100 anos de Cosmologia e novos desafios para o século XXI. Instituto de Física Universidade Federal do Rio de Janeiro Ioav Waga

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1 100 anos de Cosmologia e novos desafios para o século XXI Instituto de Física Universidade Federal do Rio de Janeiro Ioav Waga

2 Uma visão do Universo por volta de 1900 d.c. Composição: estrelas Organização: Sistema Solar 30,000 anos luz Origem:? William Herschel ( )

3 Questão chave 100 anos atrás! Objetos em nossa própria galáxia? Objetos distantes semelhantes à Via Láctea? Andromeda

4 H. D. Curtis Curtis: A evidência hoje aponta fortemente para a conclusão de que as espirais são galáxias individuais, ou universos ilhas, comparáveis à nossa galáxia em dimensão e número de componentes.

5 H. Shapley Shapley: Penso que a evidência é oposta a que as espirais são galáxias de estrelas, comparáveis à nossa própia galáxia. Até o presente não há razão para modificarmos a hipótese de que as espirais são simplesmente objetos nebulosos.

6 A disputa não foi resolvida então. O que faltava? Dados inquestionáveis sobre a nossa distância às nebulosas.

7 Edwin Powel Hubble: 20/11/ /9/1953

8 Hubble observa 2 novas e uma estrela variável em Andrômeda. A estrela variável foi uma descoberta fundamental! Por que? Após uma sequência de observações Hubble concluiu que a estrela variável era uma Cefeida. Andrômeda

9 Henrietta Leavit Em 1912 Henrietta Leavit uma astrônoma de Harward observou uma correlação entre a luminosidade absoluta média de estrelas do tipo cefeida e o período de sua variação. Quanto maior o período maior a luminosidade.

10 Cefeidas Período de pulsação (dias) Luminosidade (em unidade solar)

11 metros metros O fluxo observado é inversamente proporcional ao quadrado da distância à fonte.

12 Hubble 19 de fevereiro de Para: A.H.Shapley, Diretor do observatório de Harvard, Cambridge, Massachusets. Você se interessará em saber que encontrei uma variável Cefeidananebulosade Andrômeda (M31).... Em anexo segue uma cópia da curva de luz, que mostra de forma inquestionável as características de uma Cefeida.... a distância obtida está em torno de parsecs." Hubble 1 parsec = 3,26 anos-luz = 3,09 x Km

13 H. Shapley "Sua carta me falando sobre estrelas variáveis na direção da nebulosa de Andrômeda é a peça literária que mais me entreteve nos últimos tempos Shapley

14 Hubble no telescópio Schmidt no monte Palomar, Califórnia Portanto, medindo o período e o fluxo, Hubble pode determinar a distância a Andrômeda. Hoje sabemos que essa distância é ~ pc. Sabia-se naquela época que o raio da nossa galáxia era menor que o valor obtido por Hubble. Hoje sabemos que o raio da galáxia é ~15000 parsecs. A conclusão era inescapável: Andrômeda é de fato uma galáxia espiral semelhante à nossa e que está fora da Via Láctea.

15 ANDRÔMEDA

16 Um esquema de nossa galáxia

17 Grupo Local

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19 Distância ou tamanho Simbolo Valor Valor Relativo Raio da Terrra R T 6371 Km Raio do Sol R S Km 100 R T Distância Terra - Sol AU 150 x 10 6 Km 200 R S 1 parsec pc 3.09 x Km AU Estrela + próxima R * pc 7 x 10 7 RS Distância Sol - centro da galáxia Raio do grupo local (Andrômeda) Aglomerado + próximo (Virgem) R G 10 kpc 8000 R * R A 670 kpc 70R G R V 11 h -1 Mpc 30R A Raio do Universo observável R U 3000 h -1 Mpc 300R V

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) Plantas e animais na terra (4 anos atrás) Dinossauros atingem o máximo 1 ano atrás e desaparecem a ~ 4 meses Os primeiros humanoides aparecem na última semana. A nossa espécie (homo sapiens) só surge a 4 horas atrás. A agricultura foi inventada na última hora. O Brasil foi descoberto a 3 minutos atrás.

21 Uma visão do universo por volta de 2000 d.c. Hubble Deep Field 3000 galáxias aqui 100 bilhões Em todo o céu

22 O modelo padrão da Cosmologia A cosmologia moderna parte de algumas hipóteses de trabalho. As leis da física, válidas no sistema solar valem também para o resto do Universo. As leis da física, podem também ser extrapoladas para o passado. Gravitação é dominante em grandes escalas. Alcance das interações fraca e forte ~ cm. Embora e 2 /GM p2 >>1, os grandes agregados são eletricamente neutros. Principio de Copérnico: não ocupamos um lugar privilegiado - somos observadores típicos. Princípio Cosmológico: em escalas suficientemente grandes o Universo é espacialmente homogêneo e isotrópico.

23 A. A. Friedmann

24 Os 3 pilares básicos da Cosmologia A expansão do universo

25 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. Percival Lowell

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

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

29 Hidrogênio Sódio Hélio Neonio Mercúrio Espectro de emissão de alguns elementos conhecidos

30 V. M. Slipher Em 1912 Slipher percebeu que as linhas espectrais de Andrômeda estavam no lugar errado, elas estavam deslocadas para o azul (região de menor comprimento de onda).

31 Efeito Doppler z = desvio para o = vermelho velocidadeda fonte velocidade da luz = λ λ obs λ ref ref fonte fonte 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.

32 NGC

33 Intensidade relativa 1 Angstrom = 0, metro Comprimento de onda (Angström)

34 Intensidade relativa Variação de λ Hidrogênio α 1 Angstrom = λ f = 6562,8 A λ obs z v = = 0, metro o = ,8 o = 0, ,8 λobs z c = km/seg 6615 λ = 6562,8 A = 6615 A f ,8 z = = 0, ,8 v = z c= km/s o o A 1 Angstrom = 0, metro Comprimento de onda (Angström)

35 Hidrogênio β Intensidade relativa λ f = 4861,3 A λ obs z = v = o ,3 = 0, z c = km/seg = 4900 o A Comprimento de onda (Angström)

36 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. V. M. Slipher

37 A expansão do Universo distance (Mpc) [Hubble & Humason (1931)] Hubble velocidade de = H distância recessão

38 A lei de Hubble Não há centro do Universo

39 A lei de Hubble

40 Para onde estão as galáxias se expandindo? Não Sim

41 Curvatura espacial positiva Curvatura espacial nula Curvatura espacial negativa

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

43 Velocidade constante Desacelerado d T = v v = H d T = H H 1 Acelerado

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

45 A Radiação Cósmica de Fundo descoberta: A. A. Penzias & R. W. Wilson, em 1964, Bell Laboratory Penzias e Wilson interpretação: R. H. Dicke, P. J. E. Peebles, P. G. Roll e D. T. Wilkinson, em 1964, Princeton University

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

47 A Radiação Cósmica de Fundo COBE 1989 Características principais: É uma radiação de corpo negro de microondas (T ~ 3 o K). A radiação é, altamente isotrópica T/T ~ 1.2 x Contudo ela possui uma anisotropia dipolar, T/T ~ 1.2 x 10-3, que decorre da nossa velocidade em relação ao referencial da radiação de fundo; v ~ 360 km/seg

48 ANISOTROPIAS OBSERVAÇÕES COBE: T = T = T T 10 5

49 WMAP

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52 ESPECTRO ANGULAR DE POTÊNCIA A função de correlação de temperatura é definida como:... denota uma me dia sobre as direçoes n1, nˆ 2 separadas por um angulo ˆ α. Expandindo C( α) usando polinomios ˆ de Legendre, obtemos Calvão

53 Analogia: Série de Fourier período: f(x) dipolo : f(x) quadrupolo : 2π x 2π x c1 é máximo! c 2 é máximo! Calvão

54 Pryke

55 Pryke

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57 α Ωb h,ω Λ Ωk h, ΩΛ, Ωk Calvão

58 OBSERVAÇÕES abril/1999

59 OBSERVAÇÕES março/2003

60 Hinshaw et al astro-ph/

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62 Os 3 pilares básicos da Cosmologia A formação de elementos leves

63 A formação de elementos leves Alpher Bethe Gamov Em 1946, Alpher, Bethe e Gamov sugeriram a 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.

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

65 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 Valor Observado He ~25% D Li Valor Predito Região permitida ρ B Ω B = ; hoje ρ cr 5 prótons/m ρ H = 100 h km / seg Mpc 0 cr Densidade Atual de Bárions Ω B h 2

66 Inventário Cósmico Há evidências que mais de 90% de toda a matéria é escura. Aglomerados e dinâmica de galáxias. Lentes Gravitacionais Fração de massa barionica em aglomerados. Fótons (CMB) Ω fótons ~ (0.005%) Neutrinos Ω neutrinos ~ (0.3%) Matéria Luminosa (estrelas) Ω lum ~ (0.5%) Matéria Bariônica (prótons e neutrons) Ω barion ~ 0.04 (4%) Matéria Escura (não barionica) Ω M ~ 0.25 (25%) Energia Escura Dark Energy ~70% Ω Λ ~ 0.7 (70%) ρ i Ω= i ; ρc = ρ c 2 3H 8π G Ordinary Matter ~4% Cold Dark Matter ~25%

67 R v G M SOL = R R 2 v 2 medindo v & R M SOL R G M GALÁXIA = R R 2 v 2 E. Kolb medindo v & R M GALÁXIA

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69 Breve Histórico da Constante Cosmológica Einstein introduziu a constante cosmológica nas equações da TRG. 1 R R g = 8π G T + Λ g µ ν 2 µν µν µν principal motivação: observacional Λ atua como uma força repulsiva Friedman obteve soluções das E.E. sem Λ e que são expansionistas Hubble anuncia a descoberta de que o U está em expansão Einstein exclui Λ de suas equações ``The greatest blunder of my life Eddington tinha um ponto de vista distinto: `` Λ-term is the strongest pillar of the theory of relativity and I would as soon think to reverting to Newtonian theory as of dropping the cosmical constant naquela época acreditava-se que a constante de Hubble tinha um valor ~ 8 vezes maior do que acreditamos ser seu valor hoje (~ 65 km/s Mpc -1 ). Λ aumenta a idade do U.

70 Lemaitre acreditava que devemos manter Λ nas E.E. e que as observações devem dar a última palavra. Nas décadas de 60 & 70 Λ foi introduzida novamente Petrosian, Salpeter & Szekeres para explicar uma concentração aparente de quasars em z= Gunn and Tinsley Na década de 80 Λ é introduzida no contexto do cenário inflacionário do Universo Um período suficientemente longo de inflação observações Peebles (1988) - Carlberg et al.(1997) Ω m0 = 0.3 ± 0.1 Ω T = 1 ρ i Ω i = ; ρc = ρ H h km s Mpc h c 2 3H 8π G 1 0 = 100 / ; = 0.65 ± 0.1 Como conciliar a inflação com as observações? component suave tal que Ω suave ~ 0.7 Ω T = Ω m0 + Ω smooth = 1 Peebles Ap.J. 284, 439 (1984); Turner, Steigman& Krauss PRL52, 2090,(1984)

71 Candidatos para a componente suave: Constante cosmológica Campo escalar ENERGIA ESCURA (Quintessência) Ω = Ω + Ω +Ω = Total mnr radiaçao EE 1 A Energia Escura deve ter outra propriedade Pressão Negativa!!! a a if 4π G = ( ρ + 3P) 3 ρ + 3P < 0 a > 0 Aceleração!!

72 SneIacomoferramenta para a cosmologia Vantagens Luminosos ( L ο ). muito homogêneos. Problemas Raros, ~ 1/500 ano/galáxia. aleatórios. rápidos. Sne Ia atinge o máximo em alguns dias. em alto z nao é mais possível detecta-las com os mais poderosos telescópios dentro de 1 ou 2 meses.

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

74 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

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78 m = M + 5log D ( θ, θ,...) L 1 2 Perlmutter et al.

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80 (0.3,0.7) (0.3,0) (1,0) Tonry et al 2003

81 prior Ω h = 0.2 ± 0.03 m Tonry et al 2003

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84 Concordância Cósmica Allen et al. astro-ph/

85 Maiores avanços teóricos e sucessos da Cosmologia no século XX Relatividade Geral como teoria de gravitação ; existência de um quadro auto-consistente. 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 e o problema das condições iniciais no Universo (Guth 1980). Origem das flutuações de densidade para formação de estruturas. Bariogênese e assimetria matéria e antimatéria. Energia escura e a aceleração da expansão (1998). Grandes questões abertas Natureza da matéria e da energia escura. Topologia do Universo Gravitação quântica e a origem do Universo. Quadro mais completo para a formação de galáxias e aglomerados.