Vývoj hmotných struktur vesmíru potvrzuje vliv temné energie  
Snímky z Hubbleova teleskopu umožnily mezinárodnímu vědeckému týmu prozkoumat, jak se hmota ve vesmíru v průběhu miliard let postupně shlukovala do velkorozměrových struktur. Realistický model tohoto vývoje odráží urychlování kosmické expanze působením temné energie.

Před 8 lety, v březnu 2002, při jedné ze servisních misí (3B) k Hubbleovmu vesmírnému teleskopu byla původní kamera pro snímání slabě zářících objektů (Faint Object Camera) nahrazena modernější a výkonnější kamerou ACS (Advanced Camera for Surveys). Astronomové tak mohli naplánovat mnohem ctižádostivější projekty, mezi kterými dominují projekt Hubblova ultrahlubokého pole, ale i projekt COSMOS – Cosmic Evolution Survey (výzkum vývoje vesmíru). Pod tímto názvem se ukrývá podrobné mapování konkrétní oblasti oblohy, která se promítá do zorného pole asi 2 x 2 uhlového stupně. Aby ji bylo možno pozorovat z obou hemisfér, byla zvolena v rovině zemského rovníku.

 

Obr. vpravo: Obraz vyhlazeného rozložení hmoty (hlavně temné) v oblasti oblohy mapované v rámci projektu COSMOS. Byl odvozen z deformace způsobené slabou gravitační čočkou, která je vpečetěna do tvaru galaxií nacházejících se v pozadí. Barvy označují vzdálenost koncentrace hmoty v popředí, která byla určena na základě efektu gravitační čočky. Struktury, které jsou označený bíle, modře a zeleně jsou blíže než ty, které jsou oranžové a červené. Je to zatím nejkomplexnější analýza dat z výzkumu COSMOS. Vědci poprvé využili Hubbleův teleskop v kombinaci s analýzou vlivu slabé gravitační čočky na určení zrychlení expanze vesmíru.

Kredit: NASA, ESA, P. Simon (University of Bonn) a T. Schrabback (Leiden Observatory).


 

Projekt COSMOS si vyžádal v průběhu asi dvou let 10 % pozorovacího času Hubbleova teleskopu, který při 640 obletech Země udělal 575 mírně se překrývajících podrobných snímků jednotlivých částí zvoleného pole. Kromě Hubblea ho v rámci COSMOSu mapovaly i další známé dalekohledy, zejména ty, které mohly data doplnit o snímky v radiové, rentgenové a infračervené oblasti spektra – například oba velké pozemní radiové teleskopy VLA (Very Large Array) v Novém Mexiku i VLT (Very Large Telescope) v Čile, dále rentgenové kosmické sondy Chandra a XMM-Newton (X-ray Multi-Mirror Mission - Newton), infračervená sonda Spitzer nebo japonský pozemní teleskop Subaru pozorující vesmír ve spektru viditelného světla a infračerveného záření. Výsledkem rozsáhlého projektu je unikátní databáze, která poskytuje obrovské množství informací o sice malé, ale snad dostatečně reprezentativní oblasti oblohy. Snímky více než dvou miliónů galaxií představují průřez 75 procent věku vesmíru. Údaje z COSMOSu již několik let jsou a ještě dalších pár nepochybně budou zdrojem mnohých vědeckých prací.


I nejnovější číslo časopisu Astronomy and Astrophysics přináší článek s výsledky jedné z nich. Mezinárodní tým 22 vědců pod vedením Tima Schrabbacka ze skotské Edinburgh University si vybral část zorného pole zmapovaného v rámci projektu COSMOS a podrobně prostudoval přes 446 000 různě vzdálených galaxií. To, oč se vědci zajímali nejvíce, byly deformace galaktických obrazů. V těchto změnách, které způsobuje takzvaná slabá gravitační čočka jsou skryty informace o hmotnosti a rozložení hmoty, jež se nachází mezi pozorovanou galaxií a pozemským pozorovatelem. Jde zejména o temnou hmotu, které je asi 5 krát více, nežli nám známé hmoty baryonové, ale která – jak předpokládáme – podle stejných fyzikálních pravidel gravitačně ovlivňuje zakřivení časoprostoru a tedy i ohýbá dráhu světla. Když pak máme k dispozici dostatečné množství galaxií s přesně změřeným tvarem jejich obrazů a určenou vzdáleností, pak je možné pomocí složitých výpočtů analyzovat v daném zorném poli rozložení gravitačně působící (temné) hmoty a to nejen v prostoru, ale i v čase. Protože z větší dálky přicházející světlo přináší informace z dávnější minulosti - o zdroji, který ho vyzářil, ale i o všech gravitačních účincích, jež ho cestou ovlivnily.


Schrabbackův tým měl z mnohých moderních dalekohledů k dispozici výsledky fotometrických měření, které umožňovaly z kosmologických rudých posuvů ve spektru záření určit vzdálenost více než 194 000 galaxií.

"Už samotný počet galaxií zahrnutých do této analýzy je výjimečný, ale mnohem důležitější je množství informací, které můžeme získat o neviditelných strukturách ve vesmíru z tohoto unikátního datového souboru," zdůrazňuje člen týmu Patrick Simon z Edinburgh University. Jak naznačují jeho slova, vědci gigantickou databázi údajů přehnali výkonnými počítači a výsledkem složitých matematických algoritmů jsou modely simulující vývoj velkorozměrových struktur temné hmoty ve vesmíru pro časoprostor ohraničený hodnotami rudého posuvu z = 0 (nejbližší vesmír) a z = 5 (něco přes 9 miliard světelných let). Vlastně vytvořili modely dva, aby otestovali působení tajemné temné energie, která urychluje rozpínání prostoru. Jeden pro vesmír, ve kterém temná energie působí - ΛCDM, nebo lambda-CDM model, kde lambda je kosmologická konstanta reprezentující působení temné energie a zkratka CDM značí cold dark matter, tedy chladná temná hmota. Druhý model je pro vesmír bez působení temné energie - SCDM (standard cold dark matter). V obou případech vědci uvažovali s „plochým“ vesmírem, ve kterém lokálně platí pravidla „klasické“ euklidovské geometrie.
Animace vývoje velkorozměrových vesmírných struktur temné hmoty pro z = 5 až 0 (tedy směrem do přítomnosti) se spustí kliknutím na následující obrázek (kredit: The Hubble European Space Agency Information Centre):



Astronomové vytvořili počítačové simulace znázorňující vývoj velkorozměrových struktur pro dva různé kosmologické modely – pro Lambda-CDM model, v kterém dominuje tmavá energie a SCDM model vesmíru bez temné energie. Kredit: J. Hartlap (University of Bonn).


Nejde samozřejmě o první modelování časových změn v rozložení hmoty ve vesmíru. Jde spíše o zdokonalení v několika směrech – patří mezi první třídimenzionální, je výsledkem zpracování obrovského kvanta vstupních dat, zdokonaluje metodiku zpracování a zpřesňuje měření vlivu gravitační čočky na tvar obrazu galaxií.

 

Obr. vpravo: Ilustrace pohledu Hubbleova teleskopu zpět do minulosti. Jeho snímky v kombinaci s údaji z pozemních observatoří o vzdálenostech jednotlivých galaxií umožňují „mapovat“ vývoj hmotných struktur. Datový soubor byl rozdělen do „galaktických populací“, jež představují zdroje světla v jednotlivých časových epochách v historii vesmíru. Zobrazení mapující distribuci temné hmoty podle jednotlivých časoprostorových vrstev je kalibrováno pomocí měření kosmologického rudého posuvu galaxií, které působí jako čočka.

Kredit: NASA, ESA, P. Simon (University of Bonn) a T. Schrabback (Leiden Observatory)

 

V roce 1998 nás všechny, bez ohledu na profesní zaměření zaskočila zpráva, že vesmír se rozpíná stále rychleji. Zásadním způsobem to změnilo pohled na strukturu vesmíru, v kterém do těch dob panovala sice záhadná, ale přece jenom fyzikálně ukázněná temná hmota. Sice nebyla a dosud ani není známa její hmotná podstata, no alespoň dodržuje gravitační zákon. Pak dva astrofyzikální týmy navzájem nezávisle, ale na základě stejné metody – analýz explozí mnohých supernov typu Ia v různých časoprostorových vzdálenostech – se dopracovaly k témuž závěru: ve vesmíru dominuje záhadná temná energie, která se projevuje antigravitačními účinky. Podle převládající teorie jde o energii vakua. Za tucet let jsme se s faktem stále rychleji expandujícího vesmíru jakž takž smířili a hledáme možnosti jak ho lépe prozkoumat. A právě podrobnost a rozsah zmíněné studie, která rekonstruuje vývoj hmotných vesmírných struktur ve velkém časoprostorovém měřítku, nabízí od supernov Ia nezávislé potvrzení existence temné energie a jejího akceleračního vlivu na rozpínání vesmíru. Jde v podstatě o rekapitulaci toho, jak se vytvářely shluky hmoty v průběhu kosmické historie a jak na ně působila na jedné straně „přitažlivá“ gravitační síla známé i neznámé (temné) hmoty a na straně druhé „odpudivá“ síla záhadné temné energie.


"Temná energie ovlivňuje naše měření dvěma způsoby. Zaprvé, její přítomnost zpomaluje růst galaktických kup a za druhé mění způsob, jakým vesmír expanduje. To vede k nárůstu vzdáleností a k zvýšení efektu gravitačních čoček. Naše analýza citlivě reaguje na oba jevy," vysvětluje Benjamin Joachimi z Universität Bonn. "Studie navíc potvrzuje Einsteinovu teorii obecné relativity, která předpovídá, jak ovlivnění světla gravitační čočkou závisí na rudém posuvu," dodává další člen týmu, Martin Kilbinger z Institut d´Astrophysique de Paris.

 

Zdroje: preprint článku z dubnového Astronomy and Astrophysics , spacetelescope.org

Datum: 29.03.2010 10:30
Tisk článku


Diskuze:

Kde hledat temnou hmotu

Ondřej Vomáčka,2010-04-23 10:03:47

Co když je ono číslo vyjadřující v rovnicích popisujících chování vesmíru temnou hmotu, číslem vyjadřujícím změnu již známé hmoty. To co nazýváme hmotností a jako hmotnost se nám jeví není konstantní, ale se stářím částice se mění. Čili temná hmota může být ukrytá v podstatě samotné částice.

Odpovědět

Bouchlo sluníčko

Adolf Balík,2010-04-05 22:58:04

Sláva, na velikonoce nám na večer bouchlo sluníčko. Celá naše planeta bude od něj vyšupána. První poplach sluneční bouře po 6 letech. Za pár hodin začnou šílet polární záře. Tak doufám, paní Gregorová už píše. Ani tu asi nezmrznem kvůli nízké sluneční aktivitě ve 24. cyklu jako v Daltonově minimu.

Odpovědět

-

Jiří Havránek,2010-03-30 23:43:34

asi jsem to měl nazvat anihilát místo aninhalát, omlouvám se.

Odpovědět


hm

Jiří Havránek,2010-05-29 15:46:06

ten aninhilát jsou vlastně Higgsovy částice.

Odpovědět

-

Jiří Havránek,2010-03-30 14:55:19

pak by mohly předepjatou pěnu tvořit aninhaláty obecně, ono zmizení aninhalátů by znamenalo pouhé zabudování do pěny a tudíž by se projevilo jeho "neviditelností".

Odpovědět

-

Jiří Havránek,2010-03-30 11:46:39

z uspořádání kvarkgluonového plasmatu by šla odvodit velikost buňky, i když je možnost spotřebování více buněk na stabilizaci částice

Odpovědět

s tenzory je problém v chybějící podstatě

Jiří Havránek,2010-03-30 02:35:37

otázkou je, jak deformují těžká hmotná tělesa napjatost v temné hmotě, jaké je zaplnění kvark gluonovou polévkou případně napjatou pěnou vakua - mezihvězdného prostoru. Považuji za zásadní právě objev chování vysokoenergetického kvarkgluonového plasmatu jako téměř ideální tekutiny. Vyjde- li kvarkgluonová polévka příliš těžká na temnou hmotu, pak bude na snadě uvažovat s možností pěny nebo vláken. Ovšem nadále v tomto případě bude zůstávat možnost husté polévky o úroveň níže, která kvarkgluonové plasma stabilizuje.

Odpovědět


-

Jiří Havránek,2010-03-30 02:59:09

Ovšem i ta úroveň níže může mít charakter napjaté pěny a polévka může být ještě o úroveň níže.

Odpovědět


-

Jiří Havránek,2010-03-30 14:05:49

stavební strukturou napjaté pěny může být např. aninhalát pozitron-elektron.

Odpovědět

Ad hmotnost fotonu a jeho gravitační účinky

Pavel Brož,2010-03-30 00:14:41

V současnosti se uvažuje klidová hmotnost fotonu jako nulová. O gravitačních účincích fotonů se nijak nepochybuje, teoreticky je možné např. koncentrickým laserovým pulsem vyrobit černou díru (prakticky to samozřejmě možné není, protože žádný z dostupných laserových systémů neumí – a dlouho umět nebude - do klubka velikosti vlnové délky zkoncentrovat potřebnou energii).

Co se týče „dynamické“ hmotnosti fotonu (či jakékoliv částice s nulovou klidovou hmotností) – tak tady se naráží na docela zajímavý - spíše ale akademicky interpretační či terminologický než faktický – problém.

Nejprve bude ale dobré si říct, co vlastně budí gravitační pole (či v ekvivalentní terminologii zakřivuje prostoročas). Nejčastěji se setkáte s odpovědí, že toto činí hmota. Většina lidí zde udělá rovnítko s termínem hmotnost. Jenže gravitační pole je buzeno desetisložkovým tenzorem energie-hybnosti. Tenzor energie-hybnosti lze zkonstruovat pro něco, co má klasickou hmotnost, ale také pro něco, kde ji budeme hledat obtížně (tak např. nenulový tenzor energie-hybnosti má i oblast mezi konci podkovovitého magnetu, kde je pouze statické magnetické pole, a žádná hmotnost tam není.

Mimochodem, v modelu relativistické ideální tekutiny je nezanedbatelná část tenzoru energie-hybnosti spojena s tlakem v této tekutině. Právě tato část je mj. zodpovědná za to, že v hroutící se hvězdě právě tento tlak, ač do té doby bránil kolapsu, budí stále rostoucí gravitační pole a paradoxně tak od určité úrovně začne kolaps urychlovat.

Takže pro gravitační účinky je úplně jedno, jestli hovoříme o hmotnosti, nebo o tlaku, anebo o energii. Zdrojem gravitačního pole je tenzor energie-hybnosti, a ten může mít pro různé „entity“ různou podoby či projevy.

Nyní se vrátím k pojmu „dynamické“ hmotnosti fotonu či jakékoliv částice s nulovou klidovou hmotností. Už jsem zmínil, že jde spíše o terminologický problém. Je tomu opravdu tak proto, že bez ohledu na terminologii mají tyto částice jednoznačně definovaný tenzor energie-hybnosti, a tím pádem jednoznačně určené gravitační účinky.

Pojem „dynamická“ hmotnost se zvláště v částicové fyzice (natož v současné) moc nepoužívá, tam je rozšířený pojem čtyřhybnost (sestávající z klasické třírozměrné hybnosti a z energie jakožto čtvrté – nebo chcete-li nulté, protože konvence se různí – složky). Používal se dříve v úvodních učebnicích speciální teorie relativity. Problém s dynamickou hmotností je mj. v tom, že tato hmotnost závisí na směru urychlování - ve skutečnosti se dá dobře definovat pouze pro pohyb přímočarý a kruhový. Pro „přímočarou“ dynamickou hmotnost dostanete m0/odmocnina(1-(v^2/c^2)), pro „kruhovou“ bude jmenovatel umocněn na třetí.

„Přímočará“ dynamická hmotnost má o něco lepší význam ve srážkách částic než „kruhová“ – konkrétně, pokud uděláte součet „přímočarých“ dynamických hmotností částic před srážkou, tak po srážce bude stejný. V těžišťové soustavě je to právě součet těchto „přímočarých“ dynamických hmotností, co určuje gravitační účinky celku, jak se jeví z dostatečně velké vzdálenosti. Právě tato korespondence s gravitační hmotností („gravitačním nábojem“, ačkoliv tato analogie s elektromagnetismem je zavádějící, neboť gravitační pole je buzeno všemi deseti složkami tenzoru energie-hybnosti) může být dobrým motivem pro zavedení něčeho, jako je dynamická hmotnost.

V případě částice s nulovou klidovou hmotností ovšem tato korespondence dynamické hmotnosti a gravitačního náboje schází. Částice s nulovou klidovou hmotností se pohybuje rychlostí světla, a neexistuje žádná soustava, ve které by stála v klidu. Pohybující se částice sice budí gravitační pole, ale to je buzeno celým tenzorem energie-hybnosti této částice, který je jednoznačně daný i bez toho, jestli se nějakou dynamickou hmotnost rozhodneme definovat nebo ne.

Otázka, zda je vůbec účelné nějakou dynamickou hmotnost definovat anebo ne, je ekvivalentní tomu, jestli se rozhodneme chápat Einsteinův vztah ekvivalence mezi hmotou a energií (známý vztah E=mc^2) jako univerzální, anebo jako platný jenom pro částice s nenulovou klidovou hmotností. Bereme-li jej jako univerzální, pak hmotnost je pouze jiné měřítko pro energii a můžeme hmotnost přiřadit jakékoliv entitě (tedy např. i tomu magnetickému poli mezi konci podkovovitého magnetu). Pokud tomuto vztahu univerzalitu upřeme, opět se nic neděje, tenzor energie-hybnosti se tím nezmění a přesně ten je tou jedinou veličinou, na které ve skutečnosti záleží.

Odpovědět

Báje?

Jan Kýla,2010-03-30 00:06:37

Na základě koukání na hvězdy lidi vymysleli spoustu pěkných pověstí. Třeba o Perseovi nebo Orionovi. A teď i ty nové o temné hmotě a energii.

Možná jednou někdo prokáže existenci temné hmoty a energie i u nás na Zemi, možná potkám někdy časem i Persea.

Ale do té doby zůstanu skeptikem. :-)

Odpovědět


Dalibor Frivaldsky,2010-03-30 00:52:44

s tym rozdielom, ze mytologicke postavy najprv vymysleli a potom sa ich snazili hladat. Kdezto ucinky temnej hmoty a energie boli najprv spozorovane a az potom pomenovane. To niesu veci, ktore vyplynuli z matematickych vzorcov nejakej teorie, ktora sa snazi opisat vesmir

Odpovědět

takže znova špatně zařazeno ...

Pavel Brož,2010-03-29 23:22:48

předchozí příspěvek byl adresován jako odpověď autorce. Mimochodem, máte někdo nějaký zaručený návod na to správné zařazování? Děkuji moc ...

Odpovědět


Dagmar Gregorova,2010-03-30 06:33:29

Ano, systém v tomto není "userfriendly". Když chcete odpovědět na konkrétní příspěvek, pak
1) musíte být přihlášen, protože když nejdřív kliknete odpovědět na příspěvek, tak Vás to přehodí samo na přihlášení, ale pak si musíte opět uhlídat, že odpovídáte na to, na co jste původně chtěli.
2) Klikněte na "Vypsat celou diskuzi"
3) Pak najeďte pod příspěvek, na který chcete odpovědět a klikněte na "odpovědět" pod ním.
Na odpovědi se odpovědět nedá, je nutno kliknout na ten hlavní diskuzní příspěvek pod kterým je již nějaká ta odpověď. Vaše se pak zařadí jako další odpověď na konec příslušné poddiskuze.
4) Jistotu, že se Vám Váš diskuzní příspěvek zařadí OK nabízí hlavička okénka, do kterého odpověď píšete. Tak třeba já mám teď nad tímto okénkem napsáno:
Odpovědět na příspěvek
od: Pavel Brož nadpis: takže znova špatně zařazeno...

Když tam nebudete mít podobnou hlavičku, která Vám prozradí, na který diskuzní příspěvek odpovídáte, pak se to, co píšete zařadí jako nejnovější příspěvek celé diskuze. To je nejlepší kontrola.

Odpovědět

ad vztah prostoru a hmoty

Pavel Brož,2010-03-29 23:20:41

K tomu zdánlivému rozporu v existenci prostoru bez hmoty – ono se v mnoha knížkách píše, že obecná teorie relativity ukázala spojení prostoru a hmoty, také se používají přirovnání jako že hmota si zakřivuje prostor, který ji pak určuje, jak se má pohybovat, atd. atd.. Jako u všech přirovnání i zde platí, že nepopisují situaci věrně.

Vztah mezi hmotou a prostorem je ve skutečnosti v lecčems (ne samozřejmě ve všem) analogický vztahu mezi elektrickými náboji a elektromagnetickým polem. Když máte velice pomalu pohybující se elektrické náboje, konkrétně když můžete zanedbat magnetické účinky a vystačíte jenom s elektrostatickým přiblížením, tak elektromagnetické pole vůbec nepotřebujete. Interakci mezi náboji popíšete Coulombovým zákonem s předpokladem působení na dálku, a máte vystaráno.

Jakmile už musíte vzít v potaz i magnetické efekty způsobené pohybem nábojů, s Coulombovým zákonem už nevystačíte, a také působení na dálku vám začne působit problémy – přechodně se jich sice zbavíte zavedením retardovaného účinku, nicméně při použití dostatečně přesného měření na dostatečně rychle a zrychleně se pohybujících nábojích nakonec zjistíte, že vám přestávají platit zákon zachování energie a hybnosti. To je způsobeno tím, že zrychleně se pohybující náboje vyzařují elektromagnetické vlny, které chybějící energii a hybnost odnášejí pryč.

Nejpozději v tomto okamžiku bude velice výhodné do popisu konečně zavést elektromagnetické pole. Na začátku to bude jenom jakási formální vymyšlenost, která má za úkol pouze zachraňovat platnost tak užitečných (nikoliv ale nevyhnutelně nutných) zákonů zachování. Tzn. že máte náboje jakožto zdroje elektromagnetického pole a pak toto elektromagnetické pole, které je „buzeno“ těmito náboji. Náboje budí elektromagnetické pole (např. protony v urychlovačích vyzařují elektromagnetické vlny díky tomu, že se pohybují po zakřivené dráze, tedy zrychleně). Naopak toto elektromagnetické pole zase ovlivňuje chování nábojů (např. elektrony se „houpou“ v elektromagnetickém poli procházející elektromagnetické vlny, díky čemuž např. fungují antény).

V tomto okamžiku bychom mohli spokojeně konstatovat, že náboje a elektromagnetické pole se k sobě mají navzájem asi jako jin a jang ve východní filosofii, a že vlastně jedno bez druhého samo o sobě nemá smysl.

Jenže ta symetrie je jenom zdánlivá. Náboj bez elektromagnetického pole sice neexistuje, protože každý náboj kolem sebe budí minimálně to statické Coulombické pole. Jenže elektromagnetické pole může klidně existovat i bez přítomnosti náboje. Teoreticky si lze představit nějakou formu vesmíru, kde by existovaly jen neutrální částice a elektromagnetické vlny (fotony). Proč by ne? Ani v našem vesmíru (resp. v modelech velkého třesku či inflačního rozpínání) není axiomem, že by všechny fotony musely být nejprve vyzářeny nabitými částicemi (ve skutečnosti se „rodný list“ fotonů ani jiných částic vůbec neřeší, pouze jejich stabilita).

Se vztahem prostoru a hmoty se to má velice podobně, jako se vztahem nábojů a elektromagnetického pole. Hmota zakřivuje prostor. Zakřivený prostor určuje pohyb hmoty. Zdánlivě tedy jedno bez druhého nedává samo o sobě smysl. Ale ani zde není ta symetrie vzájemná. Zatímco hmota vždycky zakřivuje prostor, tak zakřivený prostor umí existovat i bez přítomnosti hmoty (např. ony gravitační vlny). Zakřivený vlnící či různě se natahující či smršťující prostor umí existovat stejně autonomně, jako umí existovat autonomně elektromagnetické vlny i bez existence elektrických nábojů.

Odpovědět


Dagmar Gregorova,2010-03-30 06:19:16

Ad: Zatímco hmota vždycky zakřivuje prostor, tak zakřivený prostor umí existovat i bez přítomnosti hmoty (např. ony gravitační vlny).

A nejsou ty gravitační vlny zas jenom energií a její přechod prostorem způsobuje tvarovou deformaci?

Odpovědět


k energii gravitačního pole obecněji

Pavel Brož,2010-03-30 22:48:41

Gravitační vlny jsou samy o sobě tou deformací prostoročasu. Není tomu tak, že by to byla jakási energie, která ten prostor křiví. Nicméně gravitační vlny se dají při splnění jistých předpokladů chápat také jako klasické pole, tj. nikoliv jako projev geometrie. V tomto alternativním pohledu pak jde jenom o vlnění jakéhosi pole na zvoleném prostoročasovém pozadí – pole, které do celkového fyzikálního popisu „přimyslíme“ čistě jen tím, že část té proměnlivé geometrie vydělíme a pojmenujeme to jako vlny tohoto pole, konkrétně jako vlny pole gravitačního.

Nejen na gravitační vlny, ale na gravitační pole obecně je možné použít tento dvojí pohled. Buďto můžete chápat gravitaci čistě jenom jako projev zakřivené geometrie prostoročasu. Potom pojem gravitačního pole vůbec nepotřebujete, vystačíte si jenom s čtyřrozměrnou geometrií, s pojmy, jako jsou geodetiky, jejich odchylky, křivost popsaná Riemannovým tenzorem, s metrickým tenzorem určujícím v dané soustavě deformace délek a času, atd..

Anebo můžete udělat nějaké více či méně umělé rozdělení celkové geometrie prostoru na jakési pozadí (to může, ale nemusí být časově konstantní – tím pozadím může být třeba rozpínající se prostor anebo prostor křivený pohybem velmi hmotných těles) a vše, co jaksi vybočuje z tohoto pozadí, prohlásíte za pole na tomto pozadí. Tak např. v linearizované obecné teorii relativity, která se omezuje na popis slabých gravitačních polí, se jako pozadí bere Minkowského plochý prostoročas, a gravitační pole včetně gravitačních vln můžete popisovat standardním polním popisem, jaký se používá i pro popis negravitačních polí. Pro takovéto linearizované pole není problém zkonstruovat příslušný tenzor energie-hybnosti a tím pádem i definovat energii gravitačních vln.

V obecné, nelinearizované obecné teorii relativity ale žádnou bezproblémovou metodu, jak definovat energii pro gravitační pole, nemáte. Přesněji řečeno, neideálních, navzájem nekompatibilních metod je relativně dost, ale každá má své plusy a minusy. Všechny dohromady se potýkají minimálně se dvěma problémy – prvním je umělé dělení geometrie prostoročasu na jakési pozadí a ten zbytek, který se nazve gravitačním polem. Druhý problém je možná ještě podstatnější – v obecném prostoročase (nebo chcete-li v časově proměnlivém prostoru s obecně různě rychle jdoucími ideálními hodinami, jejichž chod se navíc může nezávisle zrychlovat či zpomalovat) se energie ani hybnost nezachovává.

Odpovědět

infenitizimálně nízká gravitace fotonu

Jiří Havránek,2010-03-29 19:51:26

v učebnicích fyziky ze 70. let tomuto odpovídal předpoklad, že klidová hmotnost fotonu může být 10 -51kg. Nulová hmotnost fotonu je nutným předpokladem teorie relativity?

Odpovědět

Pavel Brož,2010-03-29 17:13:32

Omlouvám se, zařadilo se to špatně, byl to komentář k odpovědi autorky :-)

Odpovědět

Pavel Brož,2010-03-29 17:12:17

Ono je to s tím vztahem rozpínání a ztrácením energie fotonů maličko složitější. Prostor může mít v obecné teorii relativity vlastní dynamiku i bez přítomnosti jakékoliv hmoty. Typickým případem jsou gravitační vlny, které můžeme nahlížet buďto jakožto hmotné vlny nesoucí energii - podobně jako jsou vlny elektromagnetické - anebo je můžeme nahlížet jenom jako měnící se geometrii prázdného prostoru, tj. jako něco, co a priori žádnou hmotu ani energii nemá. Obecná teorie relativity nenabízí žádný preferovaný rámec, jak mezi těmito dvěma pohledy rozhodnout. V obecném gravitačním poli (= v obecném prostoročase) nelze energii gravitačního pole definovat (resp. lze sestrojit vícero veličin dávajících rozdílné hodnoty, které mohou být různým způsobem užitečné při praktických výpočtech a z nichž každá má nějaké výhody a nějaké nevýhody). Pokud si např. uměle geometrii prostoročasu rozdělíte na pozadí a na to, co budete považovat jako "vlny" na tomto pozadí, pak pro tyto vlny můžete určitou procedurou definovat jejich energii. Neexistuje ale žádný jednoznačný předpis, jak ten prostoročas dělit na to pozadí a ty vlny na něm.

Jiným příkladem prostoru s vlastní dynamikou jsou právě různé modely rozpínajícího či smršťujícího se vesmíru. V těchto modelech můžete mít přítomnu také nějakou hmotu, ale nemusíte. I prostor bez jakékoliv hmoty se může rozpínat či smršťovat. Rozpínání vesmíru není živeno úbytkem energie hmoty, např. těch fotonů, je dáno dynamickou podstatou geometrie prostoru, tak jak ji popisuje obecná teorie relativity. Podobně jako u těch gravitačních vln, které mohou být chápány jenom jako projevy proměnlivé geometrie, tak také zde jde o proměnlivou geometrii, akorát místo vlnění se zde prostor rozpíná (či smršťuje). Případná hmota či energie tuto dynamiku samozřejmě ovlivňuje - běžná hmota i temná hmota zpomalují expanzi, temná energie (obecněji jakákoliv "hmota" se zápornou hustotou energie) expanzi naopak urychluje.

Váš článek se mi každopádně velice líbil, a těším se na další :-)

Odpovědět


Dagmar Gregorova,2010-03-29 17:51:19

DÍK. Než absorbuji a "smířím" se vnitřně - a možná i pochopím :))) Váš diskusní příspěvek, mám jeden vážný rozpor: "prostor bez hmoty"... jestli energii budeme považovat za formu hmoty, mám pocit, že nelze oddělit pojem prostor a pojem energie (hmota). Zakřivení prostoru způsobuje právě distribuce hmoty. Ani "prázdné" vakuum asi nebudeme moci jen tak fyzikálně korektně odčlenit od hmoty (energie) a nemyslím si, že o modelech vesmíru a jeho tvaru se dá uvažovat bez analýzy hustoty hmoty a energie. Má laická intuice mi říká - a připouštím, že možná chybně, že pojem "prostor" ve vesmíru je nedělitelně svázán s působením hmoty v nějaké její podobě - jako "hmotné" hmoty, nebo jako energie. Temná energie působí antigravitačně, ale foton má (prý) již (infinitesimálně) slabou gravitaci, tedy přesněji, deformuje časoprostor... i když neměřitelně... sorry, je to trochu zmatené, jak přišly myšlenky...

Odpovědět


Roman Rodak,2010-03-29 23:06:26

Dagmar> pokial viem, tak kazdy foton ma nejaku vlnovu dlzku a teda energiu a teda ma aj relativisticku hmotnost a posobi sice velmi malou, ale predsa skutocnou gravitacnou silou

Odpovědět


Martin Plesinger,2010-04-05 13:04:35

Dobry den, omlouvam se za mozna hloupy dotaz, me znalosti fyziky nejsou prilis dobre, ale dovolim si reagovat na vasi diskuzi.

Ad Dagmar & Roman:

> pokial viem, tak kazdy foton ma nejaku vlnovu dlzku a
> teda energiu a teda ma aj relativisticku hmotnost a
> posobi sice velmi malou, ale predsa skutocnou
> gravitacnou silou

Vami zminovanou relativistickou hmotnosti rozumim snad spravne celkovou hmotnost danou vztahem hf/c^2, domnivam se vsak, ze gravitacne pusobi pouze klidova hmotnost m0 nikoliv relativisticka. Ta je v pripade fotonu nulova. Kdyztak mne opravte prosim.

Ad Pavel Broz:

Domnivam se, ze oddeleni prostoru a hmoty (pouze deformace 'prazdneho' prostoru vs. gravitacni vlny nesouci 'energii' na nemennem pozadi) skutecne neni uplne stastne prestoze snad obecna relativita oboji pohled umoznuje. Jako argument pro svoji domenku bych pouzil to, ze onen 'prazdny' prostor (idealni vakuum) je casto nahlizeno jako fyzikalni (realna) utopie, nebo model, podobne jako absolutni nula. Uz Paul Dirac, domnivam se, koketoval s myslenkou, ze ono vakuum je rovnovazny stav neustale vznikajicich a anihilujicich virualnich paru castic a anticastic. Duvod proc tohoto stavu nelze dosahnout ja pak dan tim, ze ono vakuum by bylo virtualni hmotou-antihmotou majici teplotu absolutni nuly. Vznikajici castice vsak maji kvantovanou energii a tudiz s ni nemuzeme jit libovolne blizko nule. Nevim presne jak se s temito modely zachazi, nebo zda se vubec jeste vyuzivaji, ale v tomto modelu ma vakuum vzdy urcitou nenulovou energii. To proc z vakua tuto energii nemuzeme cerpat (napr. separovanim castic a anticastic ve snaze zabranit jim anihilaci) je ten, ze doby existence (\Delta t) techto castic jsou plankovske, zakon zachovani energie se porusuje (vznika energie \Delta E) jen v ramci heisenbergovske neurcitosti (\Delta t * \Delta E < h/2). Takze ono to i vakuum (Vami zminovany 'prazdny' prostor] se vzdycky nejak v plankovskych rozmerech vrti a chveje.

Podobny 'neklid' vakua samozrejme nema vliv na nejake velke zmeny geometrie prosotoru, o jakych pisete. To co jsem se snazil sdelit je to, ze oddelene uvazovani o 'prazdnem' prostoru a o energii (hmote) je nekdy uzitecne (v pripade te obecne relativity to dava dva v jistem smyslu komplementarni pohledy na vec, oba pouzitelne) ale nekdy nemusi byt zcela spravne. Kdyz pak uvazujeme o takto fundamentalnich otazkach, muze podobne na prvni pohled zanedbatelne zjednoduseni veci vest k systematicke chybe (uvedomme si ze vesmir je z velke vetsiny sveho objemu tvoren temer-vakuem), ktera se muze projevit kdovijak.

Doufam ze jsem nemluvil moc zcesty a preji hezke Velikonoce.

M.

Odpovědět

Úvahy o vlibu vývoje vesmíru jsou na místě

Vladimír Wagner,2010-03-29 16:47:12

Otázky na možný vliv vývoje vesmíru v daném případě, o kterých uvažuje Roman Rodak, jsou určitě oprávněné. A musí se vždy brát v úvahu různé možnosti jeho vlivu. Pochopitelně to nelze říct bez propočítání, ale myslím, že to, aby jsme nějakým způsobem dostali průběh závislosti rychlosti na vzdálenosti simulující temnou energii díky promíchání klasických a exotických supernov Ia druhu, muselo by jejich rozložení být značně nehomogenní a velmi nepřirozeně specifické.

Odpovědět

Supernovy Ia jsou stále standardní svíčky

Vladimír Wagner,2010-03-29 16:01:06

Ta zmiňovaná zpráva se týkala toho, že některé supernovy Ia nemusí vznikat klasickým způsobem (tedy přetokem hmoty z normální hvězdy na bílého trpaslíka a překročení určité přesně dané limitní hmotnosti, po které následuje exploze supernovy). Energie výbuchu je v tomto případě přesně dána touto mezní hmotností. Pokud taková exploze "supernovy Ia" nastane po srážce dvou bílých trpaslíků, tak je hmotnost různá a i energie výbuchu je různá. Ovšem objev temné energie pomocí supernov Ia objev jejich nového exotického druhu neovlivní z těchto důvodů. Počet těchto exotických supernov je malý (proto byly objeveny až nyní). Pozorovaná závislost rychlosti rozpínání na vzdálenosti je při proložení a jednotlivé pozorované supernovy z ní příliš nevyskakují. Pokud by tam bylo větší množství těch druhých, tak by to pozorované body rozhodilo a nevytvořilo by to zdání postupné změny rozpínání. Exotické supernovy bouchají i blízko i daleko.

Odpovědět


Roman Rodak,2010-03-29 16:23:43

Ďakujem za odpoveď, aj Vám aj p. Gregorovej.
Zo spomínaného článku som mal dojem, že je tých exotických supernov Ia oveľa viac, nie len zanedbateľné percento. Keď je to tak ako hovoríte Vy, potom je môj predchádzajúci príspevok v podstate bezpredmetný.
Ale predsa len by som chcel uviesť na pravú mieru ako som to myslel s tým klesajúcim podielom vodíka počas starnutia vesmíru. Ako p. Gregorová spomenula, bieli trpaslíci sa skladajú z prvkov ťažších ako vodík, preto aspoň pár miliónov rokov po vzniku vesmíru sme tu nemali žiadneho. Keď vznikli prví, bolo pre nich veľmi ľahké kradnúť hmotu z plynných obrov, pretože boli v podstate všade. Teda v rannom vesmíre by bola oveľa väčšia šanca vidieť "štandardnú" supernovu Ia vybuchujúcu práve pri hmotnosti 1,4 Ms. No a čím bol vesmír starší, tým viac v ňom bolo bielych trpaslíkov, preto bola tým väčšia šanca, že sa dva zrazia a vyprodukujú exotickú supernovu. Preto by sa zdalo, že blízke supernovy sú trochu ďalej, ako v skutočnosti a táto odchýlka by bola tým väčšia, čím by boli bližšie. Samozrejme, bola by tu väčšia štatistická odchýlka, ale zoberte si to takto:
Pre ďaleké supernovy je štatistická odchýlka väčšia, lebo sa merajú horšie, ale stredná hodnota by mala cca sedieť so skutočnosťou. Pre blízke supernovy by bola skutočná odchýlka oveľa menšia, ale exotické supernovy by ju umelo/nevedome zväčšovali a čo je ešte horšie, strednú hodnotu by ťahali len jedným smerom a to práve k zdaniu, že rozpínanie vesmíru sa urýchľuje.
Toľko moja fantázia...zostáva mi veriť, že vedci rozmýšľajú nad všetkým - možným i nemožným :)

Odpovědět

Jenom drobná poznámečka k zákonu zachování energie

Pavel Brož,2010-03-29 15:16:30

Jenom chci upozornit, že v rozpínajícím se vesmíru globálně neplatí zákon zachování energie ani bez přítomnosti temné energie. Např. vlnová délka světla se prodlužuje, tj. fotony se stávají bez toho, že by něčemu předávali energii, méně a méně energetickými. Ono ale mimochodem definovat něco jako "celkovou energii" v rozpínajícím se vesmíru moc dobře nejde.

(Tím samozřejmě není dotčena platnost zákona zachování energie např. ve srážkách částic atd., tj. "lokální" zákon zachování energie, kde slovem lokální je míněno natolik prostorově i časově malé okolí vybrané události - např. oné srážky částic - aby se v něm daly efekty spojené s rozpínáním prostoru zanedbat).

Odpovědět


Dagmar Gregorova,2010-03-29 15:43:09

Otázka ad hoc, která mě bez přemýšlení napadá při Vašem příspěvku - světlo rozpínajícím se prostorem energii ztrácí - prostor ji zas "má" v podobě energie vakua a to ho nutí k expanzi (vakuum bez energie by se nerozpínalo, světlo by o energii nedocházelo). Rozpínání opětovně ochuzuje fotony o energii... atd.
Že by ten zákon zachování přece jen platil i "celovesmírně"? (Nebo dokonce sensu stricto - jenom celovesmírně? Protože absolutně fyzikálně uzavřený systém, ve kterém by bez nějakého zanedbání platily zákony zachování není lokálně reálný a mohl by ho tvořit vlastně až celý vesmír.)
Asi to již někdo spočítal... a dávno to astrofyzikové vědí...
Tento způsob "insitní" vědy, co teď předvádím je asi zábavný, ale je motivující k dalšímu hledání... :)))

Odpovědět


Dalibor Frivaldsky,2010-03-29 23:13:31

Preco by mali fotony odovzdavat niecomu energiu? To ze sa priestor rozpina a natahuje vlnovu dlzku svetla len znamena, ze to iste mnoztvo energie sa nachadza vo vacsiom priestore. Znizila sa tak len hustota energie, nie jej mnozstvo. To by znamenalo, ze vakuum neziskava energiu potrebnu na rozpinanie ( ak som spravne pochopil reakciu p. Gregorovej ). Kedze sa ale vesmir rozpina, napada ma, ze by to mohlo sposobovat vakuum, ktore je okolo vesmiru a do ktoreho sa vesmir rozpina ( tazke vesmir by nebol rozpinany silami posobiacimi v nom, ale mimo neho ). Kazdopane, ja som tiez len laik a uvitam akekolvek namietky :)

Odpovědět


Jenom drobná poznámečka k zákonu zachování energie

X X,2010-04-30 10:55:07

Podle meho mineni je reseni podstatne jednodussi. Zakon zachovani energie musime pocitat v soustave, ktera foton vyprodukovala. A jelikoz v jeji soustave se zpomaluje cas, pak k zadnemu poruseni nedochazi. To, ze my vidime jinou vlnovou delku nez producent fotonu znamena pouze to, ze nase soustavy neni mozno bez opravy na relativisticke efekty scitat.

Tvrdim, ze kdyz ja vyslu foton, pak z meho pohledu NEBUDE menit vlnovou delku. Tim se problem zdanliveho poruzeni zakonu zachovani energie vysvetli.

Odpovědět


Jenom drobná poznámečka k zákonu zachování - dopln

X X,2010-04-30 11:01:37

Jeste mne napadla kacirska myslenka: jestli se ukaze, ze foton po ceste MENI svou vlnovou delku z hlediska producenta (pozorovatele, ktery ho vyslal), tak se bude muset Fritz Zwicky v hrobe obracet, ze zase jednou mel pravdu :-)

Odpovědět

supernovy Ia

Roman Rodak,2010-03-29 12:44:13

Chcem sa opytat, myslite, ze su tieto zavery ozaj dost dobre podlozene faktami? Prednedavnom sa objavila sprava, ze supernovy typu Ia nie su predsa len az take standardne sviecky.
Myslim, ze by bolo dobre zamysliet sa nad metodou urcovania vzdialenosti aj inak ako zo svietivosti supernov Ia. Co ked sa nakoniec ukaze, ze tak, ako sa kontinualne od pociatku vesmiru znizuje podiel vodika oproti ostatnym prvkom, tak sa aj >kontinualne< menia podmienky vzniku supernov Ia a tym padom aj ich svietivost a prave kvoli tomu pozorujeme miernu odchylku od linearnej zavislosti ich svietivosti oproti cervenemu posuvu ich domacej galaxie. A po zaratani tohoto efektu sa moze stat, ze hubblova konstanta bude sediet presne a mame po antigravitacii. Nehovorim, ze som odbornik, ale nezda sa Vam, ze tu temnu energiu prijmame az prilis lahko? Occam nebol az taky hlupy...

Odpovědět


Dagmar Gregorova,2010-03-29 13:39:37

Budem stručná z dvoch dôvodov – čas a vedomosti. Nie som dostatočne kompetentná Vám „nepriestrelne“ odpovedať a momentálne sa zaoberám inou témou, ale aspoň takto (dúfajúc, že to niekto zodpovednejšie doplní):
Supernovy Ia nie su „vodikové“ a to, čo v nich spôsobí explóziu sú fúzne reakcie „vyššieho stupňa“ – v tomto prípade jadier uhlíka a kyslíka. Tam je mechanizmus v podstate pokaždé rovnaký. Vodík do toho zasahuje len nepriamo, ak ide o SN Ia, ktorá vzniká z bieleho trpaslíka gravitačným nabaľovaním novej hmoty. Tá – podľa predpokladov - pochádza z obalu blízkej hviezdy. A ak je to žiariaca hviezda, tak vo vrchných vrstvách musí mať dosť vodíku. Ale opakujem, na tom tak nezáleží, ide o to, aby trpaslík dosiahol krádežou hmoty kritickú hmotnosť – 1,4 hmotnosti Slnka – pri ktorej sa spustia reakcie jadier O a C v jeho jadre a dôjde k explózii SN Ia http://www.osel.cz/index.php?clanek=4938. V takom prípade by – z logiky fyzikálnych zákonitostí – mala SN Ia žiariť ako spoľahlivá štandardná sviečka, lebo jej počiatočné podmienky sú viac – menej, ale skôr viac, ako menej pokaždé rovnaké.

Problém je, ak dôjde k okamžitému zvýšeniu hmotnosti vysoko nad limit 1,4 hmotnosť Slnka – napríklad pri zrážke 2 trpaslíkov. Potom samozrejme nie je absolútna jasnosť supernovy štandardná, ale je vyššia a tak sa podľa jej zdanlivej (pozorovanej) jasnosti javí, že je ďalej, ako v skutočnosti (a ako v predchádzajúcom prípade, keď vznikla postupnou akréciou novej hmoty na povrch bieleho trpaslíka ( http://www.osel.cz/index.php?clanek=4894)). A to je problém v prípade, že oba tieto podtypy SN Ia by sme nedokázali rozlíšiť spektrálnou analýzou. Ak to náhodou teraz nevieme spoľahlivo, som presvedčená, že tá metodika rozlíšenia zanedlho spoľahlivá bude

Nakoľko sú dnešné poznatky jednoznačné, to presne neviem. Teória existencie tmavej energie, ktorá urýchľuje rozpínanie vesmíru je natoľko prevládajúca, že väčšina astrofyzikov o nej v podstate nepochybuje. Neviem akými všetkými nezávislými metódami bola teória overovaná – ale určite pomocou supernov mnohokrát, aj rôznymi modelmi vývoja hmotných štruktúr (v menšom rozsahu, ako je popísané v článku), ktoré sa snažili porovnať realitu s modelmi do ktorých jej pôsobenie bolo zakomponované a tými bez jej pôsobenia. A ak sa nemýlim, tak aj nejaké analýzy mikrovlnného pozadia ju potvrdili. Supernovy Ia nie sú jedinou metódou na určovanie vzdialeností (patria tam ešte premenné cefeidy, zákrytové dvojhviezdy, analýzy spektier...) Pokúsim sa niečo nájsť a doplniť to. Je to fakt vzrušujúci problém, najmä ak začnete rozmýšľať, že vo vesmíre ako celku pravdepodobne neplatí zákon zachovania energie, lebo ako sa „prázdny“ medzigalaktický priestor rozpína, tak je v ňom stále viac tmavej energie za predpokladu, že sa jej objemová hustota zachováva.

Odpovědět


Nevím nevím

Tomáš Bartoň,2010-03-29 17:50:31

možná jsem velký skeptik, ale napsat "realistický model tohoto vývoje" je hodně odvážné. Žádný soudobý počítačový model vesmíru nemůže být realistický, nanejvýš jen hodně zjednodušeně pravděpodobný. Mimojiné samotný rozptyl hodnot kterými bychom možná rádi podepřeli jeho realističnost je stále tak velký že jde víceméně jen o odhad...

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace