O LADO ESCURO DO UNIVERSO. Pedro Abreu LIP/IST, Lisboa Escola de Profs no CERN em Língua Portuguesa 2015

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1 O LADO ESCURO DO UNIVERSO Pedro Abreu LIP/IST, Lisboa Escola de Profs no CERN em Língua Portuguesa 2015

2 (Heinrich Wilhelm Olbers, 1823) Universo Porque é que o Universo é escuro? E porque era isto um paradoxo? Se o Universo é infinito e eterno (e com uma densidade de estrelas ±uniforme), então todas as linhas de visão deveriam terminar na superfície de uma estrela. Formalmente: Cada camada contribui com nº estrelas ~ r 2 A luz diminui de intensidade com ~1/r 2 Contribuição de luz de cada camada = constante O Céu deveria ser cheio de luz Consequência: O UNIVERSO NÃO PODE SER INFINITO E ETERNO! 2/35

3 Uma teoria para o Universo: Relatividade Geral (1915!) Não se pode realizar nenhuma experiência, de qualquer natureza, que nos permita distinguir um referencial acelerado e um referencial sujeito à gravidade! Então e se ligar uma.lanterna?! 3/35

4 Princípio de Equivalência 1907 F = m I α F = m G g m I = m G Massa Inercial = Massa Gravítica Aceleração = Gravitação A Ideia mais feliz da minha vida" (Albert Einstein) 4/35

5 A Teoria da Relatividade Geral O caminho mais curto no espaço-tempo é definido pela trajetória dos raios de luz. Elevador acelerado: luz segue uma trajectória parabólica Campo Gravítico: raios de luz são curvados! Espaço e Tempo são curvos! Albert Einstein ( ) : Relatividade Geral Matéria diz ao Espaço como se curva Espaço diz à Matéria como é que se move Einstein 1917: G µν + Λg µν = 8πT µν (Constante Cosmológica) 5/35

6 Equações Rel. Geral /35

7 A Luz desviada pelo Sol (1919!) Confirmado por Sir Arthur Eddington Ilha do Príncipe, 29 de Maio de /35

8 Caso limite: Buraco Negro 8/35

9 9/35 EXPANSÃO DO UNIVERSO! George Lemaitre (1927) Todo o Universo Expande! Um átomo primordial quente?

10 EXPANSÃO DO UNIVERSO! Velocidade de recessão das Galáxias é proporcional à distância Einstein afirma: Edwin Hubble (1929) Mt. Palomar telescope a constante cosmológica = o meu maior erro' 10/35

11 O Cosmos no LHC As condições do Universo logo após o Big-Bang são recreadas no LHC s /35

12 History of Our Universe H? L C O H B J C R E 12/35

13 A Radiação Cósmica de Fundo Prémio Nobel /35

14 Estudo da Radiação Cósmica de Fundo (COBE) (Prémio Nobel 2006) T= 2.7 K Penzias & Wilson, Prémio Nobel 1965 T= 3.3 mk (depois da subtracção do fundo comum) T= 18 µk (depois de corrigido para o mov. Terra) 14/35

15 WMAP (2003): uma observação mais precisa COBE (7 degree resolution) WMAP (0.25 degree resolution) 15/35

16 PLANCK (2013): uma observação AINDA mais precisa /35

17 PLANCK (2013): uma observação AINDA mais precisa 17/35

18 PLANCK (2013) 18/35

19 (Sol em ) neutrinos Raios Cósmicos de Energia Extrema 2011 Jorge Dias de Deus 2011 Sofia Andringa

20 VELOCIDADE A Matéria Escura! DISTÂNCIA ao centro A.De Angelis Maior fracção de massa não brilha! O que será?! 20/35

21 Matéria escura na Via Láctea! COBE Milky Way M100 Milky Way Velocidade Anglo-Australian Observatory Distribuída na Galáxia, não agrupada! Distância Nenhuma forma de matéria conhecida! 21/35

22 Matéria Escura na colisão de Aglomerados de Galáxias CHANDRA X-RAY OBSERVATORY Distância 22/35

23 Matéria Escura na Colisão de Aglomerados de Galáxias CHANDRA X-RAY OBSERVATORY Distância 23/35

24 A formação do Bullet Cluster CHANDRA X-RAY OBSERVATORY Distância 24/35

25 Matéria Escura na Colisão de Aglomerados de Galáxias CHANDRA X-RAY OBSERVATORY Dark Matter (Reconstructed) Normal matter Dark Matter (Reconstructed) 25/35

26 O Problema da Energia Escura Cientistas estudam supernovae distantes para medir a evolução da expansão do Universo. Esperavem que a taxa de expansão diminuísse desde o Big-Bang. 26/35

27 socorro!!! fainter E mais recentemente: Luminos. diminui Densidade Não-Matéria.vs. Densidade Matéria fainter s/ efeito 27/35

28 Oops não está a diminuir! A Expansão do Universo está acelerando!!! Algo se está a sobrepôr à gravidade Cientistas chamam-lhe Energia Escura 28/35

29 De que é que feito o Universo?! Universo??!? Matéria Escura: 25% Matéria Ordinária: 5% ÁTOMOS Energia Escura: 70%?? Energia Escura Matéria Escura Matéria Ordinária 2013 PLANCK 29/35

30 Como poderá LHC ajudar? Encontrar Supersimmetria, se existir: o melhor candidato para a Matéria Escura será a partícula supersimétrica mais leve, estável e produzida em grandes quantidades no Big Bang Encontrando Weakly Interactive Massive Particles: se existirem = Matéria Escura Encontrando dimensões extra (>=5D), etc! 30/35

31 No final do Séc. XIX com a natureza descrita pela mecânica, termodinâmica, e electromagnetismo, a Física parecia completa: Tudo o que falta fazer em Física resume-se a preencher o valor da 6ª casa decimal (Albert Michelson, 1894) Mensagem à British Association for the Advancement of Science, 1900 : Não há nada fundamentalmente novo para ser descoberto. Tudo o que há a fazer é medir com mais precisão (Lord Kelvin, 1900) William Thomson (Lord Kelvin) Mas Lord Kelvin também mencionou duas nuvens no horizonte da Física: 1) Radiação do Corpo Negro 2) Experiências de resultado nulo de (Albert )Michelson (Edward )Morley Elas levaram às 2 grandes revoluções da Física no séc. XX: Relatividade e Mec.Quant.! 31/35

32 No final do Séc. XX com a nova natureza descrita pela Teoria Quântica de Campos e pelo {partículas elementares} constituindo o Modelo Padrão das partículas e interações fundamentais, também aqui a Física parece resolvida: Com a descoberta iminente do bosão de Higgs, não há nada fundamentalmente novo para ser descoberto. Tudo o que há a fazer é medir com mais precisão (trad. livre, adaptado) (Stephen Hawking, 1998) Mas ainda há algumas questões a resolver no horizonte da Física: 1) Matéria e energia escuras 2) Experiências de resultado nulo na pesquisa de sinais de nova física até ~1 TeV (e Origem da enorme e pequeníssima assimetria matéria-antimatéria) A que revoluções da Física no séc. XXI nos levarão estas questões? Ideias por favor!! 32/35

33 e temos muitas Nuvens!!! (Matéria e Energia Escuras! ) Onde pára a Antimatéria (ou a Assimetria M-aM?) Porquê 3 famílias? Porque é que as massas das partículas elementares são o que são? Porque é que os neutrinos são muito mais leves do que os leptões carregados e os quarks? Será que as 3 (ou 4) forças se unificam a alguma escala? Será que as partículas elementares são mesmo elementares? 33/35

34 Conclusões Partículas Elementares A Origem da massa Espectro de massas, famílias Massa dos neutrinos Massa e simetria de gauge Mecanismo de Higgs A Unificação das Interacções Grande unificação Decaimento do protão Supersimetria Gravitação e supercordas Violação de CP Cosmologia A Expansão do Universo Big-Bang Nucleosíntese primordial Radiação Cósmica de Fundo Inflação? Teorias VSL? Homogeneidade Ω~1 Matéria Escura/Energia escura Buracos Negros Assimetria matériaantimatéria 34/35

35 Obrigado pela v/ atenção Albert Einstein [P.N.1921]: (Com o conhecimento...) podemos olhar para o Universo como se não existissem milagres. Mas também podemos olhar para o Universo como se tudo fosse um milagre! 4 de Setembro 2015 pedro abreu O Lado Escuro do Universo 35/35

36 EXPANSÃO DO UNIVERSO! Friedmann escreveu a evolução do Universo em função da escala a(t) As suas equações relacionam a densidade média "ρ" e a curvatura K com a taxa de expansão da escala: