Predavanje održano 6. novembra 2019. godine u gimnaziji u Zaječaru u okviru projekta "Apolo na mreži" koji realizuje AD Alfa uz podršku centra za promociju nauke.
Istorija ključ za okruzno takmicenje za 6. razred_2024
Evolucija zvezda i nastanak crnih rupa - kako smo videli nevidljivo
1. Evolucija zvezda
i nastanak crnih rupa
prva fotografija crne rupe - kako smo videli nevidljivo?
dr Milan Milošević
Departman za fiziku
Prirodno-matematički fakultet
Zaječar, 6. novembar 2019.
Projekat „Apolo na mreži“ realizuje AD „Alfa“
uz podršku Centra za promociju nauke
2. 2019. godina – godina jubileja
• 50 godina od sletanja Apola 11 na Mesec
• 30 godina od nastanka World Wide Web-a u CERN-u
• 50 godina nastanka interneta
• 100 godina pomračenja Sunca i provere OTR
• 100 godina Međunarodne astronomske unije
• Međunarodna organizacija profesionalnih astronoma
• 13680 članova, 107 država, 35 specijalizovanih komisija, 54
radnih grupa
• 150 godina Mendeljejevog periodnog sistema
elemenata Projekat „Apolo na mreži“ realizuje AD „Alfa“
uz podršku Centra za promociju nauke
3. Šta je to crna rupa?
• 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
• Džon Viler (1967) prvi put pojam „crna rupa“
• Grafički opis ideje koja je stara 200+ godina
4. Šta je to crna rupa?
• Prva ideja: Džon Mičel, 1783. godine (Kembridž)
• Ako je zvezda dovoljno masivna i gusta; smatrao je da postoji mnogo
takvih zvezda ali ne mogu da se vide već samo detektuje efekat njihove
gravitacije
• Slična ideja: Pjer Laplas, nekoliko godina kasnije
• Smatrao da malo znamo o prirodi svetlosti da bi mogli da pretpostavimo
kako na nju deluje gravitacija i da nije sasvim na mestu izjednačiti
svetlost sa topovskom đuladi u Njutnovoj teoriji gravitacije, jer je
brzina svetlosti konstantna
• Albert Ajnštajn, 1915. godine – Opšta teorija relativnosti
5. Skretanje svetlosti
• Pomračenje Sunca: 29. maj 1919. godine
• Britanski astronomi Frenk Dajson i Artur Edington
• Zapadna Afrika, ostrvo Prinsipe
(manje od dva ostrva države Sao Tome i Prinsipe, 136 km2, danas 5000 stanovnika)
• Prva ideja o skretanju svetlosti: Johan Džordž fon Soldner (1801), iz Njutnove
gravitacije
• Prvi Ajnštajnovi proračuni (1911) – pogrešni (rezultati približni Njutnovoj teoriji)
• Pokušaj merenja pomračenje 1912. god. iz Brazila – oblačno!
• Očekivani rezultati – gravitaciono sočivo, skretanje 1,75 lučnih sekundi
(2 puta više od Njutnove teorije gravitacije)
13. Nukleosinteza
▪ Prva ideja – elementi nastali kad i svemir
▪ H i He – najrasprostranjeniji (ostali samo 2% mase
Sunčevog sistema); sledeći O i C.
▪ Artur Edington (1920) – prva ideja o fuziji vodonika u
zvezdama; mogu i ostali – slabo prihvaćena ideja.
▪ Hans Bete (1938) – nuklearne reakcije --> kako sija Sunce
▪ Fred Hojl – nastanak težih elemenata
▪ E. Margaret Burbidge, G. R. Burbidge, William A. Fowler, and F.
Hoyle, Synthesis of the Elements in Stars, Rev. Mod. Phys. 29,
547 (1957) https://doi.org/10.1103/RevModPhys.29.547
14. Nukleosinteza
▪ Veliki prasak (H, He, Li, Be)
• 100-300 sekundi nakon Velikog praska
▪ Nukleosinteza u zvezdama:
• p-p ciklus, 3-alfa-proces, CNO ciklus, s-proces,
fotodezintegracija
▪ „Eksplozivna“ nukleosinteza
• Tokom supernova
▪ Sudar neutronskih zvezda
• Glavni izvor r-procesa
▪ Kosmičko zračenje
26. Proton-protonski ciklus
1 1 2
eH H H e +
+ → + +
2 1 3
H H He + → +
3 3 4 1 1
He He He H H + → + + +
1 4
4( ) 2 eH He → + +
27. Koliko energije?
▪ Precizni eksperimenti na Zemlji - određene mase
svih čestica u p-p ciklusu
▪ 4 protona - 6,6943◦10-27kg
▪ jezgro helijuma - 6,6466◦10-27kg
▪ defekt mase - 0,048◦10-27kg => 4,3◦10-12J (26,7 MeV)
▪ 1 kg vodonika => 6,4◦1013 J (više nego dovoljno)
▪ svake sekunde 700 miliona tona vodonika fuzijom
prelazi u 695 miliona tona helijuma, a od 5 miliona
tona nastaje energija
▪ 1 sekunda = 500000 godina potrošnje na Zemlji!
28.
29. Početak kraja
⚫ “Sagorevanje” vodonika u ljusci oko
jezgra
⚫ Jezgro
⚫ Temperatura 100 miliona stepeni
⚫ “sagorevanje” helijuma
⚫ “pepeo”: ugljenik i kiseonik
⚫ Zvezda raste, površina hladi
⚫ Zapremina oko milijardu puta veća
⚫ Crveni džin
30. Crveni džin
▪ Aldebaran (Bik)
• 15 najsjajnijih zvezda, 15x veći od Sunca; orbita Merkura
▪ Antares (Škorpija)
• 13. po sjaju, 12000x sjajniji od Sunca, ¾ rastojanja do Jupitera
▪ Betelgez (Orion)
• 11. po sjaju, 15000x sjajniji od Sunca, 20x veća masa
35. ▪ Brzina:
• 20 solarnih masa
• vodonik - 10 miliona god.
• helijum – milion godina
• Ugljenik – 1000 godina
• Kiseonik – 1 godina
• Silicijum → gvozdeno jezgro za 1
dan
▪ Temperatura raste
• 700 miliona – ugljenik
• milijardu – kiseonik
• 3 milijarde – silicijum
▪ Inertno gvožđe!
Velike brzo žive...
36. Fuzija vodonika i helijuma
▪ Proton-protonski ciklus, temperatura 107K
▪ Tri-alfa proces, temperatura 108K
8
4 Be
37. Fuzija ugljenika
▪ Temperatura 109K
▪ Teža jezgra → veći broj protona → ogromne temperature
▪ Fuzija ugljenik-helijum, temperatura 6·108K
16O + 16O → 32S + energija
16O + 4He → 20Ne + energija
▪ proces zahvata helijuma
39. Nije sve tako jednostavno
▪ Helijum nije jedini element koji
učestvuje u fuzionim reakcijama
sa drugim elementima
▪ Emisija i apsorpcija protona i
neutrona
▪ Kad se pojavi silicijum – temperatura 3·109K
▪ Razaranje jezgara, gama zracima, na jezgra helijuma
(fotodisintegracija)
▪ Ne samo da uništava silicijum, omogućava nastanak težih
jezgara
40. ▪ Silicijum zahvata neku od nastalih alfa-čestica
▪ Proces u nekoliko etapa, konačno
28Si + 7(4He) → 56Ni + energija
▪ Alfa-proces
▪ nikl-56 → kobalt-56 → gvožđe-56
▪ gvožđe-56 „najjače“ vezano
atomsko jezgro
• 26 protona, 30 neutrona
• Najveća energija veze jezgra
• Nagomilava u jezgru zvezde
• Elementi grupe gvožđa – veća rasprostranjenost
41. Supernova
▪ Udarni talas – brzina nekoliko desetina
hiljada km/s
▪ Eksplozija – odbacivanje spoljašnjih slojeva
▪ Ogromna oslobođena energija
▪ Sjajnija od galaksije!
▪ Bljesak svetlosti jednak sjaju milijardi
Sunaca i taj sjaj dostiže za nekoliko sati.
▪ Ista zvezda može postati nova nekoliko
puta, ali zvezda može biti supernova
samo jednom!
SN 2006gy
44. Elementi teži od gvožđa
▪ Zahvat neutrona
▪ Neutroni – sporedni produkti nuklearnih reakcija
▪ Nemaju naelektrisanje – nema odbojnih sila
▪ „Spajanje“ sa gvožđem → izotop veće mase
▪ S-proces (slow neutron capture)
• Jezgro postaje nestabilno, raspada se
56Fe + n → 57Fe
57Fe + n → 58Fe
58Fe + n → 59Fe
• 59Fe – radioaktivno, raspada se na kobalt-59, stabilan
• Svaki uspešan zahvat – oko godinu dana, nestabilna jezgra imaju
dovoljno vremena da pređu u stabilna
• Nastali: olovo, bakar, srebro, zlato
45. Najteži elementi
▪ S-proces – do bizmuta-209 (najteži neradioaktivan element)
▪ Ne može torijum, uran, plutonijum
▪ S-proces nemoguć – novo jezgro raspada za kraće vreme nego
što je potrebno za nastanak
▪ r-proces (rapid)
• prvih 15 minuta eksplozije, broj slobodnih neutrona raste
▪ Stopa zahvata neutrona – velika
▪ Najteži elementi nastaju nakon smrti matične zvezde
▪ Rasprostranjenost oko milijardu puta manja nego vodonika i
helijuma
46. Svaki atom na Zemlji...
... nekada je bio deo jedne
zaboravljene zvezde!
51. Prvi kandidat Cygnus X-1
• Dvojni sistem, najveći deo zračenja emituje u X
spektru
• Prvi kandidat Cygnus X-1
• Otkrili: Čarls Bolton i Pol Murdin (1972)
55. Sudar dve neutronske
zvezde
• Gravitacioni talasi
• GW170817
• GW170814
• GW170104
• GW151226
• GW150914
• ….
• Nobelova nagrada iz fizike
• za 2017. godinu
60. A može i ovako…
• Simulacija crne rupe objavljena 1979. godine
(autor Jean-Pierre Luminet)
61. 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
62. Kako znamo da postoje?
• 𝐹𝑒 𝐾𝛼 linija u spektru
Fabian, A. C. 2006, AN, 327, 943
Tanaka et al, 1995, Nature, 375, 659
63. Kako znamo da postoje?
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.
64. Galaksija M87
Image credit: NASA/JPL-Caltech/IPAC/Event Horizon Telescope Collaboration
NASA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
65. Galaksija M87
• Daljina 52 miliona svetlosnih godina
• Dimenzije 125.000 x 100.000 s.g.
• Masa 2,6 ∙ 1012 𝑀⨀, 4,5 puta masivnija od
naše galaksije
• „jet“ (mlaz) 5.000 s.g.
• Ogroman broj zbijenih jata, 12.000; u
Mlečnom putu 150-200
66. Kako videti SMBH?
• Da bi kroz teleskop videli neki objekat potrebno
je da prividne dimenzije tog objekta budu veće
od razdvojne moći teleskopa
• Prosečne SMBH - otprilike 10x manja od
mikrolučne sekunde!
• Takvim teleskopom mogla da se vidi jabuka na
površini Meseca
sin 𝛼 = 1,22
𝜆
𝐷
𝛼 =
138
𝐷
Za male uglove i VIS, 𝜆 = 550 𝑛𝑚
𝐷 u milimetrima
68. Teleskop veličine Zemlje
• Takav optički teleskop ne postoji
• Radio teleskop, tačnije radio interferometar
• Početak 1946. godine
• 1970-tih mogućnost povezivanja prijema radio
signala iz celog sveta
• Povezivanje antena zamenilo sinhronizovano
spajanje snimljenih signala (korelacija)
Iztok Bončina/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
69. Teleskop veličine Zemlje
• Event Horizon Teleskop, radi od 2007. godine
• 8 radio teleskopa koji se nalaze na različitim kontinentima
• Atacama Large
Millimeter/submillimeter Array
(ALMA) u Čileu, South Pole Telescope
(SPT) na Antarktiku, IRAM 30 metarski
teleskop u Španiji itd.
• Mreža EHT teleskopa. Žutom bojom
označene su stanice koje su korišćene
2017. i 2018. godine, crvenom oni
teleskopi koji više nisu u upotrebi,
zeleno su označeni teleskopi koji su
se kasnije uključili u mrežu
71. Teleskop veličine Zemlje
• Rastojanja 160 m do 10.700 km
• Posle nekoliko godina pauze EHT ponovo uključen
4. aprila 2017. godine, posmatranje završilo 11. aprila
• Snimali su na talasnoj dužini 1,3 mm
• Za 5 dana svaki teleskop 900 TB podataka
• Obični HDD – 85% otkazalo zbog niskog pritiska
(korišćeni diskovi punjeni helijumom i zatvoreni hermetički)
72. Mnogo podataka ☺
• 200+ istraživača
• ½ tone hard diskova
• Opservatorija Mauna
Kea
• Oko 700 TB podataka
• 8000 km od MIT
• 50.400 sekundi (kamion +
avion)
• Brzina: 14 gigabajta/s (tj.
112 gigabita/s)
• Najbrži internet: nekoliko
gigabita/s ☺
73. Obrada podataka
• Obrada i analize sačuvanih podataka pomoću
superračunara
• Max Planck institutu za radio astronomiju u Bonu,
Nemačka,
• MIT Haystack opservatoriji u SAD.
• Na ovakav način EHT
postiže oko 2000 puta
bolju rezoluciju od
teleskopa Habl.
74. Obrada podataka
https://arxiv.org/abs/1512.01413
Katherine L. Bouman, Michael D. Johnson, Daniel Zoran, Vincent L. Fish, Sheperd S. Doeleman, William T.
Freeman, Computational Imaging for VLBI Image Reconstruction,
IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), 2016, pp. 913-922
76. SMBH
• Serije “fotografija” snimane 5, 6, 10 i 11 aprila 2017.
godine, a svaka serija snimana je između 3 i 7 minuta.
• Jasno uočljiv sjajan prsten sa tamnom centralnom
oblašću.
• Prečnik prstena iznosi 42, a debljina manje od 20
mikro-lučnih sekundi.
• Upoređivanjem dobijenih fotografija sa simulacijama
dobijnim na osnovu magnetohidrodinamičke teorije
relativnosti (GRMHD) - tzv. Kerova crnoj rupi, tj.
nenaelektrisanoj crnoj rupi koja rotira oko centralne
ose.
• Procenjeno da horizont događaja ima dimenzije od 3,8
mikro-lučnih sekundi i da crna rupa rotira u smeru
kazaljke na satu.
78. SMBH u M87
• Procena mase ove crne rupe, na osnovu ranijih
posmatranja, kretala se u intervalu od 3,5 do 7,22
milijarde masa Sunca
• Na osnovu posmatranja EHT procenjeno da masa prve
snimljene crne rupe iznosi 6,5 milijardi masa Sunca.
81. Pitanja?
• dr Milan Milošević
Departman za fiziku
Prirodno-matematički fakultet
• mmilan@svetnauke.org
www.facebook.com/mmilan
www.linkedin.com/in/mmilann/
• Svet nauke
www.svetnauke.org
www.facebook.com/svetnauke.org
• Astronomsko društvo Alfa
www.alfa.org.rs
www.facebook.com/alfa.nis
• Departman za fiziku PMF-a
http://fizika.pmf.ni.ac.rs
www.facebook.com/fizika.nis Projekat „Apolo na mreži“ realizuje AD „Alfa“
uz podršku Centra za promociju nauke