Inflacija, crne rupe i Fizika u Nišu
0 likes142 views
Predavanje održano 4. aprila 2022. godine u okviru programa CERN Masterclass.
![Supermasivne crne rupe
• U centru skoro svih galaksija
• U Mlečnom putu – lokacija Strelac A
(najsnažniji radio izvor u našoj
galaksiji)
• Akrecija materije u SMBH je proces
odgovoran za energiju kvazara i
drugih aktivnih galaksija
Vrsta Masa [𝑴⊙] Veličina
Supermasivna 105
− 1010 0,001 – 10 AJ
Srednjemasivna 102
− 105 103
km
Zvezdana < 102 30 km
Mikro ≪ 𝑀⊙ 0,1 mm](https://image.slidesharecdn.com/cm2022v01-220404082725/85/Inflacija-crne-rupe-i-Fizika-u-Nisu-43-320.jpg)
More Related Content
Similar to Inflacija, crne rupe i Fizika u Nišu (7)
More from Milan Milošević (20)
Inflacija, crne rupe i Fizika u Nišu
- 1. Inflacija, crne rupe i fizika u Nišu Milan Milošević Laboratorija za astronomiju, astrofiziku i astrobiologiju Departman za fiziku, PMF u Nišu CERN Masterclass 2022, Niš / onlajn
- 2. (astro)Fizika • Astronomija – jedna od najstarijih (najstarija?) prirodnih nauka • Astrofizika – „mlađa sestra“ astronomije (tj. novija oblast astronomije) • Izuzetno brz razvoj, naročito početak XXI veka • Najveći doprinos razvoju astrofizike • Razvoj tehnologije i novih posmatračkih tehnika • Posmatračka nauka • Istraživanja (najčešće) nisu eksperimentalna • Neke oblasti – potpuno eksperimentalne, ali to je više fizika (npr. potraga za tamnom materijom) https://earthhow.com/what-is-astronomy/
- 3. Proces saznanja u (astro)fizici • Tri faze – međusobno povezane i nerazdvojive • Proces realizuje na dva načina • 1. način: korišćenjem već poznatih posmatračkih podataka sastavi model; rezultati modela/simulacije predviđaju neke fizičke osobine posmatranog objekta ili fizičkih procesa na njemu; ako posmatranja ne potvrđuju te predviđene osobine, model (hipoteza) se odbacuje ili se koriguje (metoda probe i grešaka). • 2. način: određuju se slobodni fizičkih parametri modela posmatranog objekta, koji su u modelu međusobno povezani poznatim fizičkim zakonitostima; pri tome se slobodni parametri modela menjaju se sve dok se izračunate vrednosti iz modela i posmatrane veličine ne slažu međusobno u unapred zadatim granicama tačnosti (metoda obrnutog zadatka)
- 5. Šta je svemir? • Svemir, kosmos, vasiona, univerzum… • Prostor, vreme (tj. prostor-vreme) i „sve što se tu nalazi“ • Planete, sateliti, zvezde, galaksije • Međugalaktički prostor • Sva materija i energija • Misija Plank (februar 2015) • Materija (Ω𝑚): 31,5 ± 0,13% • Obična materija (Ω𝑏): 4,82 ± 0,05% • Tamna materija 25,8 ± 0,4% • Tamna energija (ΩΛ): 68,5 ± 0,13% • Starost (𝑡0): 13,819 𝐺𝑦
- 6. Zašto je nebo tamno? • Prve ideje – gravitacja na velikim rastojanjima slabi ili postaje odbojna (danas znamo: nestabilna ravnoteža) • Osnovni problem – NOĆ! • Olbersov paradoks • HenrihWilhem Olbers (1758 – 1840) • Paradoks tamnog neba
- 7. Kosmološki model • Emanuel Kant (1755) – prihvatio Rajtovu teoriju za Mlečni put • Magline → galaksije (delo: Opšta istorija prirode i teorija o nebu) • Zbunjivale eksplozije – supernove („zvezde sjajnije od galaksije“) • Isak Njutn (1643 – 1727) – problemi sa statičnim svemirom • Albert Ajnštajn – opšta teorija relativnosti (1915) • Gravitacija → zakrivljenost prostor-vremena • Rešavao problem stacionarnog svemira • Ajnštajnove jednačine polja 4 1 8 . 2 G R g R T c − = , , , , R R g R = − + − 2 0 0 0 0 0 0 ˆ 0 0 0 0 0 0 c p T p p =
- 8. Kosmološki model • Egzaktno rešenjeAjnštajnovih jednačina • Fridman-Lemetr-Robertson-Vokerova metrika • Opisuje homeogeni, izotropni svemir koji se širi! • Fridmanove jednačine (1922): ( ) 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ( ) sin , 1 dr ds c dt a t r d d kr = − + + − 2 2 2 2 2 8 3 4 3 3 a G kc H a a a G p a c = − = − +
- 9. Širenje svemira • Edvin Habl (1889 – 1953) • Jedan od najvažnijih opservacionih kosmologa XX veka • Hablov zakon (1929) • Potvrda Lemetreove teorije (1927) • Dobio vrednost 500 𝑘𝑚/𝑠 𝑀𝑝𝑐 , starost svemira 2 milijarde godina • Bilo je poznato da je Zemlja starija • Danas 𝐻0 = 67,31 ± 0,96 𝑘𝑚/𝑠 𝑀𝑝𝑐 • 𝑟𝐻𝑆 = 4,4 𝐺𝑝𝑐 ≈ 1,5 ∙ 1010 𝑙𝑦 0 v H D = 0 HS c r H = 100“ teleskop MountWilson opservatorija
- 10. Standardne „sveće“ • Cefeide • Henrietta Leavitt (1908) • 1777 promenljivih zvezda u Magelanovom oblaku, otkrila pravilnost • Levitin zakon (klasične Cefeide, 5-10 solarnih masa) • Duži period → veća luminoznost • Brzina zavisi od mase; • He2+ manje propušta zračenje od He1+ • Manje fotona napušta jezgro, više se zagreva • Ali – veći pritisak “gura” slojeve dalje od jezgra, hlade se • Veća temperatura –> veća jonizacija • Hlađenje – ponovo više He1+ • Delta Cephei (J. Goodricke, 1784) • Supernove tip 1a
- 13. Kratka istorija svemira Period Vreme Energija Crveni pomak Plankova epoha 43 10 s 19 10 GeV Skala strune 43 10 s 18 10 GeV Veliko ujedinjenje 36 ~ 10 s 15 10 GeV Inflacija 34 10 s 15 10 GeV Narušavanje SUSY 10 10 s 1TeV Bariogeneza 10 10 s 1TeV Narušavanje elektro-slabe simetrije 10 10 s 1TeV Kvark-hadronski prelaz 4 10 s 2 10 MeV “Zamrzavanje“ nukleona 0,01s 10MeV Dekuplovanje neutrina 1s 1MeV Nukleosinteza 3min 0,1MeV Ravnoteža materije i zračenja 4 10 . god 1eV 4 10 Rekombinacija 5 10 . god 0,1eV 1100 Tamno doba 5 8 10 10 . god 25 Rejonizacija 8 10 . god 25 6 Formiranje galaksija 8 ~ 6 10 . god ~ 10 Tamna energija dominira 9 10 . god ~ 2 Formiranje Sunčevog sistema 9 8 10 . god 0,5 Škola astrobiologije 9 14 10 . god 0,1meV 0 CERN Masterclass 2022
- 15. CMB zračenje • Kosmičko mikrotalasno pozadinsko (CMB) zračenje • Malo drugačiji (naučni) scenario: godina 1964, Belove laboratorije (Nju Džersi, SAD) • Radio antena, radio astronomi • A. Penzias i V.Vilson • Merenje radio talasa iz Mlečnog puta • Teško merenje, mnogo šuma iz okoline, iz antene itd • „Mali“ izvor (zvezda) – problem rešava upoređivanjem sa „praznim“ prostorom pored • Neophodna identifikacija svih okolnih šumova • Test „hladno opterećenje“ A Measurement of excess antenna temperature at 4080-Mc/s - Penzias, Arno A. et al. Astrophys.J. 142 (1965) 419-421
- 17. CMB zračenje • Očekivanje: antena proizvodi neznatan šum • Početak: talasna dužina 7,35 cm – šum galaksije zanemarljiv (očekivan signal iz atmosfere, nije izotropan) • Rezultat – jak signal na ovoj talasnoj dužini! Izotropan! Ne zavisi od doba dana, godišnjeg doba… • Mala verovatnoća da dolazi iz naše galaksije (bio bi detektovan iz Andromede) • Intenzitet – odgovarao 3,5𝐾 (tj. 2,5 − 4,5𝐾) • Veći intenzitet od očekivanog, ali vrlo mali
- 19. Izvor: ESA and the Planck Collaboration
- 20. Planck Collaboration. "Planck 2015 results. XIII. Cosmological parameters". Astronomy & Astrophysics. 594: A13. arXiv:1502.01589 doi:10.1051/0004-6361/201525830.
- 23. Standardni kosmološki model • SKM: oko 15 problema, najvažniji • Ravna geometrija svemira • Problem horizonta • Rešenje – inflacija?! (A. Gut, K. Sato, 1981) • Inflacija - faza eksponencijalnog širenja (uveća 1026 puta) • Uspešno radi, proces – nepoznat (pre svega početak) • Teorijski – opisano klasičnom fizikom (jednim ili više skalarnih polja) • Početak – kvantni efekti → kvantna kosmologija • Procesi koji traju 10−35 − 10−43 s i na rastojanjima 10−35 𝑚 • mogućnost p-adične i adelične inflacije, tj. procesa na nearhimedovim prostorima
- 24. Inflacija • Godišnja inflacija u Srbiji 9% • Ekonomski institut (EI) iz Beograda ocenio je da će inflacija u Srbiji u ovoj godinu biti devet odsto. • NBS: Februarska inflacija iznad gornje granice • Inflacija u Srbiji u februaru bila je 12,6 odsto u odnosu na isti mesec prošle godine, što je iznad gornje granice cilja Narodne banke Srbije, koji za februar iznosi 5,8 plus minus 1,9 odsto, objavila je danas centralna banka. Vesti, 2011. godina
- 25. Šta je to inflacija? • Reč iz latinskog jezika, i u bukvalnom prevodu znači naduvati se, nateći. • Hiperinflacija: • Nemačka, 1923: 3,25 miliona % mesečno (cene duplirale na dva dana) • Novembar 1923: 1.000.000.000.000 starih za jednu novu marku • Mađarska, 1946: 1,16 x 1016 % mesečno (cene duplirale na 15h) • Avgust 1946: 4 × 1029 starih za jednu novu forintu • Sribija, 1993: 5 x 1015 % od oktobra do januara (cene duplirale na 16h) • Januar 1994: jedan novi dinar = 1 × 1027 starih
- 26. Bilo je to ovako...
- 27. Problemi • Ravna geometrija • Najnoviji podaci pokazuju da je vrednost ukupne gustine približna kritičnoj, tj. svemir je skoro ravan • Model – ako postoji mala zakrivljenost prostora ona tokom vremena raste! • Neophodno “fino” podešavanje • Problem horizonta • Jedan od najvažnijih nedostataka • (ne)mogućnost komunikacije između udaljenih delova svemira • Svetlost prelazi konačno rastojanje => vidljiv svemir
- 28. • Kako je nastala termodinamička ravnoteža? • “Signal” stiže iz suprotnih pravaca, koji nisu mogli da komuniciraju • CMB zračenje nastalo u vreme kad je svetlost mogla da prelazi još kraća rastojanja • Delovi koji su na rastojanju većem od 1-2 lučnog stepena ne mogu da komuniciraju! • Problem velikih struktura: Kako su nastale galaksije ako je svemir homogen? 𝑇 = 2,7 ± 10−5 𝐾
- 29. Rešenje problema - inflacija a(t) ~ eHt
- 30. Inflacija • Ravna geometrija • Uslov inflacije primorava ukupnu gustinu da se približi jedinici • Horizont • Svemir se širi ali ne menjaju se karakteristične dimenzije, mali deo svemira poraste do višestruko većih dimenzija od vidljivog svemira
- 31. "The Inflation Debate“, Scientific American, April 2011 Credit: Malcom Godwin; Jen Christiansen
- 32. Posmatrački parametri • Poslednjih 20 godina → posmatrački rezultati za proveru teorijskih istraživanja • Inflacija – objašnjava fluktuacija u ranom svemiru • Nezavisno S. Hoking, A. Starobinski i A. Gut W.H. Kinney, Cosmology, inflation, and the physics of nothing, (2003)
- 33. Posmatrački parametri • Satelit Plank (maj 2009 – oktobar 2013) • (Najnoviji) rezultati objavljeni 2016. godine Planck 2015 results: XIII. Cosmological parameters, Astronomy & Astrophysics. 594 (2016) A13 Planck 2015 results. XX. Constraints on inflation, Astronomy & Astrophysics. 594 (2016) A20
- 34. Modeli inflacije • Prvi modeli pre 40 godina • Proces nije potpuno objašnjen • Energija – daleko od današnjih akceleratora • Teorijski model nastaje postuliranjem, rezultati upoređuju sa posmatranjima • Problem – puno (previše!?!) modela koji odgovaraju posmatranjima
- 35. Tahioni – nekad i sad • Tradicionalno, pojam tahion (grčki ταχύ – brz) - hipotetička čestica, uvek se kreće brzinom većom od brzine svetlosti u vakuumu • Prva ideja – A. Zomerfeld (1904) • 1962 - prva detaljna razmatranja • 1967 – „čestice“ – kvanti polja imaginarne mase • 1969 – ne moraju da se prostiru brže od svetlosti, nestabilnosti polja • Ne postoji klasično tumačenje • Nestabilnost → potencijal tahionskog polja – na lokalnom maksimumu, a ne u lokalnom minimumu.Vrlo malo narušavanje ove ravnoteže, usled kvantnih fluktuacija, primorava polje da se kotrlja ka lokalnom minimumu. • U minimumu – kvanti nisu više tahioni, već „obične“ čestice
- 36. Svet na brani Svet na brani (umetnička vizija). Autor: Dexton Roberts • T. Kaluca – proširenje OTR na 5-dim prostor-vreme • Dodatne dimenzije vrlo male • Druge teorije – nova ideja → svet na brani • „naš“ prostor smešten u 3D prostor (3-brana) • „uronjen“ u višedimenzionalni međuprostor (balk) • 1999 – Randal – Sundrum (jedan od najjednostavnijih modela) • Dve brane, suprotnog napona, nalaze na određenom rastojanju u 5-dim • RSI – posmatrač na brani sa negativnim naponom, rastojanje do druge brane – intenzitet gravitacije odgovara Njutnovoj gravitacionoj konstanti • RSII – posmatrač na „pozitivnoj“ brani, druga brana na beskonačnom rastojanju
- 37. Randal – Sundrum modeli x 5 x y 0 y = y l = y → N. Bilic, “Braneworld Universe”, 2nd CERN – SEENET-MTP PhD School, Timisoara, December 2016 0 0
- 38. Neki rezultati ☺ • Milosevic, M., Stojanovic, M., Djordjevic, G. S., & Dimitrijevic, D. D. (2020). On an inflation in holographic cosmology with inverse cosh potential. Annals of the University of Craiova, Physics, 30(part II), 196–203. • Stojanovic, M., Bilic, N., Dimitrijevic, D., Djordjevic, G., & Milosevic, M. (2019). Inflationary RSII model with a matter in the bulk and exponential potential of tachyon field. Facta Universitatis - Series: Physics, Chemistry and Technology, 17(1, spec.issue), 79–87. • Dimitrijevic, M., Dimitrijevic, D., Djordjevic, G., & Milosevic, M. (2019). Constrained dynamics of tachyon field in FRWL spacetime. Facta Universitatis - Series: Physics, Chemistry and Technology, 17(1, spec.issue), 21–30. • Bilić, N., Dimitrijević, D. D., Djordjevic, G. S., Milošević, M., & Stojanović, M. (2019). Tachyon inflation in the holographic braneworld. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2019(08), 034–034. • Milošević, M., Bilić, N., Dimitrijević, D. D., Djordjević, G. S., & Stojanović, M. (2019). Numerical calculation of hubble hierarchy parameters and observational parameters of inflation. AIP Conference Proceedings: BPU10, 090009. • Dimitrijevic, D. D., Bilić, N., Djordjevic, G. S., Milosevic, M., & Stojanovic, M. (2018). Tachyon scalar field in a braneworld cosmology. International Journal of Modern Physics A, 33(34), 1845017. • Bilić, N., Dimitrijevic, D. D., Djordjevic, G. S., & Milosevic, M. (2017). Tachyon inflation in an AdS braneworld with backreaction. International Journal of Modern Physics A, 32(05), 1750039 • Milosevic, M., & Djordjevic, G. S. (2016). Tachyonic Inflation on (non-)Archimedean Spaces. Facta Universitatis (Niš) Series: Physics, Chemistry and Technology, 14(3), 257–274. • Milosevic, M., Dimitrijevic, D. D., Djordjevic, G. S., & Stojanovic, M. D. (2016). Dynamics of tachyon fields and inflation - comparison of analytical and numerical results with observation. Serbian Astronomical Journal, 192, 1–8.
- 39. Tamna strana svemira ☺
- 40. Svemir ima mnogo tamnih strana… • Tamna materija • Tamna energija • Crne rupe
- 41. Crne rupe • Objekat čije je gravitaciono polje toliko jako da nijedan oblik materije ili zračenja ne može da „pobegne“ iz nje • Prema opštoj teoriji relativnosti mesto u kome je prostor-vreme beskonačno zakrivljeno • DžonViler (1969) prvi put pojam „crna rupa“ • Grafički opis ideje koja je stara 200+ godina • Prva ideja: Džon Mičel, 1783. godine (Kembridž) • Slična ideja: Pjer Laplas, nekoliko godina kasnije • Albert Ajnštajn, 1915. godine: • Opšta teorija relativnosti
- 42. Skretanje svetlosti i crne rupe
- 43. Supermasivne crne rupe • U centru skoro svih galaksija • U Mlečnom putu – lokacija Strelac A (najsnažniji radio izvor u našoj galaksiji) • Akrecija materije u SMBH je proces odgovoran za energiju kvazara i drugih aktivnih galaksija Vrsta Masa [𝑴⊙] Veličina Supermasivna 105 − 1010 0,001 – 10 AJ Srednjemasivna 102 − 105 103 km Zvezdana < 102 30 km Mikro ≪ 𝑀⊙ 0,1 mm
- 44. Kako znamo da postoje? • 𝐹𝑒 𝐾𝛼 linija u spektru Fabian, A. C. 2006, AN, 327, 943 Tanaka et al, 1995, Nature, 375, 659
- 45. Simulacija crne rupe M. Milošević, M.A. Pursiainen, P. Jovanović, L.Č. Popović, Int. J. Mod. Phys. A. 33 (2018) 1845016. P. Jovanović, New Astron. Rev. 56 (2012), pp. 37 - 48. L. Popović, P. Jovanović, E. Mediavilla, A.F. Zakharov, C. Abajas, J.A. Munoz, G. Chartas, ApJ 637 (2006), pp. 620 - 630. L. Popović, E.G. Mediavilla, P. Jovanović, J.A. Munoz,, A&A 398 (2003), pp. 975 - 982. A. Čadež, C. Fanton, M. Calvani, New Astron. 3 (1998), pp. 647 - 654.
- 47. Simulacija crne rupe Milošević, M., Pursiainen, M. A., Jovanović, P., & Popović, L. Č. (2018). The shape of Fe Kα line emitted from relativistic accretion disc around AGN black holes. International Journal of Modern Physics A, 33(34), 1845016.
- 48. Departman za fiziku PMF u Nišu • Osnovne akademske studije • Master akademske studije • Eksperimentalan i primenjena fizika • Nastava fizike • Teorijska fizika i primene • Doktorske studije • 6 izbornih predmeta sa liste od 40 https://www.pmf.ni.ac.rs/departman/fizika/ https://fizika.pmf.ni.ac.rs/