar över och kastar ut

materian i ett ofantligt ljussken. Kvar blir en neutronstjärna, väldigt liten men enormt

tätt packad materia.
Tunga grundämnen

I en supernovaexplosion bildas stora mängder

neutroner. Neutronerna tränger sig lätt in i större

atomkärnor t.ex. järn. Dessa atomer med överskott av neutroner blir

instabila och sönderfaller till t.ex. kobolt. De tunga grundämnena som finns i din kropp härstammar alla från supernovor. Alla består vi av stjärnstoft…
De tyngsta grundämnena

De tyngsta grundämnena, guld eller uran, är så svåra att framställa att det finns teorier om att de kan ha uppstått ur en ännu häftigare reaktion, t.ex. då två neutronstjärnor kolliderar.

-

Universum 2B:Stjärnor, solsystem, planeter, supernovor och svarta hål

I drygt 20 år har Hubblesatelliten gett forskarna möjlighet att undersöka universum.

Teleskopet börjar bli slitet och diskussioner om dess framtid pågår för fullt.
Stjärnors livscykel

Stjärnor föds i nebulosor.

En nebulosa består av gaser och partiklar.

Nebulosans gemensamma gravitation gör att trycket och temperaturen stiger.

Vi den viss temperatur tänds en stjärna

Detta sker i det ögonblick när kärnreaktionen startar.

Fusion då lättare atomkärnor slås samman och bildar tyngre ämnen.

Så länge det finns bränsle fortsätter processen.

När bränslet tar slut sväller stjärnan upp och bildar en röd jätte.

Man beräknar att solen har en livstid på ca 9 miljarder år och att den nu är ca 4,5 miljarder år.

Därefter börjar solen att svalna och blir så småningom en brun dvärg.
Solsystem eller stjärnsystem

I samma process som när en stjärna bildas sker också bildandet av planetsystem.

Den utåtriktade strålningskraften, solvinden pressar överblivet material utåt.

De tyngre partiklarna bildar stenlika planeter och de lättare partiklarna bildar gasplaneterna.

Man menar att det är helt logiskt att ett planetsystem bildas runt varje stjärna.

Detta har startat forskningen av sk. exoplaneter

Sökandet pågår för fullt och man har hittills hittat 1013 planeter.

Passage framför en stjärna

Rubbningar i stjärnans bana

Små förändringar i rödförskjutningen

Gravitationslinser
Intressanta upptäckter

Mest intresse väcker en mindre exoplanet som snurrar runt stjärnan HD 85512, som liknar vår sol fast är mindre.

Planeten HD 85512b har en massa som är 3,6 gånger större än jordens och antas vara stenig.

Den ligger inom den beboeliga zonen.

Det smala område runt en stjärna där det inte för varmt eller kallt för att flytande vatten skulle kunna existera.
Beboeliga zonen

Avståndet från stjärnan får inte vara för kort eller för långt.

Stenrik planet

Atmosfär

Växthuseffekt

Järn, kol, syre och kväve
Man hittar nya hela tiden

En site anger att man hittat 726 exoplaneter

The survey results show that our galaxy contains, on average, a minimum of one planet for every star.

This means that it’s likely there are a minimum of 1,500 planets within just 50 light-years of Earth.

Källa Hubblesite.org
Supernovor

Gäller framförallt större solar än vår. Minst 5 ggr större

Fusionen skapar allt tyngre ämnen.

De tyngre ämnen tvingas av gravitationen mot stjärnans mitt.

När kärnan i princip består av järn förmår gravitationen inte hålla kvar det yttre lagret av lättare atomer.

Stjärnan kollapsar och otroliga mängder energi kastas ut

Under en kort tid kan en supernova lysa hundra miljarder gånger starkare än vår sol.

Den extrema hetta som bildas gör det möjligt för tyngre grundämnen att bildas.

Alla grundämnen som är tyngre än järn, atomnummer 26, bör alltså ha bildats i en supernova.

Sannolikheten för en supernova i vintergatan är 2-3 per tusen år.

En supernova inom 200 ljusårs avstånd skulle kunna förgöra vårt solsystem.

Storleken avgör vad som händer sen

Upp till 1,4 solmassor → vit dvärg

1,4-3 solmassor → neutronstjärna

Större än 3 solmassor → svart hål

100 solmassor → massivt svart hål

Supermassivt hål ca 1% av galaxens massa

Suger in andra svarta hål och växer

Ett svart hål har så stor gravitation att inte ens ljus kan tränga ut.

Kan upptäckas på tre sätt.

Gamma eller röntgenstrålning som uppstår när ämnen sugs in i hålet

Blockering av bakgrunden

Andra himlakroppars rörelse

Om man skulle närma sig händelsehorisonten av ett svart hål.

Gravitationen skulle sträcka ut föremålet så att det blev ändligt långt.

Till slut skulle föremålet förenas med singulariteten.

Det område inuti ett svart hål där rummet är oändligt krökt dvs. gravitationen är oändlig. Och fysikens lagar slutar gälla.

-

Universum:3

Saul Perlmutter

Brian P. Schmidt

Adam G. Riess

De upptäckte att universums expansion accelererar
Standard candles

För att undersöka universums expansion använde de sig av supernovor klass 1a.

De borde lysa lika starkt. Men avståndet skulle göra att de mer avlägsna skulle verka ljussvagare. Genom att jämföra bilder av avlägsna supernovor tagna med en viss tidsförskjutning kunde de beräkna hastigheten på expansionen.

Slutsatsen de kom fram till var att universum verkar expandera snabbare och snabbare.

Expansionen accelererar.

Detta var en ny och revolutionerande observation.

Beräkningar visar att vi bara kan observera en bråkdel av universum.

Det måste finnas ytterligare en kraft som håller ihop universum, mörk materia.

Det måste finnas någon kraft som gör att universum expanderar i allt högre hastighet, mörk energi.

Om universum expanderar i allt högre hastighet finns två möjligheter

Big chill: avståndet mellan galaxerna ökar tills vi inte kan se mer än vår egen galax.

Universum blir öde och kallt

Big Rip: den accelererande expansionen sliter itu universum

8
Gravitonen

Hur kan månen veta att den påverkas av jordens gravitation?

Information överförs oftast av en partikel

Elektricitet – elektroner

Ljus – fotoner

Men vad överför gravitationen

Gravitonen???

Vid fusionsprocessen när två väte atomer slås ihop och bildar helium bildas även en mycket lite partikel, neutrinon. Nästan utan massa.

Den är så liten att den passerar rakt igenom jorden, mellan atomerna.

Försök pågår att detektera neutrinon i stora underjordiska bassänger och i isen vid Antarktis.

Higgspartikeln

Genom matematiska beräkningar har Peter Higgs förutsagt existensen av en partikel som skulle kunna förklara varför partiklar har massa.

Kan Higgs partikeln förklara hur gravitation uppstår.
LHC

I Cern har man byggt en partikelaccelerator.

I 27 km underjordiska tunnlar accelererar man protoner till 99% av ljushastigheten och låter dem sedan krocka.

Med hjälp av detektorer analyserar man beståndsdelar.

Higgs har på senare tid blivit det viktigaste målet för fysikerna, eftersom den är den felande biten i vår fysikaliska världsbild.

Det är nämligen Higgs som ser till att partiklar har massa.

Utan Higgs skulle alla partiklar vara masslösa och liksom fotoner fara iväg med ljusets hastighet – och då skulle det ju inte kunna bildas atomer, stjärnor och planeter.

Sällan är ett vetenskapligt Nobelpris så omtalat redan i förväg som 2013 års fysikpris till François Englert och Peter Higgs. Uppmärksamheten berodde på att den s.k. Higgspartikeln upptäcktes vid CERN sommaren 2012. Vid ett av teamen som gjorde upptäckten, ATLAS-samarbetet, arbetar Jonas Strandberg, partikelfysiker vid KTH. Han berättar om upptäckten av Higgspartikeln, om om vad den betyder för vår kunskap om världens uppbyggnad.

Om den mörka energin är den enklast tänkbara och konstant med tiden så kommer dagens utveckling med ett accelererande universum att fortsätta i all framtid.

Med tiden kommer allt fler galaxer att försvinna ur vårt synfält då ljuset från dessa galaxer inte längre hinner nå fram till oss på grund av universums snabba expansion.

Vi kommer så att leva i en allt glesare och kallare rymd. Detta blir the Big Chill

En annan tänkbar möjlighet är att expansionen drivs av det man kallar fantomenergi.

Den har egenskapen att öka i takt med att universum utvidgas. Då skulle utvecklingen i början likna det förra fallet. Vi skulle leva i ett allt glesare universum men utvecklingen skulle gå fortare.

Det vidare skeendet skulle sedan bli betydligt våldsammare. Allt som hålls samman av gravitationskrafter skulle slitas isär.

Först galaxhoparna sedan stjärnorna i galaxerna, planetsystemen och vidare ned till atomens minsta beståndsdelar. Detta är vad som brukar kallas the Big Rip
Big Crunch

Av det man ser idag finns inga tecken som tyder på att expansionen skulle vända och gå åt andra hållet.

Men då ingen vet vad den mörka energin egentligen är kan man inte helt utesluta detta.

All materia skulle då åter dra sig samman tills den till slut befann sig i en enda punkt, en singularitet.

Då talar vi om the Big Crunch

Gnib gnab (Big bang baklänges) uttrycker samma sak.

Big Bang-kosmologin utgår från principen att universum ser likadant ut på mycket stora avståndsskalor för alla observatörer, vid alla tider.

Detta betyder att universums expansion är konstant och sker med samma takt hela tiden. Universum är därmed oändligt gammalt och kommer alltid att finnas.

Denna teori har helt övergivits.