Astronomia Lezione 26/1/2012

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1 Astronomia Lezione 26/1/2012 Docente: Alessandro Melchiorri Slides: oberon.roma1.infn.it/alessandro/ Libri di testo: - An introduction to modern astrophysics B. W. Carroll, D. A. Ostlie, Addison Wesley - The Physical Universe, an introduction to Astronomy F. Zhou, University Science Books - Elementi di Astronomia, P. Giannone.

2 La Legge di Hubble

3 Distanze con la legge di Hubble

4 Esempio: distanza di M87

5 1929: H 0 ~500 km/sec/mpc 2001: H 0 = 727 km/sec/mpc

6 Grazie alla legge di Hubble si possono fare delle survey di galassie e «mappare» la la loro distribuzione. Intorno agli anni 80 la CfA e stata una delle prime survey Identificando filamenti, vuoti e superclusters la distribuzione e tutt altro che casuale!

7 Guardando su piu slices di cielo venne identificato il «great wall» o grande attrattore.

8 Piu recentemente la survey 2dF ha catalogato circa galassie.

9 La survey piu recente e piu completa e quella della SLOAN DIGITAL SKY SURVEY galassie Con un telescopio di 2.5 m nel New Mexico.

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11 Simulazione Millennium: 20 miliardi di particelle. 2 miliardi di anni luce in diametro. 20 milioni di galassie.

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13 Perche la notte e buia?

14 Paradosso di Olbers: Se l Universo e costituito da una distesa infinita di stelle, distribuite in modo omogeneo, allora la notte non dovrebbe essere buia, ma luminosa. Soluzioni intorno al 1900: - L Universo deve essere finito. -Non vi e una distribuzione finita di stelle.

15 Breve storia della Cosmologia Tutto ha piu o meno inizio il 4 Febbraio 1917 quando Albert Einstein scrive a Paul Ehrenfest: Ich habe wieder etwas verbrochen in der Gravitationstheorie, was mich ein wenig in Gehfahr bringt, in ein Tollhaus interniert zu werden. Ho nuovamente scritto qualcosa riguardo la teoria della gravitazione da mettermi al rischio di venire rinchiuso in un manicomio. Albert Einstein (1917) applica per la prima volta la relatività generale alla cosmologia presentando la prima soluzione cosmologica per una teoria consistente della gravita'. Nasce la Cosmologia Moderna...

16 La soluzione cercata da Einstein doveva descrivere un Universo chiuso (perche si credeva che questo fosse l unico modo per risolvere il principio di Mach) e statico, dato che all epoca (1917) non si era scoperta la recessione delle galassie (quindi l universo in espansione) anzi non si erano neppure scoperte le galassie stesse (1924). G 8GT Purtroppo queste assunzioni erano incompatibili con le equazioni di Einstein della relativita generale (l universo ricollassava su se stesso). Einstein aggiunse quindi un termine che chiamo costante cosmologica, compatibile con i principi della relativita generale e tale da opporsi al collasso gravitazionale. G 8GT g

17 Universo Finito senza Costante cosmologica: Collasso delle stelle in un unico punto. Universo Finito con Costante cosmologica: L universo rimane Statico ma e un equilibrio instabile. 1917: L Universo di Einstein e Finito e la Costante Cosmologica regge tutto.

18 Nel 1922 e nel 1924 Friedmann ed, indipendentemente, Lemaitre (1927) proposero una soluzione differente in cui l universo era in espansione e che non necessitava del termine di costante cosmologica. Einstein non accetto la soluzione dell universo in espansione fino al 1930, anzi si oppose abbastanza strenuamente ad essa. In particolare dell articolo di Friedmann commento : Friedmann s paper while mathematically correct is of no physical significance Mentre si rivolse a Lemaitre in questo modo: Vos calculs sont corrects, mais votre physique est abominable

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20 In un simile universo in espansione i fotoni sono sottoposti ad un redshift. Quindi se misuriamo lo spettro delle galassie lontane dovremmo vederle spostate verso il rosso, come se si allontanassero da noi. a 0 t a t

21 Redshift z=0 z=z 1 z=z 2 z=z 3 z=0 z=z 1 z=z 2 z=z 3

22 velocita Ed e esattamente quello che misurarono Hubble e Humason (1924) anche se neppure loro al principio accettarono il modello di Friedmann come spiegazione. Distanza

23 ...Il maggior errore della mia vita... Alla fine pero il modello di Friedmann-Lemaitre convinse la maggior parte delle persone. A questo punto Albert Einstein rigetto la costante cosmologica come superflua e non piu giustificabile: If there is no quasi-static world, then away with the cosmological term (scrisse a Weil) e pubblico la sua nuova visione in Einstein A. (1931). Sitzungsber. Preuss. Akad. Wiss Norbert Straumann in una recente review (astro-ph/ ) ha fatto notare come pochissime persone abbiamo mai letto questo articolo e come le citazioni col tempo siano divenute: Einstein A. (1931). Sitzsber. Preuss. Akad. Wiss. Einstein A. Sitzsber. Preuss. Akad. Wiss. (1931) Einstein A. Sb. Preuss. Akad. Wiss. (1931) Einstein A. and Preuss S.B. (1931) Akad. Wiss 235

24 Equazione di Friedmann H 2 2 a G a 8 3

25 In generale io posso pensare che la densita di energia totale sia data da una somma di queste componenti con singole ampiezze da determinare sperimentalmente: Tot M R In questo semplice modello possiamo attenderci 3 ere nella storia dell universo dominate energeticamente da Radiazione, Materia e, infine, Costante Cosmologica. Log(Densita ) Radiazione Materia Costante Cosmologica Log(a(t))

26 Facciamo qualche esempio molto semplice. H 2 2 a G a 8 3 a 4 Radiazione a( t) t 1/ 2 a 3 3 Materia (Polvere) Costante Cosmologica a( t) a( t) t 2 / 3 exp 3 t

27 Il modello del Big Bang Caldo L universo primordiale e costituito da un plasma relativistico di energia elevatissima. Infatti, per i fotoni e per le particelle relativistiche l energia e inversamente proporzionale al fattore di scala E 1 a

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29 I fotoni si disaccoppiano dalla materia anni dopo il Big Bang. La distanza di questa superficie di ultimo scattering e circa 13 miliardi di anni luce.

30 La radiazione cosmica di fondo Scoperta (definitivamente) da Penzias e Wilson nel Lo spettro in frequenza della CMB (misurato dal satellite COBE) e un corpo nero perfetto a T=2.728 K.

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32 COBE (1991) Il cielo a microonde Altamente Isotropo... Anisotropia di dipolo... Impronte lasciate da strutture primordiali a redshift (z~1000)? Via Lattea (z=0)

33 Le fluttuazioni quantistiche del campo che generano l inflazione producono delle perturbazioni nell universo omogeneo primordiale. Queste pertubazioni evolvono nel tempo formando le strutture oggi Osservate. Ad esempio, producono anisotropie nella CMB. La migliore mappa attuale e quella del satellite WMAP.

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36 Anisotropie della CMB Le anisotropie della CMB rappresentano una delle conferme piu spettacolari del modello cosmologico. Si possono fare delle predizioni teoriche sulla loro distribuzione con grande precisione. I dati sperimentali hanno confermato in modo impressionante le predizioni teoriche. La cosmologia e oggi una scienza di precisione.