Kosmologia

paluu

Kosmologia tutkii koko maailmankaikkeuden rakennetta ja kehitystä

Viime vuosikymmeninä kosmologia on kehittynyt uusien havaintotulosten vuoksi merkittävästi

Kosmologiassa hiukkasfysiikka ja tähtitiede ovat yhdessä kehittäneet havaintojen kanssa yhtäpitävän teorian maailmankaikkeuden synnylle ja kehitykselle

Kosmologiaa käsitellään tämän kurssin lisäksi Mikro- ja Makrofysiikan kursseilla.

Staattisen maailmankaikkeuden ongelmat

Newton huomasi gravitaatioteorian kehittämisen yhteydessä, että liikkumaton ja äärellinen maailmankaikkeus romahtaa välttämättä kokoon

Niinpä hän oletti, että maailmankaikkeus on ääretön

Olbersin paradoksi

Maailmankaikkeus ei voi olla homogeeninen ja ääretön

Tällöin näkösäteelle osuisi aina tähti (galaksi) ja näin koko taivaan pitäisi olla yhtä kirkas kuin Auringon pinta

Paradoksin esitti Heinrich Olbers (1758-1840) vuonna 1826

Kosmologinen vakio

Yleinen suhteellisuusteoria ei mahdollista staattista maailmankaikkeutta

huomattuaan tämän Einstein lisäsi kenttäyhtälöihin staattisuuden mahdollistavan lisätermin, kosmologisen vakion

Kuultuaan Hubblen havaitsemasta maailmankaikkeuden laajenemisesta Einstein kutsui tätä uransa suurimmaksi munauksesi

Kosmologinen periaate

Maailmankaikkeuden on oltava homogeeninen ja isotrooppinen

Tällöin mikään paikka ei ole erityisasemassa

Isotrooppisuuden mukaan kaikki suunnat ovat samanarvoisia

Kosmologisesta periaatteesta seuraa, ettei universumilla voi olla rajaa

Tämä ei tarkoita sitä, että maailmankaikkeuden täytyy olla ääretön

Pallon pinta on esimerkki äärellisestä ja rajattomasta 2-ulotteisesta avaruudesta

Hubblen laki

1920 Edwin Hubble huomasi, että kaikki galaksit loittonevat sitä nopeammin, mitä kauempana ne ovat

Ilmiö näyttää samanlaiselta kaikista galakseista

Tarkkaan ottaen galaksit eivät loittone olemassa olevaan avaruuteen, vaan maailmankaikkeus laajenee toisin sanoen avaruutta syntyy koko ajan lisää

Punasiirtymä

Hubblen havainto perustuu siihen, että galaksien spektriviivat siirtyvät kohti spektrin punaista päätä

Tämä johtuu Dopplerin ilmiöstä, jota käytetään laajasti tähtitieteessä

Jos valon lähde tulee meitä kohti sen aallonpituus lyhenee ja fotoni muuttuu sinisemmäksi

Vastaavasti loittonevan valolähteen valon aallonpituus kasvaa ja fotoni muuttuu punaisemmaksi

Hubblen vakio

Piirtämällä Hubblen tulokset etäisyys-nopeus koordinaatistoon, voidaan maailmankaikkeuden ikä määritellä

v = H d

d=etäisyys v=nopeus H=Hubblen vakio

Mitattu H:n arvo vaihtelee 50 km/s Mpc-1 - 100 km/sec Mpc-1?

Tämä johtuu galaksien etäisyyden määritysvaikeuksista

Maailmankaikkeuden ikä

Muuttamalla Hubblen laki muotoon

1/H = d/v = t

saadaan aika jonka galaksit ovat loitonneet toisistaan

Koska laajeneminen oli aiemmin nopeampaa on parempi arvio maailmankaikkeuden iälle

t = 2/(3H)

Näin laskettu maailmankaikkeuden ikä vaihtelee 10 – 20 miljardin vuoden välillä johtuen vaikeasti mitattavasta Hubblen vakiosta

paluu