Cosmo-UFES: Grupo de Astrofísica, Cosmologia e Gravitação. Visão geral do grupo, pesquisa e outras atividades. Davi C. Rodrigues

Transcrição

1 Cosmo-UFES: Grupo de Astrofísica, Cosmologia e Gravitação Visão geral do grupo, pesquisa e outras atividades Cosmo-UFES Departamento de Física, CCE, Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, ES - Brazil Semana dos Calouros UFES Vitória, 13 de março de 2015

2 Sumário Apresentação geral do grupo Cosmo-UFES Noções de distância, nossa posição no universo e o Big Bang Cosmologia O que é Gravitação Astrofísica, e quais são seus problemas atuais? A pesquisa e outras atividades que realizamos. Recado para os recém ingressados no curso de Física. 2

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5 Professores permanentes do grupo + Visitantes especiais Júlio Davi Oliver Valerio José de F. Pacheco Winfried 5

6 Noções de Distância e o Big Bang 6

7 Distâncias próximas : Paralax Técnica bastante simples e robusta, mas de "curto" alcance. A partir de satélites, usando esta técnica, atualmente consegue-se medir distâncias de aproximadamente anos luz. Entretanto, isto é insuficiente para nossa própria galáxia! Nossa distância ao centro da Via Láctea é de 8 kpc, ou seja, uns anos luz. 7

8 Distância a partir de Cefeidas 8

9 Uma escada de medidas de distância Versão bem simplificada: 9

10 Esboço do universo: perspectiva observacional Quanto mais distante está o objeto observado, mais antiga é a imagem 10

11 Um esboço sobre aonde estamos O primeiro esboço sobre minha localização no mundo que conheci foi improvisado por minha mãe, e era mais ou menos assim: Terra Brasil Brasília O que vou mostrar a seguir, deve ser visto igualmente como um esboço (e uma continuação do esboço acima). 11

12 Onde estamos? Um esboço da resposta 12

13 Onde estamos? Um esboço da resposta 13

14 Onde estamos? Um esboço da resposta 14

15 Onde estamos? Um esboço da resposta 15

16 Onde estamos? Um esboço da resposta 16

17 Onde estamos? Um esboço da resposta 17

18 Onde estamos? Um esboço da resposta 18

19 Onde estamos? Um esboço da resposta 19

20 O satélite Planck e a Radiação Cósmica de Fundo Trata-se da radiação mais antiga que podemos ver. Foi emitida há anos depois do Big Bang. Desde o Big Bang se passaram 13,8 bilhões de anos. 20

21 Do que o universo é composto? 4%Baryons 21% Dark Matter Dark Energy 75% A radiação cósmica de fundo fornece importantes pistas sobre a composição do universo. Há 5 vezes mais certa matéria exótica, denominada Matéria Escura, do que da matéria usual! Dark Matter in galaxies and infrared renormalization group effects

22 O universo está se expandindo!? Exemplo de Diagrama de Hubble: quanto maior a distância, maior a velocidade com que se afasta 22

23 Como se entende a expansão do universo? Em resumo, quanto antes no tempo, mais próximo as estruturas (galáxias em particular) estavam. Não se entende a expansão do universo como uma expansão de um corpo sobre um espaço Euclideano exterior. Trata-se da expansão das distâncias internas do universo. Crescimento das distâncias no tempo 23

24 Como se entende a expansão do universo? 3. Métrica (mais simples) em conformidade com esses dados: A partir da Eq. de Einstein na presença de um fluido, obtém-se as eqs. de Friedmann: Matéria e com Time Hoje Big Bang! ȧ 2 a sinh 2 3 a 2 = 8 G 3 + c2 3 ä a = 4 G + 3p 3 c Densidade do fluido 0 H 0 t Sistema de 10 EDP s não lineares. Duas EDO's lineares. + c2 3 Possível pressão do fluido. 24

25 Big Bang Segundo Relatividade Geral, não há motivos para essa expansão ter começado a partir de uma distância finita. Assim, quanto antes no tempo, mais comprimido deveria ser o universo e portanto mais quente. Podendo ser tão quente quanto uma estrela. Quente a ponto de átomos não existirem, ou mesmo tão quente a ponto de prótons e neutros não existirem. Esta é a essência do Big Bang. 25

26 Esboço do universo: perspectiva histórica Evolução da distribuição de matéria escura. (Resultado de simulações computacionais) Distribuição da matéria usual ( bariônica ), observável diretamente. 26

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28 A teia cósmica Observação da distribuição de galáxias Resultado de simulação da evolução da matéria escura 28

29 Evidência de ME em uma colisão de aglomerados de galáxias Maior parte da matéria usual está aqui. (gás intergalático, detectado pela radiação) Maior parte da matéria está aqui. Matéria Escura. (detectada por lentes gravitacionais) 29

30 Questões gerais sobre Astrofísica, Cosmologia e Gravitação 30

31 Um esboço do espaço teórico aonde estamos Física Gravitação Cosmologia Teoria Quântica de Campos, Gravitação Quântica Física de Partículas Astrofísica Astronomia 31

32 O que é Cosmologia e quais são seus problemas atuais? Cosmologia é a área da física que estuda a evolução do universo e de seus constituintes em larga escala. Trabalha com os fenômenos de interesse físico nas escalas mais vastas possíveis. Num contexto cosmológico, galáxias são pontos. Pode parecer que física de partículas (a física das menores escalas possíveis) está muito distante da cosmologia, mas não é bem assim. A física fundamental de pequenas escalas tem atualmente forte interface com cosmologia e astrofísica. O maior acelerador de partículas não é o LHC As energias atingidas pelas partículas no universo primordial e por raios cósmicos são ainda maiores! 32

33 O que é Cosmologia e quais são seus problemas atuais? Alguns exemplos de questões: O que é Matéria Escura? É realmente composta por partículas pesadas (uns 100 prótons)? Seria apenas uma boa aproximação para uma família de partículas diferentes entre si ou de interações ainda mal conhecidas? Tem relação com partículas super-simétricas? Já realmente conhecemos tudo o que há para ser conhecido sobre Energia Escura? É somente a constante cosmológica? Há alguma interdependência com a Matéria Escura? Neutrinos massivos no universo: qual a abundância deles? Anomalias na Radiação Cósmica de Fundo: São suficientemente fortes para indicar algo, ou não passam de flutuação estatística? Anomalias na formação de galáxias: problemas com as simulações, ou com as hipóteses físicas? Qual o mecanismo que levou ao período inflacionário? Podemos detectar as ondas gravitacionais geradas nesse período? 33

34 O que é Gravitação e quais são seus problemas atuais? Gravitação é hoje em dia entendida como advinda de Relatividade Geral. A gravitação Newtoniana produz resultados em acordo com as observações somente em alguns casos. O que é Gravitação Quântica? Unificação das forças fundamentais: deve a gravitação ser unificada? Relatividade Geral é bem testada em escala do sistema solar, mas seria ela realmente válida para escalas cosmológicas? Será que os constituintes exóticos" que aparecem na cosmologia não seriam, ao menos em parte, consequência de efeitos gravitacionais além da Relatividade Geral? Ondas gravitacionais: elas realmente existem? Soluções para distribuições contínuas de matéria: trabalho complexo devido à não linearidade de Relatividade Geral. É possível que o gráviton tenha massa? 34

35 Quais são os problemas atuais da astrofísica? Há vários, listo os que mais se aproximam de nossos interesses, evitando as repetições com cosmologia: Detecção direta de Matéria Escura aqui na Terra, ou detecção de possível rara radiação emitida pelo decaimento de Matéria Escura vinda do centro de galáxias. Várias questões sobre efeitos de Energia Escura que diferem do comportamento padrão. Testes em pequena escala de Energia Escura. Teoria de Formação Estelar. Em particular sobre simulações de formação estelar e seu impacto em escala de galáxia. Confronto entre simulações de formação de galáxias com a observação delas. Detecção direta de ondas gravitacionais. Formação dos Buracos Negros supermassivos e sua radiação indireta. 35

36 Pesquisa e outras atividades do grupo Cosmo-UFES 36

37 Como fazemos nossa pesquisa? Trabalhos puramente teóricos. Envolvem: Leitura e domínio de artigos recentes Criatividade Cálculos no papel Eventualmente programação para obtenção ou confirmação das expressões analíticas mais complexas Escrita do artigo para publicação (sempre em inglês). Trabalhos fenomenológicos. Envolvem tudo acima, e também: Obtenção de dados recentes de observações ou experimentos Programação numérica e paciência para esperar a resposta Confecção de gráficos 37

38 Como fazemos nossa pesquisa? Participações em grandes projetos observacionais Tradicionalmente, o grupo usa dados observacionais, mas não os produz. Temos interesse em nos aproximar mais das grandes colaborações. Dentre os membros permanentes, o Prof. Valerio Marra participa de 2 grandes colaborações em fase de desenvolvimento: J-PAS (Brasil + Espanha) Euclid (Europa) 38

39 Outras atividades do grupo Aulas para Graduação presencial, EAD e pós-graduação. Organização de seminários. Auditório da PPGFis, nas sextas às 11:00. Maiores detalhes no site. Organização de Journal Club. Sala 3 da PPGFis nas quartas às 11:30. Organização de eventos internacionais. Em média uns 2 por ano. Mais detalhes no site. Pedidos de posições temporárias e de visitas científicas (pós-docs, professores visitantes, estágios de curta duração no exterior ) Organização de livros de revisão. Manutenção do site do grupo. Gostaríamos de incluir uma parte voltada para divulgação Em breve 39

40 Recado para os recém ingressados no curso de Física 40

41 Para os recém ingressados Estudar muito e com seriedade. Escolha certos tópicos e vá além do que for pedido no curso. Nesta fase, ler livros de divulgação científica é um ótimo complemento para o entendimento conceitual. Integrais, derivadas, álgebra linear, geometria analítica : não servem só para passar no curso, devem fazer parte de TODOS os seus dias enquanto estiverem atuando em física. Quanto maior o domínio, mas fácil as matérias futuras parecerão. INGLÊS é essencial! Não há como fazer ciência sem inglês. Domínio de computação é importante. Ajuda muito. Se pretendem seguir carreira acadêmica, Iniciação Científica ajuda muito (tanto para o futuro mestrado, quanto para as matérias atuais) 41

42 In the end, you should also have fun! 42