Cosmologia: a estrutura do nosso universo. MSc Rodrigo Nemmen FIS2207 Fundamentos de Astronomia Dez. 2006

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1 Cosmologia: a estrutura do nosso universo MSc Rodrigo Nemmen FIS2207 Fundamentos de Astronomia Dez. 2006

2 Qual o modelo cosmológico padrão atual para a evolução do universo?

3 Evolução e composição do universo Teoria do Big Bang: o universo surgiu de um estado extremamente comprimido no passado distante, e tem se expandido desde então. O próprio espaço foi originado. Termo Big Bang proposto ironicamente pelo astrofísico Fred Hoyle na década de 50. Hipóteses: universo éhomogêneo e isotrópico (princípio cosmológico) as leis da física são universais validade da teoria da relatividade geral (Einstein, 1915) Previsões teóricas: universo está em expansão radiação cósmica de fundo em microondas abundância dos elementos primordiais: H, He, Li (nucleossíntese primordial) WMAP

4 Teoria do Big Bang Comprovação observacional Previsão: Universo está em expansão Comprovado: Lei de Hubble (1929) Relação entre a velocidade de afastamento v das galáxias distantes e suas distâncias d até nós v = Hd H é a constante de Hubble, medida a partir de observações astronômicas H 73 km s -1 Mpc -1 Quanto mais longe uma galáxia está de nós, mais rápido ela está se afastando Revisar: Aulas da Prof a Thaisa no início do semestre sobre distâncias!

5 Teoria do Big Bang Comprovação observacional Previsão: Radiação cósmica de fundo em microondas Comprovado: Penzias & Wilson (1964), Labs. Bell Observações mais recentes: satélite COBE (1992) satélite WMAP (2003 até hoje) Prêmio Nobel da física deste ano!!! nobelprize.org

6 A Radiação Cósmica de Fundo em Microondas Radiação cósmica de fundo em microondas: radiação emitida pelo universo quando tinha ~ anos de idade (menos de 1% da idade atual, quando surgiram os primeiros átomos) Esta radiação vem igualmente de todas as direções ao redor da Terra! Temperatura da radiação 3 K (3 C acima do zero absoluto!) Em 1992 o satélite COBE descobriu flutuações na temperatura dessa radiação, consistentes com a teoria do Big Bang! Caldwell & Kamionkowski C. Frenk

7 C. Frenk Radiação Cósmica de Fundo

8 Teoria do Big Bang Comprovação observacional Previsão: abundância dos elementos primordiais: H, He, Li (nucleossíntese primordial) Teoria prevê as abundâncias dos elementos mais leves, originados alguns minutos após o Big Bang Abundâncias preditas: 4 He/H = 0.25, 2 H/H = 10-3, 3 He/H = 10-4 Comprovado: Concordam muito bem com medidas no presente!! (abundâncias químicas de estrelas, nebulosas e galáxias) Relembrando rapidamente a aula da Prof a Thaisa sobre idade do universo...

9 C. Frenk Nucleossíntese

10 Geometria do universo Quais tipos de geometria o universo pode ter? Liddle tamanho finito infinito infinito aberto tamanho plano fechado Bucher & Spergel tempo presente

11 Geometria do universo A geometria do universo depende de quanta energia ele contém (incluindo radiação e matéria) Densidade crítica para o univ. ser plano: (h 0.7) Comparem com a densidade da água: A densidade costuma ser parametrizada em termos de ρ c : Universo aberto (hiperbólico): Ω < 1 Universo plano: Ω= 1 Universo fechado (esférico): Ω > 1 Observações da radiação de fundo (entre outras) mostram que Ω 1, evidências bastante fortes de que o universo é plano

12 A idade do universo Tarefa: recordem a aula da Prof a. Thaisa no início do semestre Essa aula está disponível para download na internet

13 Composição do universo Inventório Cósmico Temos uma receita de quais são os ingredientes básicos que compõem o nosso universo Átomos: 4% Dos quais: Elementos pesados: 0.03% Estrelas: 0.2% obs. da rad. cósmica de fundo + estudos de nucleossíntese H e He no espaço: 3.5% E todos os 96% restantes??? Vivemos numa época em que os cientistas estão começando a entender a composição do universo

14 Composição do universo: MATÉRIA ESCURA Inventório Cósmico Evidência clássica: estudos do padrão de velocidades das estrelas nas galáxias (curvas de rotação) A massa visível é quantificada nas galáxias (estrelas, gás), decresce com o raio Física básica - gravitacão Newtoniana: a velocidade circular das estrelas deve-se à massa interna às órbitas consideradas F g 2 GMm mv = = 2 r r v = GM () r r Esperado

15 Composição do universo: MATÉRIA ESCURA Inventório Cósmico Evidência clássica: estudos do padrão de velocidades das estrelas nas galáxias (curvas de rotação) A massa visível é quantificada nas galáxias (estrelas, gás), decresce com o raio Física básica - gravitacão Newtoniana: a velocidade circular das estrelas deve-se à massa interna às órbitas consideradas Medido!! F g 2 GMm mv = = 2 r r v = GM () r r Esperado Possíveis explicações: ou a gravitação Newtoniana está errando... ou há mais matéria do que estamos enxergando!

16 Composição do universo: MATÉRIA ESCURA Inventório Cósmico Atualmente: vários tipos de observações astronômicas mostram que há uma grande quantidade de matéria nãovisível que permeia o universo curvas de rotação das estrelas em galáxias velocidades orbitais de galáxias em aglomerados de galáxias (aula anterior do Prof. Basílio) observações via efeito de lentes gravitacionais (aula anterior do Prof. Basílio) Matéria escura : 23% Não emite ou reflete luz Apenas seu efeito gravitacional é sentido pelo resto do universo Um dos grandes desafios da física: descobrir a composição da matéria escura! Não é composta por nada convencional: elétrons, prótons, nêutrons (ou neutrinos)... Candidatos: partículas elementares hipotéticas WIMP, axion Weakly Interacting Massive Particles

17 Estrutura de uma galáxia matéria normal matéria escura

18 Composição do universo: ENERGIA ESCURA Inventário Cósmico Surpresa na cosmologia em 1998 Supernovas do tipo IA: é bem conhecida a magnitude absoluta delas (brilho intrínseco) Como são extremamente brilhantes, podem ser observadas a distâncias cosmológicas (bilhões de AL) Medindo o redshift z delas e o brilho (magnitude) aparente, é possível saber a distância até elas Observações recentes sugerem que o universo está em expansão acelerada, o que surpreendeu os cosmólogos!! Hogan+

19 Composição do universo: ENERGIA ESCURA Inventário Cósmico Expansão acelerada O que está causando a aceleração do Cosmos? Se o universo fosse dominado por matéria, se esperaria o contrário: a atração gravitacional tenderia a desacelerar a expansão Alguma outra coisa (em maior quantidade que a matéria normal + escura) está acelerando o Cosmos, através de repulsão gravitacional!! Esta outra coisa é chamada de energia escura Energia escura é um tipo de energia que permeia uniformemente o universo, e exerce uma força oposta à atração gravitacional, causando a aceleração do Cosmos

20 Composição do universo: ENERGIA ESCURA Inventário Cósmico Observações recentes com o satélite WMAP sugerem que a energia escura compõe 73% do universo! O espaço existente entre as galáxias não é vazio como parece, mas aparentemente está preenchido com energia escura! Um dos grandes desafios da física: descobrir a natureza da energia escura! Candidata: constante cosmológica (Λ) o espaço vazio do Cosmos tem energia (energia de vácuo) esta energia é explicada pela mecânica quântica: surge das flutuações do vácuo, consequência do princípio da incerteza de Heisenberg!

21 Composição do universo Densidade de energia total do universo: Ω = ρ ρ c 1 (universo plano) Ω =Ω mat. "normal" +Ω mat. escura +Ω en. escura =

22 Questões O que é a teoria do Big Bang? Quais as previões teóricas básicas da teoria do Big Bang, que foram comprovadas? O que é a radiação de fundo em microondas? Qual a idade do universo quando ocorreu a nucleossíntese (formação dos primeiros núcleos atômicos)? Quais tipos de geometria o universo pode ter? Qual é a geometria favorecida pelas observações? Quais são os constituintes do universo, e as suas proporções? O que é, em termos gerais, a matéria escura e energia escura? Quais as principais evidências observacionais para a existência da matéria escura e da energia escura, respectivamente?