1 Ciemna energia Bożena Czerny CAMK

2 Składniki Wszechświata My i przyroda...

3 Składniki Wszechświata Ziemia, inne planety, Słońce

4 Składniki Wszechświata Nasza galaktyka, inne galaktyki... Ultra-głębokie pole Hubble'a

5 Widok ogólny

6 A jednak ta świecąca materia to zupełnie znikoma część tego, co naprawdę wypełnia Wszechświat! Najnowsze wyniki z obserwatorium Planck Te 4.9 % zwykłej materii to: Gwiazdy - 0.5 % Gaz - 4.1 % Neutrina - 0.3 %

7 Skoro ciemna materia i ciemna energia nie świecą, to skąd w ogóle możemy wiedzieć, że są?

8 Podejście detektywa...

9 I szukać pod latarnią...

10 Co to jest ?

11 Prosty przykład dedukcji Żółte: mała gwiazda obiegająca masywną niewidoczną gwiazdę Jeżeli umiemy zmierzyć prędkość świecącej gwiazdy i promień jej orbity, to z prawa Keplera wyznaczymy masę gwiazdy niewidocznej V 2 = GM/R

12 Najstarsza przesłanka istnienia ciemnej materii

13 Najstarsza przesłanka istnienia ciemnej materii c.d.

14 Najnowsze wyniki na temat ciemnej materii w Drodze Mlecznej Krzywa rotacji Galaktyki, zmierzona do odległości 200 kpc! (Bhattacharjee et al. 2013)

15 Ciemna materia otacza galaktyki i gromady galaktyk Ilustracja poglądowa ze strony http://www.templeilluminatus.com/photo/awsume-industrial/next?context=user

16 Ciemna materia: podsumowanie ● Ciemna materia nie składa się z barionów ● Jest raczej zimna ● Oddziałuje grawitacyjnie jak zwykła materia ● Prawdopodobnie jest to jakiś rodzaj cząstek elementarnych (WIMP ? Neutralino ?) ● Jej rozkład jest niejednorodny, a galaktyki powstają we wnętrzach zagęszczeń ciemnej materii Ciemna energia jest zupełnie inna!

17 Najstarsze wzmianki o ciemnej energii; stała kosmologiczna To znacznie trudniejsze do wychwycenia niż sprawa ciemnej materii. W 1984 r. Peebles zwrócił uwagę na fakt, że do zadowalającego wyjaśnienia struktury Wszechświata potrzebna jest stała kosmologiczna: - Wszechświat zachowuje się tak, jakby był płaski - żeby Wszechświat był płaski, to gęstość Wszechświata musi być odpowiednia w stosunku do stałej Hubble'a tak, aby lokalnie energia kinetyczna ekspansji i przyciąganie grawitacyjne równoważyły się - zwykłej materii tyle nie ma, a na dodatek ma ona złe własności Geometria Materia Po przesunięciu stałej kosmologicznej na prawą stronę nabywa ona dziwnych własności: Gęstość – dodatnia Ciśnienie – ujemne Sumaryczna 'gęstość energii' = Gęstośc*c 2 + 3*Ciśnienie – i jest ujemna! Stała kosmologiczna to jakby płyn wykazujący antygrawitację

18 Ciemna energia to coś, co wypełnia w miarę jednorodnie Wszechświat i modyfikuje jego tempo ekspansji.

19 Dotychczasowe metody wyznaczania ciemnej energii Badanie własności mikrofalowego promieniowania tła Supernowe typu Ia Narastanie struktury we Wszechświecie Kombinacja tych metod daje najlepsze wyniki. Pierwsze wyniki opartle o supernowe (Riess et al. 1998; Perlmutter et al. 1998) przyniosły autorom (Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt i Adam G. Riess) w 2011 roku Nagrodę Nobla "for the discovery of the accelerating expansion of the Universe through observations of distant supernovae".

20 Zasada wykorzystania supernowych Conley et al. 2011 Musimy mieć klasę obiektów dla których potrafimy: - wyznaczyć ich przesunięcie ku czerwieni - wyznaczyć ich odległość Odległość jest tym samym co znajomośc jasności absolutnej. Jeżeli (po renormalizacji) jasności absolutne obiektów są takie same, to wystarczy wykreślać jasności obserwowane obiektów. Wynik porównujemy z modelem.

21 Modele ciemnej energii Stała kosmologiczna P = - rho c 2 Kwintesencja P = w rho c 2 w jest dowolne I bardziej skomplikowane.... Jak na razie, wyniki obserwacyjne są zgodne z w = -1, czyli najprostszym modelem.

22 Czemu różne metody są potrzebne? Wyznaczyć trzeba dwa parametry niezależnie, a elipsa błedu jest wyciągnięta w rózny sposób dla różnych metod. Inna sprawa to bledy systematyczne. Supernowe mogą wykazywać ewolucję z przesunięciem ku czerwieni – jeżeli dalsze są inne niż bliższe, to cała metoda jest niedobra. No i nie sięga ona do zbyt duzych przesunięć ku czerwieni. Dlatego szuka się jeszcze innych metod.

23 Inne metody badania ciemnej energii Struktura wielkoskalowa barionowe oscylacje akustyczne Dystorsje przestrzeń – przesunięcie ku czerwieni Soczewkowanie grawitacyjne

24 Nasz projekt: Wykorzystanie kwazarów do badania ciemnej energii Współpracownicy: M. Bilicki, M. Chodorowski, K. Hryniewicz, J. Kałużny, M. Krupa, J. Modzelewska, A. Pollo, W. Pych, A. Schwarzenberg-Czerny, A. Świętoń, P.Z. Życki

25 Zalety kwazarów Obraz kwazara (optyczny obraz pola z teleskopu HST i nałożony obraz rentgenowski z satelity Chandra) GB 1428+4217, Z = 4.73 odkryty przez Anetę Siemiginowską i współpracowników z Harvard/Smithsonia Center for Astrophysics. kwazary są widoczne z ogromnych odległości (zakres przesunięć ku czerwieni do ponad 7), ponieważ ich jasności mogą tysiące razy przekraczać jasność galaktyki macierzystej kwazary bliskie i odległe są takie same, co wynika z badania ich linii emisyjnych

26 Nasze obserwacje: SALT (Southern African Large Telescope) Lokalizacja teleskopu 10 % teleskopu należy do Polski

27 SALT - struktura 11-metrowe lustro jest zriobione z 91 małych lusterek o rozmiarze 1.2 m każde...

28 No ale co my tak włąściwie mierzymy? Kwazary mają nam zastąpić SN Ia Zatem mamy zmierzyć: - przesunięcie ku czerwieni - jasność absolutną W tym celu musimy dobrze zrozumieć, jak działa kwazar i to wykorzystać.

29 Struktura kwazara Kwazar to silnie zmienne aktywne centrum galaktyki, które składa się z ● Czarnej dziury, M ~10 7 – 10 10 Msun ● Dysku akrecyjnego ● Torusa molekularno- pyłowego ● Obłoków Obszaru Szerokich Linii Emisyjnych ● Obłoków Obszaru Wąskich Linii Emisyjnych Dżet jest opcjonalny – 90 % obiektów nie posiada silnego dżetu i jest określana jako radiowo cicha.

30 Struktura a widmo promieniowania Kontinuum w zakresie optycznym i UV pochodzi z wewnętrznych części dysku akrecyjnego otaczającego centralną czarną dziurę. Szerokie linie emisyjne w zakresie optycznym i UV pochodzą z obłoków ponad dyskiem.

31 Nasz model powstawania obłoków Idea zaprezentowana w pracy Czerny & Hryniewicz (2011) 1000 K Nasz model 'nieudanego wiatru', wiąże rozmiar obszaru linii z jasnością absolutną kwazara!

32 Co naprawdę mierzymy? Przesunięcie linii daje nam przesunięcie ku czerwieni Opóźnienie linii daje nam jasność absolutną obbiektu. Spodziewane opóźnienia są około 2 lat, zatem projekt musi trwać długo.

33 A czym właściwie jest ta ciemna energia? Pomiary astronomiczne nie powiedzą nam, co to jest, ale powiedzą, jakie to ma własności (ciśniśnienie, gęstośc energii) i czy te włąsności zależą od czasu (przesunięcia ku czerwieni) i ewentualnie od kierunku Na razie wygląda na to, że własności są dobrze opisywane stałą kosmologiczną, niezależną od czasu Stała kosmologiczna działa antygrawitacyjnie (ujemne ciśnienie) W miarę ekspansji Wszechświata rola zwykłej materii maleje, ponieważ jej gęstość spada, a stałej kosmologicznej relatywnie rośnie i ekspansja Wszechświata przyspiesza Wszyscy są przekonani, że ciemna energia to w jakimś sensie energia próżni, dlatego dokładne określenie jej własności będzie stanowić dużą pomoc dla fizyków, którzy powinni powiedzieć, co to właściwie jest