COSMOLOGIA : PANORAMA ATUAL E DESAFIOS

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1 COSMOLOGIA : PANORAMA ATUAL E DESAFIOS The less one knows about the universe, the easier it is to explain L. Brunschvicg Ioav Waga Instituto de Física 1 Universidade Federal do Rio de Janeiro

2 O Universo por volta de 1900 d.c. Sistema Solar 30,000 anos luz William Herschel ( )

3 Questão chave há 100 anos! Qual é a natureza das nebulosas espirais? Objetos em nossa própria galáxia? Objetos distantes semelhantes à Via Láctea? Andrômeda

4 Heber D. Curtis x Harlow Shapley H. D. Curtis H. Shapley

5 Hubble e a descoberta de galáxias Hubble observa uma variável Cefeida em Andrômeda. Andrômeda Edwin Powel Hubble: 20/11/ /9/1953

6 Hubble e a descoberta de galáxias Em 1912 Henrietta Swan Leavitt, uma astrônoma do Harward College Observatory, observou uma correlação entre a luminosidade absoluta média de estrelas do tipo cefeida e o período de sua variação. Henrietta Swan Leavitt Quanto maior o período maior a luminosidade.

7 Hubble e a descoberta de galáxias 7

8 Vela Padrão O fluxo de energia é proporcional à luminosidade e inversamente proporcional ao quadrado da distância. 0,5 metro 1,0 metro

9 Hubble e a descoberta de galáxias Hubble no telescópio Schmidt no monte Palomar, Califórnia Portanto, medindo o período de variação e o fluxo de energia da cefeida, Hubble pode determinar a nossa distância à Andrômeda. Sabia-se à época que o raio da nossa galáxia é bem menor que o valor obtido por Hubble. Hoje sabemos que a distância à Andrômeda é ~ parsecs. (1pc=3,26 anos-luz) O raio da nossa galáxia é ~ parsecs. A conclusão era inescapável: Andrômeda é de fato uma galáxia espiral semelhante à nossa e que está fora da Via Láctea.

10 ANDRÔMEDA

11 Um esquema de nossa galáxia

12 12

13 13

14 14

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16 Idade

17 Idade Universo ~ 14 bilhões de anos

18 Idade Universo ~ 14 bilhões de anos Terra 4,5 bilhões de anos (45 anos)

19 Idade Universo ~ 14 bilhões de anos Terra 4,5 bilhões de anos (45 anos) Primeiras formas de vida (35 anos atrás)

20 Idade Universo ~ 14 bilhões de anos Terra 4,5 bilhões de anos (45 anos) Primeiras formas de vida (35 anos atrás) A vida nos oceanos florece abundantemente (6 anos atrás)

21 Idade Universo ~ 14 bilhões de anos Terra 4,5 bilhões de anos (45 anos) Primeiras formas de vida (35 anos atrás) A vida nos oceanos florece abundantemente (6 anos atrás) Plantas e animais na terra (4 anos atrás)

22 Idade Universo ~ 14 bilhões de anos Terra 4,5 bilhões de anos (45 anos) Primeiras formas de vida (35 anos atrás) A vida nos oceanos florece abundantemente (6 anos atrás) Plantas e animais na terra (4 anos atrás) Dinossauros atingem o máximo 1 ano atrás e desaparecem há ~ 4 meses.

23 Idade Universo ~ 14 bilhões de anos Terra 4,5 bilhões de anos (45 anos) Primeiras formas de vida (35 anos atrás) A vida nos oceanos florece abundantemente (6 anos atrás) Plantas e animais na terra (4 anos atrás) Dinossauros atingem o máximo 1 ano atrás e desaparecem há ~ 4 meses. Os primeiros humanóides aparecem na última semana.

24 Idade Universo ~ 14 bilhões de anos Terra 4,5 bilhões de anos (45 anos) Primeiras formas de vida (35 anos atrás) A vida nos oceanos florece abundantemente (6 anos atrás) Plantas e animais na terra (4 anos atrás) Dinossauros atingem o máximo 1 ano atrás e desaparecem há ~ 4 meses. Os primeiros humanóides aparecem na última semana. A nossa espécie (homo sapiens) só surge há 4 horas.

25 Idade Universo ~ 14 bilhões de anos Terra 4,5 bilhões de anos (45 anos) Primeiras formas de vida (35 anos atrás) A vida nos oceanos florece abundantemente (6 anos atrás) Plantas e animais na terra (4 anos atrás) Dinossauros atingem o máximo 1 ano atrás e desaparecem há ~ 4 meses. Os primeiros humanóides aparecem na última semana. A nossa espécie (homo sapiens) só surge há 4 horas. A agricultura foi inventada na última hora.

26 Idade Universo ~ 14 bilhões de anos Terra 4,5 bilhões de anos (45 anos) Primeiras formas de vida (35 anos atrás) A vida nos oceanos florece abundantemente (6 anos atrás) Plantas e animais na terra (4 anos atrás) Dinossauros atingem o máximo 1 ano atrás e desaparecem há ~ 4 meses. Os primeiros humanóides aparecem na última semana. A nossa espécie (homo sapiens) só surge há 4 horas. A agricultura foi inventada na última hora. O Brasil foi descoberto há 3 minutos.

27 Os 3 pilares básicos da Cosmologia 1. A expansão do universo

28 A expansão do Universo e a lei de Hubble Percival Lowell 1901, Vesto M. Slipher é contratado para trabalhar no Observatório Lowell. durante mais de 10 anos ele analisou o espectro da luz vinda de estrelas e nebulosas.

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30 Espectro contínuo fenda Prisma Tela Lâmpada Espectro contínuo + linhas de absorção Fótons reemitidos fenda Prisma Tela Lâmpada Gás frio

31 Espectro contínuo Tela Prisma Lâmpada vermelho verde violeta linhas de emissão Prisma Tela Hidrogênio aquecido

32 Espectro de emissão de alguns elementos conhecidos

33 Hidrogênio Espectro de emissão de alguns elementos conhecidos

34 Espectro de emissão de alguns elementos conhecidos Hidrogênio Sódio

35 Espectro de emissão de alguns elementos conhecidos Hidrogênio Sódio Hélio

36 Espectro de emissão de alguns elementos conhecidos Hidrogênio Sódio Hélio Neônio

37 Hidrogênio Sódio Hélio Neônio Mercúrio Espectro de emissão de alguns elementos conhecidos

38 A expansão do Universo e a lei de Hubble Em 1912 Slipher percebeu que as linhas espectrais de Andrômeda estavam no lugar errado, elas estavam deslocadas para o azul (maior frequência). V. M. Slipher

39 A expansão do Universo e a lei de Hubble Em 1912 Slipher percebeu que as linhas espectrais de Andrômeda estavam no lugar errado, elas estavam deslocadas para o azul (maior frequência). V. M. Slipher Como interpretar o resultado de Slipher?

40 A expansão do Universo e a lei de Hubble Efeito Doppler Christian Doppler

41 A expansão do Universo e a lei de Hubble Efeito Doppler desvio z = para o vermelho = velocidade da fonte velocidade da luz = f ref fonte f obs f obs C = km/seg Válido para v muito menor que c Christian Doppler

42 A expansão do Universo e a lei de Hubble Efeito Doppler desvio z = para o vermelho = velocidade da fonte velocidade da luz = f ref fonte f obs f obs C = km/seg Válido para v muito menor que c Christian Doppler Portanto a interpretação do resultado de Slipher é que Andrômeda está se aproximando de nós.

43 NGC

44 Hidrogênio α Intensidade relativa Comprimento de onda (Angström)

45 Hidrogênio α Variação de λ Intensidade relativa Comprimento de onda (Angström)

46 Hidrogênio α Variação de λ Intensidade relativa Comprimento de onda (Angström)

47 Intensidade relativa Hidrogênio β Comprimento de onda (Angström)

48 A expansão do Universo e a lei de Hubble V. M. Slipher A velocidade de Andrômeda estimada por Slipher foi de, aproximadamente, 300km/seg. Em 1915 ele já tinha 40 medidas de espectro de nebulosas com 15 velocidades estimadas, número que sobe para 25 em Contrariamente ao que fora observado em Andrômeda a grande maioria apresentava velocidades positivas. Por exemplo, das 41 nebulosas com desvio para o vermelho medido em 1923, apenas 5 (incluindo Andrômeda) aproximavam-se de nós.

49 Teoria primeiro modelo cosmológico relativista - modelo de Einstein. características principais: homogêneo, isotrópico, curvatura positiva e estático. constante cosmológica (Λ) The most important fact that we draw from experience is that the relative velocities of the stars are very small as compared with the velocity of light. A. Einstein Albert Einstein

50 Modelo de Friedmann- Lemaître Aleksander Aleksandrovich Friedmann (russo) obtem soluções expansionistas das equações de Einstein. O modelo de Friedmann é considerado hoje o modelo padrão da cosmologia. A. A. Friedmann Características principais: homogeneidade, isotropia (em relação a qualquer ponto) e expansão.

51 Modelo de Friedmann- Lemaître Aleksander Aleksandrovich Friedmann (russo) obtem soluções expansionistas das equações de Einstein. O modelo de Friedmann é considerado hoje o modelo padrão da cosmologia. A. G. A. Lemaître Friedmann Características principais: homogeneidade, isotropia (em relação a qualquer ponto) e expansão.

52 Curvatura espacial positiva Curvatura espacial nula Curvatura espacial negativa

53 A expansão do Universo e a lei de Hubble Em 1929 e nos anos subsequentes Hubble sistematicamente estende suas medidas de distância, e usando desvios para o vermelho medidos por Humason, coloca sobre uma base firme a validade da relação que viria a se chamar Lei de Hubble Milton Humason e Hubble

54 A lei de Hubble. [Hubble (1929)]

55 A lei de Hubble. V (km/sec) distance (Mpc) [Hubble (1929)] [Hubble & Humason (1931)]

56 Algumas Questões Para onde estão as galáxias se expandindo? Onde está o centro do Big-Bang? O sistema solar está em expansão? A velocidade com que o Universo está se expandindo aumenta, diminui ou permanece constante? Irá o Universo expandir-se para sempre ou haverá no futuro uma contração?

57 Para onde estão as galáxias se expandindo? Não Sim

58 Onde está o centro do Big-Bang? Não há um centro do Universo. Todos os pontos são centrais.

59 A expansão do Universo Separação entre galáxias Acelerado Desacelerado sem recolapso Desacelerado com recolapso tempo Kolb

60 Os 3 pilares básicos da Cosmologia 2. A formação de elementos leves

61 A formação de elementos leves Alpher Bethe Gamov Herman Em 1946, Alpher, Bethe e Gamov sugeriram a Delter possibilidade de que todos os elementos químicos teriam sido gerados através de uma longa cadeia de captura de nucleons em 1 Universo primordial em expansão e que estaria esfriando-se. O esquema falha pois não há elementos leves estáveis com número de massa 5 e 8.

62 A formação de elementos leves Nucleosíntese Primordial p n 2 H p 3 He n 4 He

63 A formação de elementos leves Nucleosíntese Primordial p n 2 H p 3 He n 4 He 9 Be 6 Li 7 Li 1 H 2 H 4 He 3 He A=5 A=8

64 A formação de elementos leves Nucleosíntese Primordial p n 2 H p 3 He n 4 He 9 Be 6 Li 7 Li 1 H 2 H 4 He 3 He A=5 A=8

65 A formação de elementos leves Nucleosíntese Primordial p n 2 H p 3 He n 4 He 9 Be 6 Li 7 Li 1 H 2 H 4 He 3 He A=5 A=8

66 A formação de elementos leves Nucleosíntese Primordial p n 2 H p 3 He n 4 He 9 Be 6 Li 7 Li 1 H 2 H 4 He 3 He A=5 A=8

67 A formação de elementos leves Nucleosíntese Primordial p n 2 H p 3 He n 4 He 9 Be 6 Li 7 Li 1 H 2 H 4 He 3 He A=5 A=8

68 A formação de elementos leves Nucleosíntese Primordial p n 2 H p 3 He n 4 He + 2 He (Raro) 9 Be 6 Li 7 Li 1 H 2 H 4 He 3 He A=5 A=8

69 A formação de elementos leves Nucleosíntese Primordial Predições da teoria: Forma, essencialmente, Hydrogênio & 4 Hélio Também forma 2 H, 3 He, Li. Depende da razão entre prótons e neutrons à época e da taxa de decaimento do neutron. Razão (p:n) ~ 7:1 Abundância (por massa) de hélio ~ 25% do total. p n 1 H p 2 H 4 He 3 He n 2 H A=5 6 Li 7 Li 3 He + 2 He (Raro) A=8 9 Be 4 He

70 A formação de elementos leves Nucleosíntese Primordial Predições da teoria: Forma, essencialmente, Hydrogênio & 4 Hélio Também forma 2 H, 3 He, Li. Depende da razão entre prótons e neutrons à época e da taxa de decaimento do neutron. Razão (p:n) ~ 7:1 Abundância (por massa) de hélio ~ 25% do total. p n 1 H p 2 H 4 He 3 He n 2 H A=5 6 Li 7 Li 3 He + 2 He (Raro) Predições estão baseadas em física bem conhecida A=8 9 Be 4 He

71 A formação de elementos leves Nucleosíntese Primordial As observações estão em excelente acordo com as previsões teóricas. Forte suporte ao modelo padrão da Cosmologia Abundância Relativa He D Li ~25% Ω B = ρ B ρ cr ; hoje ρ cr 5 prótons/m Densidade Atual de Bárions Ω B h 2 H 0 = 100km / seg Mpc 1

72 A formação de elementos leves Nucleosíntese Primordial As observações estão em excelente acordo com as previsões teóricas. Forte suporte ao modelo padrão da Cosmologia Abundância Relativa He D Li ~25% Valor Predito Ω B = ρ B ρ cr ; hoje ρ cr 5 prótons/m Densidade Atual de Bárions Ω B h 2 H 0 = 100km / seg Mpc 1

73 A formação de elementos leves Nucleosíntese Primordial As observações estão em excelente acordo com as previsões teóricas. Forte suporte ao modelo padrão da Cosmologia Ω B = ρ B ρ cr ; hoje ρ cr 5 prótons/m 3 H 0 = 100km / seg Mpc 1 Abundância Relativa Valor Observado Valor Predito He ~25% D Li Densidade Atual de Bárions Ω B h 2

74 A formação de elementos leves Nucleosíntese Primordial As observações estão em excelente acordo com as previsões teóricas. Forte suporte ao modelo padrão da Cosmologia Ω B = ρ B ρ cr ; hoje ρ cr 5 prótons/m 3 H 0 = 100km / seg Mpc 1 Abundância Relativa Valor Observado Valor Predito He ~25% D Li Densidade Atual de Bárions Ω B h 2

75 A formação de elementos leves Nucleosíntese Primordial As observações estão em excelente acordo com as previsões teóricas. Forte suporte ao modelo padrão da Cosmologia Ω B = ρ B ρ cr ; hoje ρ cr 5 prótons/m 3 H 0 = 100km / seg Mpc 1 Abundância Relativa Valor Observado Valor Predito He ~25% D Li Densidade Atual de Bárions Ω B h 2

76 A formação de elementos leves Nucleosíntese Primordial As observações estão em excelente acordo com as previsões teóricas. Forte suporte ao modelo padrão da Cosmologia Ω B = ρ B ρ cr ; hoje ρ cr 5 prótons/m 3 H 0 = 100km / seg Mpc 1 Abundância Relativa Valor Observado He D Li ~25% Valor Predito Região permitida Densidade Atual de Bárions Ω B h 2

77 Inventário Cósmico Um Universo muito muito estranho! Energia Escura ~70% Matéria Ordinária ~5% Matéria Escura Fria ~25% Ω i = ρ i ρ cr q Fótons (CMB) Ω fótons ~ (0.005%) q Neutrinos Ω neutrinos ~ (0.4%) q Matéria em estrelas Ω lum ~ (0.5%) q H & He (Gás) Ω gás ~ 0.04 (4%) q Matéria Escura Fria (não bariônica) Ω M ~ 0.25 (25%) q Energia Escura Ω Λ ~ 0.70 (70%)

78 Matéria Escura If it is not DARK, it doesn t MATTER Anonymous Fritz Zwicky, em 1933, mostrou que a materia visivel constitui somente uma pequena fracao de toda a massa do Universo. Fritz Zwicky Ele mediu a velocidade radial de 8 galáxias no aglomerado de Coma e, estimando a dispersão de velocidade, concluiu que a densidade média de matéria era 400 vezes (50) maior do que a densidade estimada pelas observações de matéria luminosa. Essa discrepância ficou conhecida como o problema da massa faltante.

79 Curvas de Rotação de Galáxias Espirais Curvas de Rotação planas -- encontradas em todas as espirais. Total (estrelas +gás + ME) v~const. para 2-8 R L Vera Rubin

80 Evidências para Matéria Escura Ø Dinâmica de galáxias. Ø Curvas de rotação de galáxias espirais. Ø Lentes Gravitacionais

81 Evidências para Matéria Escura Ø Dinâmica de galáxias. Ø Curvas de rotação de galáxias espirais. Ø Lentes Gravitacionais

82 How to Detect DM? arxiv: census of present and upcoming Dark Matter-related experiments. Black points denote the location of high energy neutrino telescopes; Dark-blue points are for gamma-ray Air Cherenkov Telescopes, while light-blue points are for other ground-based gamma-ray observatories. Red points are for underground laboratories hosting existing and upcoming direct detection experiments. Yellow points show the location of the Fermilab s Tevatron, and the upcoming Large Hadron Collider at CERN.

83 Detecting DM CDMS2 Direct Detection LHC Accelerators Indirect Detection

84 Direct Detection

85 Direct Detection ρ 0.3 GeV cm3 km v 220 s f 107 GeVcm-2 s-1 m χ = 100 GeV } 109 χ s cross our body

86 Direct Detection

87 Direct Detection χ χ Ge N

88 Direct Detection χ T= 1 2 χ m χ v 2 27keV Ge N

89 Earth Sun Milky Way

90 ve = 220 km/s ( , 07 cos[w(t t 0 )]) w = 2 π / year t 0 = 152.5day June 2 nd

91 Particle Dark Matter in DAMA/LIBRA R. Bernabei a, P. Belli a,f.cappella b,r.cerulli c, C.J. Dai d, A. d Angelo b, H.L. He d,a.incicchitti b, X.M. Ma d,f.montecchia a,e,f.nozzoli a, D. Prosperi b,1, X.D. Sheng d, Z.P. Ye d,f and R.G. Wang d Abstract The present DAMA/LIBRA experiment and the former DAMA/NaI have cumulatively released so far the results obtained with the data collected over 13 annual cycles (total exposure: 1.17 ton yr). They give a model independent evidence of the presence of DM particles in the galactic halo on the basis of the DM annual modulation signature at 8.9 σ C.L. for the cumulative exposure. arxiv: kev Residuals (cpd/kg/kev) DAMA/LIBRA! 250 kg (0.87 ton"yr) Time (day) Experimental model-independent residual rate of the single-hit scintillation events, measured by DAMA/ LIBRA-1,2,3,4,5,6 in the (2 6) kev energy interval as a function of the time [6, 7]. The zero of the time scale is January 1st of the first year of data taking of the former DAMA/NaI experiment. The experimental points present the errors as vertical bars and the associated time bin width as horizontal bars. The superimposed curve is the cosinusoidal function behavior Acosω(t t0) with a period T = 2π/w = 1 yr, with a phase t0 = day (June 2nd) and with modulation amplitude, A, equal to the central value obtained by best fit over the whole data including also the exposure previously collected by the former DAMA/NaI experiment. The dashed vertical lines correspond to the maximum expected for the DM signal (June 2nd), while the dotted vertical lines correspond to the minimum.

92 Os 3 pilares básicos da Cosmologia 3. A existência de uma radiação cósmica de fundo de microondas

93 A Radiação Cósmica de Fundo descoberta: A. A. Penzias & R. W. Wilson, em 1965, Bell Laboratory interpretação: R. H. Dicke, P. J. E. Peebles, P. G. Roll e D. T. Wilkinson, em 1965, Princeton University Penzias e Wilson

94 Núcleos e elétrons livres Universo opaco Átomos Universo transparente Terra Superfície de último espalhamento (z ~1000)

95 A Radiação Cósmica de Fundo COBE 1992 Características principais: É uma radiação de corpo negro de microondas (T ~ 3 o K). A radiação é, altamente isotrópica ΔT/T ~ 1.2 x Contudo ela possui uma anisotropia dipolar, ΔT/T ~ 1.2 x 10-3, que decorre da nossa velocidade em relação ao referencial da radiação de fundo; v ~ 360 km/seg

96 ANISOTROPIAS COBE: US$ 600 M, (fim 1992) OBSERVAÇÕES COBE:

97 ANISOTROPIAS COBE: US$ 600 M, (fim 1992) OBSERVAÇÕES COBE:

98 ANISOTROPIAS COBE: US$ 600 M, (fim 1992) OBSERVAÇÕES COBE:

99 ANISOTROPIAS COBE: US$ 600 M, (fim 1992) OBSERVAÇÕES COBE: ΔT T 10 5

100 WMAP WMAP: US$ 150 M, (2003)

101 Planck

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105 Novas Idéias, Novas Observações e Desafios 61

106 Inflação Cósmica 1980 O Problem da chateza do universo (ou problema da entropia) Por que a densidade de energia era tão próxima a unidade no Universo primordial? Alan Guth O Problema do Horizonte Por que a RCF é tão uniforme?

107 O Problema do Horizonte (isotropia) t Ọ x t d B A t pl

108 O Problema do Horizonte (isotropia) t Ọ x t d B A t pl

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110 SN Ia - Evidência direta para a aceleração cósmica

111 SN Ia - Evidência direta para a aceleração cósmica Idéia básica: usar supernovas do tipo Ia como velas padrão

112 SN Ia - Evidência direta para a aceleração cósmica Idéia básica: usar supernovas do tipo Ia como velas padrão

113 Vela Padrão O fluxo de energia é proporcional à luminosidade e inversamente proporcional ao quadrado da distância. 0,5 metro f = L 4π D L 2 1,0 metro

114 SN Ia - Evidência direta para a aceleração cósmica

115 SN Ia - Evidência direta para a aceleração cósmica Idéia básica: usar supernovas do tipo Ia como velas padrão

116 SN Ia - Evidência direta para a aceleração cósmica Idéia básica: usar supernovas do tipo Ia como velas padrão Vantagens Problemas Luminosos ( L ο )~10 43 erg/s. Pequena dispersão Espera-se pouca evolução. Eventos Aleatórios. Rápidos, difícil de observar antes do máximo de luz. Raros, (3 x 10-5 SNIa Mpc -3 ano -1 ); ~ 1/500 anos/ galáxia Sne Ia atinge o máximo em poucos dias. Em alto z ela não pode mais ser detectada, mesmo em grandes telescópios, em um a dois meses.

117 Sne Ia como ferramenta para a The High-z Supernova Search Team (B. Schmidt et al Mt Stromlo Obs) cosmologia The Supernova Cosmology Project (S. Perlmutter et al - Berkeley)

118 Escrito nas estrelas O prêmio Nobel em Física de 2011 Saul Perlmutter Brian P. Schmidt Adam G. Riess

119 Supernova do tipo Ia Anã Branca Explosão resultante de uma detonação termonuclear de uma estrela Anã Branca.

120 SN Ia em NGC 4526

121 SN 1997ck é uma das supernovas mais distante até hoje descobertas. 4 de abril de de abril de 1997 SN 1997ck afasta-se com ~ 60% da velocidade da luz A luz dessa supernova leva 8 bilhões de anos para chegar a Terra

122

123 O Supernova Cosmology Project - Estratégia

124 Subtração de Imagem Época 1 Época 2 (High-z Supernova Team)

125 Subtração de Imagem Época 1 Época 2 Época 2 Época 1 (High-z Supernova Team)

126 m = M + 5log D L M = M 5 log H

127 Observações: Situação Atual Amanullah et al 2010

128 Conclusão Preliminar Os dados atuais indicam que a constante cosmológica é um excelente candidato para explicar a aceleração cósmica! É o modelo mais simples. Não há indicações, até o presente, de que tenha problemas com as observações.

129 Conclusão Preliminar Os dados atuais indicam que a constante cosmológica é um excelente candidato para explicar a aceleração cósmica! É o modelo mais simples. Não há indicações, até o presente, de que tenha problemas com as observações. Mas...

130 Do ponto de vista teórico, Λ é o melhor candidato para explicar a aceleração cósmica?

131 Os problemas da constante cosmológica I-Por que a densidade de energia do vácuo é tão pequena?

132 Os problemas da constante cosmológica I-Por que a densidade de energia do vácuo é tão pequena? Teoria e observação diferem por ordens de magnitude!!!

133 Os problemas da constante cosmológica I-Por que a densidade de energia do vácuo é tão pequena? Teoria e observação diferem por ordens de magnitude!!! Watson - "Is there any other point to which you would wish to draw my attention?" Holmes - "To the curious incident of the dog in the night-time." Watson - But Holmes, the dog did nothing in the night-time! " Holmes - "That was the curious incident." Sherlock Holmes in "The Adventure of Silver Blazes"

134 Os problemas da constante cosmológica II-Por que agora? Por que vivemos em uma época particular em que ρ Λ é comparável a ρ m? nr rad 1 Ω r Ω m curv Λ 0 Ω Λ Problema de ajuste fino das condições iniciais

135 Os problemas da constante cosmológica II- Coincidência Cósmica Εnergia Escura 70% 30% MNR a =1 Hoje

136 Os problemas da constante cosmológica II- Coincidência Cósmica Εnergia Escura 70% 30% MNR a =1/2 a =1 Hoje

137 Os problemas da constante cosmológica II- Coincidência Cósmica Εnergia Escura 70% 30% MNR a =1/5 a =1/2 a =1 Hoje

138 Os problemas da constante cosmológica II- Coincidência Cósmica Εnergia Escura 70% 30% MNR a =1/5 a =1/2 a =1 a =2 Hoje

139 Os problemas da constante cosmológica II- Coincidência Cósmica Εnergia Escura 70% 30% MNR a =1/5 a =1/2 a =1 a =2 a =5 Hoje

140 Qual é a natureza da energia escura? Existem alternativas a Λ?

141 Qual é a natureza da energia escura? Existem alternativas a Λ? Para explicar a aceleração cósmica, algumas propostas modificam as equações de Einstein de duas formas:

142 Qual é a natureza da energia escura? Existem alternativas a Λ? Para explicar a aceleração cósmica, algumas propostas modificam as equações de Einstein de duas formas: a) lado esquerdo (Gravitação Modificada) (m) G + L (g )= κ T µν µν µν µν

143 Qual é a natureza da energia escura? Existem alternativas a Λ? Para explicar a aceleração cósmica, algumas propostas modificam as equações de Einstein de duas formas: a) lado esquerdo (Gravitação Modificada) (m) G + L (g )= κ T µν µν µν µν b) lado direito (Nova componente) (m) G = κ T + Tµν (φ) µν µν

144 Qual é a natureza da aceleração cósmica? Quintessência - Freezing (Tracker) (dw/dlna <0) x Thawing (dw/dlna >0) K-essência Problema: bacia de atração pequena. Quartessência Problemas com espectro de potência de massa ; necessário perturbação de entropia tal que δp=0 ; Possível problema com lensing skewness. Interação Matéria Escura & Energia Escura Teorias f(r) Brane Cosmology - Dimensões Extras; Modelos Inomogêneos - (Lemaitre -Tolman - Bondi).

145 Gravitação Modificada ou Nova Componente?

146 Gravitação Modificada ou Nova Componente? n 1781 Descoberta de Urano por Herschel. n 1781 Observações mostram que a órbita de Urano não segue perfeitamente a trajetória Newtoniana. Herschel n 1843 Adams prevê que o desvio seja fruto de um planeta ainda não descoberto. n JC Adams 1846 Le Verrier independentemente também prevê a posição de um planeta escuro (Nova Componente). Urbain Le Verrier, n 1846 Galle e d'arrest descobrem Netuno à menos de um minuto de arco do cálculo de Le Verrier. Galle

147 Gravitação Modificada ou Nova Componente? n 1859 Le Verrier nota que a órbita de Mercúrio estaria em conflito com a TG Newton e postula um planeta Vulcano. n Diversas falsas descobertas de Vulcano são noticiadas. Novas e melhores medidas: ao menos dois outros planetas seriam necessários! n Visão minoritária: teorias de gravidade modificada. Todas falham. n 1915 Einstein resolve o dilema: Relatividade Geral (Gravitação Modificada).

148 Como decidir?

149 EuclidWFIRST

150 Maiores Avanços e Sucessos da Cosmologia no Século XX

151 Maiores Avanços e Sucessos da Cosmologia no Século XX Relatividade Geral como teoria de gravitação ; existência de um quadro autoconsistente.

152 Maiores Avanços e Sucessos da Cosmologia no Século XX Relatividade Geral como teoria de gravitação ; existência de um quadro autoconsistente. Expansão do Universo e a lei de Hubble (1929).

153 Maiores Avanços e Sucessos da Cosmologia no Século XX Relatividade Geral como teoria de gravitação ; existência de um quadro autoconsistente. Expansão do Universo e a lei de Hubble (1929). Alpher, Herman e Gamov fazem a previsão da existência de uma RCF de 3 o K.

154 Maiores Avanços e Sucessos da Cosmologia no Século XX Relatividade Geral como teoria de gravitação ; existência de um quadro autoconsistente. Expansão do Universo e a lei de Hubble (1929). Alpher, Herman e Gamov fazem a previsão da existência de uma RCF de 3 o K. Descoberta da RCF por Penzias e Wilson (1964).

155 Maiores Avanços e Sucessos da Cosmologia no Século XX Relatividade Geral como teoria de gravitação ; existência de um quadro autoconsistente. Expansão do Universo e a lei de Hubble (1929). Alpher, Herman e Gamov fazem a previsão da existência de uma RCF de 3 o K. Descoberta da RCF por Penzias e Wilson (1964). Previsão da nucleosíntese primordial (Alpher, Bethe e Gamov ). Concordância da teoria com as observações.

156 Maiores Avanços e Sucessos da Cosmologia no Século XX Relatividade Geral como teoria de gravitação ; existência de um quadro autoconsistente. Expansão do Universo e a lei de Hubble (1929). Alpher, Herman e Gamov fazem a previsão da existência de uma RCF de 3 o K. Descoberta da RCF por Penzias e Wilson (1964). Previsão da nucleosíntese primordial (Alpher, Bethe e Gamov ). Concordância da teoria com as observações. Previsão da existência de matéria escura (não bariônica) e seu papel na formação de estruturas.

157 Maiores Avanços e Sucessos da Cosmologia no Século XX Relatividade Geral como teoria de gravitação ; existência de um quadro autoconsistente. Expansão do Universo e a lei de Hubble (1929). Alpher, Herman e Gamov fazem a previsão da existência de uma RCF de 3 o K. Descoberta da RCF por Penzias e Wilson (1964). Previsão da nucleosíntese primordial (Alpher, Bethe e Gamov ). Concordância da teoria com as observações. Previsão da existência de matéria escura (não bariônica) e seu papel na formação de estruturas. Inflação cósmica e o problema das condições iniciais no Universo (Guth 1980). Origem das flutuações de densidade para a formação de estruturas.

158 Maiores Avanços e Sucessos da Cosmologia no Século XX Relatividade Geral como teoria de gravitação ; existência de um quadro autoconsistente. Expansão do Universo e a lei de Hubble (1929). Alpher, Herman e Gamov fazem a previsão da existência de uma RCF de 3 o K. Descoberta da RCF por Penzias e Wilson (1964). Previsão da nucleosíntese primordial (Alpher, Bethe e Gamov ). Concordância da teoria com as observações. Previsão da existência de matéria escura (não bariônica) e seu papel na formação de estruturas. Inflação cósmica e o problema das condições iniciais no Universo (Guth 1980). Origem das flutuações de densidade para a formação de estruturas. Bariogênese e a assimetria matéria e antimatéria.

159 Maiores Avanços e Sucessos da Cosmologia no Século XX Relatividade Geral como teoria de gravitação ; existência de um quadro autoconsistente. Expansão do Universo e a lei de Hubble (1929). Alpher, Herman e Gamov fazem a previsão da existência de uma RCF de 3 o K. Descoberta da RCF por Penzias e Wilson (1964). Previsão da nucleosíntese primordial (Alpher, Bethe e Gamov ). Concordância da teoria com as observações. Previsão da existência de matéria escura (não bariônica) e seu papel na formação de estruturas. Inflação cósmica e o problema das condições iniciais no Universo (Guth 1980). Origem das flutuações de densidade para a formação de estruturas. Bariogênese e a assimetria matéria e antimatéria. Energia escura e a aceleração da expansão (1998).

160 Maiores Avanços e Sucessos da Cosmologia no Século XX Relatividade Geral como teoria de gravitação ; existência de um quadro autoconsistente. Expansão do Universo e a lei de Hubble (1929). Alpher, Herman e Gamov fazem a previsão da existência de uma RCF de 3 o K. Descoberta da RCF por Penzias e Wilson (1964). Previsão da nucleosíntese primordial (Alpher, Bethe e Gamov ). Concordância da teoria com as observações. Previsão da existência de matéria escura (não bariônica) e seu papel na formação de estruturas. Inflação cósmica e o problema das condições iniciais no Universo (Guth 1980). Origem das flutuações de densidade para a formação de estruturas. Bariogênese e a assimetria matéria e antimatéria. Energia escura e a aceleração da expansão (1998). Grandes Questões em Aberto

161 Maiores Avanços e Sucessos da Cosmologia no Século XX Relatividade Geral como teoria de gravitação ; existência de um quadro autoconsistente. Expansão do Universo e a lei de Hubble (1929). Alpher, Herman e Gamov fazem a previsão da existência de uma RCF de 3 o K. Descoberta da RCF por Penzias e Wilson (1964). Previsão da nucleosíntese primordial (Alpher, Bethe e Gamov ). Concordância da teoria com as observações. Previsão da existência de matéria escura (não bariônica) e seu papel na formação de estruturas. Inflação cósmica e o problema das condições iniciais no Universo (Guth 1980). Origem das flutuações de densidade para a formação de estruturas. Bariogênese e a assimetria matéria e antimatéria. Energia escura e a aceleração da expansão (1998). Grandes Questões em Aberto Natureza da matéria e da energia escuras.

162 Maiores Avanços e Sucessos da Cosmologia no Século XX Relatividade Geral como teoria de gravitação ; existência de um quadro autoconsistente. Expansão do Universo e a lei de Hubble (1929). Alpher, Herman e Gamov fazem a previsão da existência de uma RCF de 3 o K. Descoberta da RCF por Penzias e Wilson (1964). Previsão da nucleosíntese primordial (Alpher, Bethe e Gamov ). Concordância da teoria com as observações. Previsão da existência de matéria escura (não bariônica) e seu papel na formação de estruturas. Inflação cósmica e o problema das condições iniciais no Universo (Guth 1980). Origem das flutuações de densidade para a formação de estruturas. Bariogênese e a assimetria matéria e antimatéria. Energia escura e a aceleração da expansão (1998). Grandes Questões em Aberto Natureza da matéria e da energia escuras. Gravitação quântica e a origem do Universo.

163 Maiores Avanços e Sucessos da Cosmologia no Século XX Relatividade Geral como teoria de gravitação ; existência de um quadro autoconsistente. Expansão do Universo e a lei de Hubble (1929). Alpher, Herman e Gamov fazem a previsão da existência de uma RCF de 3 o K. Descoberta da RCF por Penzias e Wilson (1964). Previsão da nucleosíntese primordial (Alpher, Bethe e Gamov ). Concordância da teoria com as observações. Previsão da existência de matéria escura (não bariônica) e seu papel na formação de estruturas. Inflação cósmica e o problema das condições iniciais no Universo (Guth 1980). Origem das flutuações de densidade para a formação de estruturas. Bariogênese e a assimetria matéria e antimatéria. Energia escura e a aceleração da expansão (1998). Grandes Questões em Aberto Natureza da matéria e da energia escuras. Gravitação quântica e a origem do Universo. Quadro mais completo para a formação de galáxias e aglomerados.

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167 Bibliografia Cosmology: The Science of the Universe - E. R. Harrisson A Expansão do Universo - Revista Brasileira de Ensino de Física vol 22, p.163 (2000) - I. Waga. Cem Anos de Descobertas em Cosmologia e Novos Desafios para o Século XXI Revista Brasileira de Ensino de Física vol 27, n.1, p.157, março de 2005 I. Waga. Edwin Hubble the discoverer of the Big Bang - A. S. Sharov & I. D. Novikov Equívocos sobre o Big Bang Scientific American Brasil número 35, abril de 2005, p.32, Charles H. Lineweaver e Tamara M. Davis.