Det kosmiska kretsloppet

Det kosmiska
kretsloppet

Först lite mer om partiklarna i Universum:
De fyra krafterna:
Gravitation – kraftförmedlare graviton (?)
Elektromagnetism – kraftförmedlare foton
Stark växelverkan – kraftförmedlare gluoner (8 stycken)
Svag växelverkan – kraftförmedlare W + , W - och Z 0

Datorsimulaering av
kollisioner.
ATLAS-detektorn under
uppbyggnaden vid den
europeiska
forskningsanläggningen
CERN i Gèneve.
I mars 2010 togs den i
bruk. Sverige och
Stockholms unversitet
är med!

Den 30 mars 2010.
Kollisioner i de tre
CERNexperimenten:
ATLAS, CMS och
ALICE!
ALICE

Partikeln som ger alla andra partiklar massa:
Higgs-partikeln.
Potentiell
energi
hos
Higgsfältet
”Spontant symmetribrott”: Mittpunkten har inte
lägsta energin

Partikeln som ger alla andra partiklar massa:
Higgs-partikeln.
Potentiell
energi
hos
Higgsfältet
”Spontant symmetribrott”: Mittpunkten har inte
lägsta energin

Partikeln som ger alla andra partiklar massa:
Higgs-partikeln.
Potentiell
energi
hos
Higgsfältet
”Spontant symmetribrott”: Mittpunkten har inte
lägsta energin

Sökandet efter Higgspartikeln har
högsta prioritet vid LHC på CERN.
Peter Higgs, Edinburgh

Materia och antimateria. Varför finns det mer
materia än antimateria i universum?
Andrei Sakharovs villkor
Antimateria kan bli materia om:
(a) protonsönderfall kan äga rum
(b) det finns en asymmetri mellan
materia och antimateria, s.k.,CPbrott
– då krävs minst tre familjer av
kvarkar och leptoner
(c) Det är inte exakt jämvikt
(expanderande universum)
(b) och (c) vet vi är sanna, men (a)
har hittills aldrig observerats.
Sakharov (1964)

Ultrarent
vatten
Super-Kamiokandeexperimentet i
Japan, söker efter protonsönderfall.
Hittills inget hittat
Ljusmätare
(PM-rör)

Ett universum med CP-brott:
Det fanns ett överskott i det tidiga universum, så att det fanns
en miljard en kvarkar på en miljard antikvarkar i det tidiga
universum.
En miljard kvarkar förintades (annihilerade) mot en miljard
antikvarkar. Kvar blev bara en kvark per miljard. Det räcker
för att förklara all synlig materia i universum!

Den starka växelverkan
Gluoner byts ut mellan kvarkar inuti protonen och
neutronen. Pi-mesoner (består av en kvark och en
antikvark) byts ut mellan protoner och neutroner

Charmonium: bundet
tillstånd av en charm- och
en anticharmkvark.
Bindningen ges av
gluonutbyte.
Samma typ av tillåtna
energinivåer som för
väteatomen!
Potentiell energi:
k
sQ Q
Vr k
cr
r
2 1 ( )
Skillnad: term som växer med
avståndet r, kvarkinstängning!

Svag växelverkan: ger till exempel sönderfall av en fri neutron till en
proton, en elektron och en anti-neutrino
Den stora chocken på 1950-talet (Lee och Yang): Svaga växelverkan
skiljer på vänster och höger! Detta kallas paritetsbrott. Anti-neutrinon
som kommer från neutronsönderfall spinner alltid åt höger (och alla
neutriner spinner åt vänster). Vi vet fortfarande inte varför det är så…
T.D. Lees anteckningsbok, 1956 (Lee och Yang fick Nobelpris 1957)

Feynman – diagrammen: Att
summera komplicerade
formler i enkelt bildspråk

Nukleosyntesen
Mätningarna ligger inom detta band (innebär
att genomsnittliga tätheten av ”vanlig
materia” är c:a 4 % av ”kritisk täthet”).
Under de första tre
minuterna efter Big Bang
uppstod de lätta
grundämnena: väte 76%,
helium 24% och mycket
små mängder deuterium och
litium.
Detta stämmer med
observationerna av
grundämneshalterna i
universum – nästan all
synlig materia är i gasform
(t ex Solen)!

Tyngre grundämnen (kol, kväve, syre, kalcium,
järn,..) sätts ihop i det inre av stjärnor – fusion
Men de utgör bara någon procent av massan…
Av gasen, berikad med tyngre
grundämnen, kan nya stjärnor
och planeter bildas – vi är alla
gjorda av stjärnstoft!
Vissa tunga stjärnor
exploderar som supernovor
(ju tyngre desto ”snabbare” –
en stjärna med 25 solmassor
efter ungefär 10 miljoner år)

”Manetnebulosan”,
rester av en
supernova för
500 år sedan

En ”Magnetar”, en
spinnande,
magnetiserad
neutronstjärna
finns mitt i detta
vackra moln, som
innehåller järn,
syre, kol, och
andra tunga
grundämnen.

ESO:s stora teleskop
(8,2 meter i
diameter) i Chile
upptäcker ett
planetsystem som
just håller på att
bildas. Avstånd: 500
ljusår.

Varför lyser gasmolnet så
starkt (och vackert…)?
Kanske en neutronstjärna
kretsar runt stjärnan i
centrum av molnet. När
de kommer nära varandra
hettas gasen upp.

”Helix-nebulosan”:
En stjärna av Solens
storlek där
kärnbränslet tagit
slut och som därför
kastar ut materia
från de yttre delarna
(planetär nebulosa).
Avstånd: 450 ljusår.

Detaljer från
utkanten av
helixnebulosan.
Färgsättning: syre =
blått, väte = grönt,
kväve = rött.

”Myr-nebulosan”, ytterligare en planetär
nebulosa – kommer vår sol att sluta på
detta sätt?
Varför är
nebulosan inte
sfärisk? Kan vara
en dubbelstjärna,
eller att stjärnan
har starkt
magnetfält…

Upptäckt av
Röntgenteleskopet
Chandra:
RX J185635-375 är för
liten (radie 4 – 8 km) för
att vara en neutronstjärna.
Kanske en kvarkstjärna?
Temperatur: 700 000 C

Var bildas guld? Ingen vet säkert, men kolliderande
neutronstjärnor är en möjlighet, enligt beräkningar med hjälp
av superdatorer.

Rester från
explosion 1843
Eta Carinae:
En blivande supernova?
Massa: 100 solmassor
(troligen dubbelstjärna).
Avstånd: 8000 ljusår.
Ger ifrån sig naturligt
laserljus!

Kollaps till svart hål

Supernovan 23 februari 1987: Den första
som kunde ses med blotta ögat sedan
Keplers och Brahes tid!
De ”mystiska” ringarna orsakas troligen av
att värmen från supernovan hettar upp
omgivande gas.

Finns liv på andra planeter? Åtminstone finns det planeter
kring andra solar (446 st hittade hittills, april 2010)
Keplersatelliten
Keckteleskopen,
Hawaii

April 2007: Upptäckt av planet i ”beboeliga zonen” kring en
stjärna – planeten kan hålla vatten! Storlek: Mer än 5 gånger
jordens massa. Avstånd: 20 ljusår.

Darwin och Terrestrial
Planet Finder,
konstellationer av
satelliter som ska leta
efter tecken på liv på
andra planeter.
Uppskjutning någon
gång efter 2020?

Gravitationslinser kanske kan avslöja
svarta hål?

Det svarta hålet i Vintergatans centrum

27 000 ljusår

Andrea
Ghez &
al,
UCLA
(Keck)
Sgr A*
Galaxens
centrum

Keplers tre lagar (följer av Newtons teori för
gravitationen):
1. Banan för en planet (eller komet) runt solen är
en ellips med solen i ena brännpunkten.
2. En rät linje som förenar solen med planeten
sveper ut lika areor under en given tid.
3. Kvadraten på omloppstiden för planeterna är
proportionell mot kuben av medelavståndet från
solen, T 2 a 3 /M, där M är solens massa

Stjärnrörelser nära Vintergatans centrum:
R. Genzel m fl, 2003

Andrea Ghez UCLA, m fl., 2004

Infrarödobservationer
av R. Genzel et
al., 1992 – 2005
VLT-teleskopet
(Chile) med
adaptiv optik
Keplers tredje lag: T 2 = 4 2 a 3 /(G NM) där a är halva
ellipsens längd. Avståndet till Galaxens centrum är
27 000 ljusår gör att a kan uppskattas. Det ger att
massan M är ungefär 3 miljoner solmassor!

Är det ett svart hål? Hur kan vi utesluta andra möjligheter?
Schwarzschild-radien 4 . 10 9 m
”Skuggan” är c:a 5 Schwarzschild-radier
Bör kunna ses med VLBI – radioteleskop i sub-mm området inom
några år
Falcke,
Melia &
Agol

HESS-experimentet har
sett TeV-strålning från
Vintergatans centrum!
Finns det något mer än ett
svart hål? Till exempel
mörk materia?

Stjärnorna
När natten kommer
står jag på trappan och lyssnar,
stjärnorna svärma i trädgården
och jag står ute i mörkret.
Hör, en stjärna föll med en klang!
Gå icke ut i gräset med bara fötter;
min trädgård är full av skärvor.
- Edith Södergran