Explorando o Universo

Transcrição

1 Explorando o Universo Kepler Instituto de Física UFRGS Porto Alegre, 2015

2 Kepler Instituto de Física UFRGS Porto Alegre, 2015

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4 Tamanho do Sistema Solar Raio da Terra: 6370 km Raio do Sol: km Distância Sol-Terra=1 U.A.=150 milhões km Distância até Plutão d P =40 U.A.=6 bilhões km

5 Escala 1mm=6000 km km m mm Representação A Terra como um grão de pimenta diâmetro do Sol bola distância do Sol a Mercúrio diâmetro de Mercúrio ,8 cabeça de alfinete distância de Mercúrio a Vênus diâmetro de Vênus grão de coentro distância de Vênus à Terra diâmetro da Terra grão de pimenta distância da Terra a Marte diâmetro de Marte grão de gergelim distância de Marte a Júpiter diâmetro de Júpiter noz distância entre Júpiter e Saturno diâmetro de Saturno avelã distância da órbita de Saturno a Urano diâmetro de Urano amendoim distância da órbita de Urano a Netuno diâmetro de Netuno amendoim distância da órbita de Netuno a Plutão diâmetro de Plutão ,4 semente de papoula Total das distâncias distância da Terra à Lua diâmetro da Lua ,6 semente de papoula distância da N uvem de Oort 1 ano- luz km distância da estrela mais próxima 4,22 anos- luz km

6 28Fev14 25Fev14 Sol 3/2/14 23/2/14

7 Sol 13 e 28 Fev

8 31 de agosto de 2012

9 O Sol em 2015 Samuel Heinrich Schwabe ( )

10 Ciclo solar Ano

11 Unidades de distância Astronômicas Unidade Astronômica (U.A. distância Sol-Terra): 150 milhões de km Ano-Luz (a.l. distância que a luz viaja em um ano): 365,25 dias/ano x 24 horas/dia x 3600s/hora x km/s= 9,5x10 12 km=9.5x10 15 m~10 16 m Parsec (pc): U.A.=3,26 a.l. Kiloparsec=1.000 pc Megaparsec= pc

12 Tamanho do Átomo vs. Sistema Solar Raio aprox. do núcleo r N = m Raio aprox. do átomo (raio de Bohr): r= 5x10-11 m O átomo é um grande vazio, só =8x10-15 do seu volume está ocupado! Raio do Sol r Sol = 7x10 8 m Raio do Sistema Solar: r SS = 1 ano-luz=1x10 16 m O Sistema Solar é um vazio maior ainda, só (1,4x10 7 ) -3 =3.6x10-22 do seu volume está ocupado! Densidade de massa=1 M Sol /(4/3πr SS3 )=4.8x10-22 g/cm 3

13 Tamanho das estrelas Estrela quente (O5): R=1,25x10 7 km=18 R Sol Estrela fria (M5): R=2,23x10 5 km=0,32 R Sol Gigante vermelha (Betelgeuse): R=5,22x10 8 km=745 R Sol = 3,5 U.A.=1,5 órbita de Marte Anã Branca: (Sirius B): km=2r Terra Estrela de Nêutrons: 20 km Buraco Negro: 3km

14 Métodos de determinação de distâncias Astronômicas Sistema Solar próximo: radar Estrelas próximas: paralaxe

15 Distância entre as estrelas Estrela mais próxima: Próxima Centauri: d=4,22 a.l. Densidade de matéria média: (1 Sol)/(4/3π d 3 )= M Sol /(a.l.) 3 = 7,5x10-24 g/cm 3 (vácuo em laboratório g/cm 3 )

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17 A Via Láctea

18 Tamanho da Via Láctea Diâmetro: a.l.

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20 Estrelas e galáxias: "velas padrão" Exemplo: supernovas

21 M82 21 Jan 2014 M81 Como se busca supernovas Charles Messier ( )

22 Distância entre galáxias: o Grupo Local Cerca de 50 galáxias Raio=3 milhões de a.l.

23 Métodos de determinação de distâncias Astronômicas Galáxias distantes: Lei de Hubble

24 Medindo deslocamento para o vermelho: efeito Doppler Deslocamento para o vermelho z:

25 O Universo é Finito!

26 O céu é escuro, logo o Universo é finito! Exposições Longas com o Telescópio Espacial Norte 2 semanas 2004

27 Sul dias

28 Floresta de árvores

29 Paradoxo de Olbers Heinrich Wilhem Mattäus Olbers (1826)

30 Céu seria brilhante se universo infinito Área=4πR 2 Brilho = (de uma estrela) Intensidade 4π R 2 2 Volume=4πR r Brilho = Intensidade (do céu)

31 Super- Aglomerado Local: M Sol, centro no Aglomerado de Virgem Aglomerado de Virgem atrai o Aglomerado Local, que se move a 400 km/s em direção a Virgem

32 Aglomerado de Virgem O Aglomerado de Virgem, a 60 milhões de anos-luz. Contem mais de 2000 galáxias e é o centro do superaglomerado local

33 Quasares

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35 Aglomerados de Galáxias Distância:3 bilhões a.l. (1000 x distância de Andrômeda); 250 membros Lente gravitacional de galáxias a altos z (redshifts), até z=7 -- idade de 0,75 bilhões de anos (idade do Universo=13,7 bilhões de anos)

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37 Estrutura em grande escala: Sloan Digital Sky Survey distâncias Plano da Via-Láctea

38 Distâncias e direções das galáxias do SLOAN Estrutura comum: "esponja" galáxias se distribuem como na superfície de bolhas; vazios de 50 Mpc = 150 Ma.l. Distância média entre galáxias: d=3 Ma.l. Densidade de matéria: M Sol / (4/3πd 3 )= 2x10-30 g/cm 3

39 Estrutura em grande escala do Universo: no infravermelho

40 Edwin Hubble 1929 Velocidade=H x distância

41 Expansão da Lei de Hubble: v=h d t 2 t 1 Modelo do bolo de passas: Num tempo t i =0, as distâncias das passas em relação a uma passa de referência são: passa A: d i = 1 cm passa B: d i = 3 cm passa C: d i = 4 cm Após 1 hora, o bolo dobra de tamanho, e as distâncias entre as passas serão: passa A: d f = 2 cm passa B: d f = 6 cm passa C: d f = 8 cm Portanto as velocidades são: passa A: v=1 cm/h passa B: v=3 cm/h passa C: v=4 cm/h Velocidade em função de suas distâncias, reta com H = (1cm/h)/2cm = (3cm/h)/6cm = (4cm/h)/8cm = 0,5/h T=1/H=2h

42 Big Bang

43 Expansão Velocidade=H x distância Velocidade= distância/tempo Tempo = 1/H H = 72 km/s/mpc Tempo= 13 bilhões de anos 19 1 Mpc = 3,26 M anos-luz = 3 x 10 km

44 Raio e idade do Universo Lei de Hubble Universo em expansão, analogia bolo de passas v=hd: maior distância maior velocidade; limite c= velocidade da luz Distância de Hubble: limite observável do Universo, se taxa de expansão fosse constante (=H) d H =c/h=13,7x10 9 a.l. Tempo de Hubble: tempo para galáxia chegar a uma distância d, com velocidade v: t H =d/v=1/h=tempo de Hubble: idade to Universo se taxa de expansão fosse constante (=H) t H =13,7x10 9 anos

45 Arno Penzias e Robert Wilson 1964

46 Radiação do Fundo do Universo George Gamow Robert Herman & Ralph Alpher 1948

47 Raio do Universo: só podemos observar a superfície do último espalhamento, quando Universo se tornou transparente ao formar o primeiros átomos (era da recombinação), anos após o Big Bang radiação cósmica de fundo em microondas, mapeada em 2015 pelo satélite Planck

48 FT

49 Instabilidade gravitacional

50 Estrutura em grande escala: Millenium simulation maior simulação cosmológica já realizada, com partículas

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52 Interpretação dos dados do WMAP

53 Universo tem um raio observável de 13,8 bilhões de anos-luz porque ele tem uma idade de 13,8 bilhões de anos. Este é o tempo que a luz demorou para chegar até nós. Entretanto, a expansão do Universo coloca esta distância atualmente a cerca de 50 bilhões de a.l., que seria o raio atual do Universo conhecido. Além disso, na época conhecida como da inflação cósmica (10-34 s de idade do Universo), o horizonte se expandiu mais rápido do que a luz e assim o Universo é maior ainda. Raio, idade e conteúdo do Universo Conteúdo de estrelas no Universo observável: galáxias com 5x10 11 estrelas cada=5x10 22 estrelas x 2x10 33 g=1x10 56 g Entretanto, as estrelas são só 4% do Universo, dominam a matéria escura (26%) e energia escura (70%) não sabemos a natureza do que constitui 96% do Universo!

54 Albert Einstein V max = c c = km/s ij 8πG c G = 2 T ij 1916 Teoria da Relatividade Geral Relatividade Geral: Espaço = K x Energia-Momentum

55 Eclipse 29 de maio de 1919

56 Eclipse em Sobral, CE, 29 maio 1919 E=mc 2

57 Lente Gravitacional Cruz de Einstein (quasar a 8 bilhões de anos-luz imageado por galáxia a 400 milhões de anos luz)

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59 Lente Gravitacional

60 Anãs Brancas

61 J : min ab+ab Hermes et al Phase = 0 Phase = 0.5

62 Evidência de Ondas Gravitacionais RG: dp orb /dt = (-0.26 ± 0.05) ms/ano - observado (-0.28 ± 0.03) ms/ano D. Berry, GSFC

63 Ondas Gravitacionais Gravidade deforma o espaço Massas em movimento emitem ondas Ondas carregam energia Perda de energia reduz a órbita Ondas gravitacionais nunca foram observadas diretamente (Dr/r ~ )

64 Pulsar de 1054

65 Pulsar binário PSR Duas estrelas de nêutrons Período orbital = 7,75 horas Período de rotação do pulsar 59 milisegundos P/ t =(76,0 + 0,3) µs/ano Incerteza na Relatividade Geral é menor que 1/10 18 Russell Alan Hulse (1950-) e Joseph Hooton Taylor Jr. (1941-)

66 Z=8,2 d=13,1 bilhões anos-luz

67 Z=11,9 d=13,42 bilhões de a.l. HST UDFj Bouwens et al. 2013, ApJ, 765, L16B

68 HST: Galáxias formaram-se 1 Gano depois do Big-Bang

69 Universo é finito, Qual é o tamanho do horizonte? idade x c

70 Idade do Universo em 2014 Espectro da Radiação do Fundo do Universo = (13,798+0,037)Ganos Taxa de Expansão do Universo - Idade: 1/H = (13 + 1) Ganos Cúmulos Globulares - Idade: (13,2 + 1,5) Ganos Decaimento Radiativo - Idade: (12,5 + 3) Ganos Esfriamento das Anãs Brancas - Idade: (12,7 + 0,7) Ganos Distância às Supernovas Tipo I - Idade: (0.72/h)Ga,Λ NGC6903 SN1987A CenA

71 Matéria Escura 3H 2 8π G ρ = = 10 g/cm critica ρ obs = 2 x10 g/cm Energia Gravitacional = Energia Cinética ρ mat =(0.19 ± 0.06) ρ critica Fritz Zwicky 1937 Matéria Escura ~ 10 Matéria Luminosa

72 Matéria Escura: evidências observacionais Fonte: Cosmos, SAO Estrelas nas bordas externas das galáxias têm velocidades orbitais maiores do que pode ser explicado pela massa interna da galáxia: V 2 =GM/R (rotação Kepleriana)

73 Para explicar o movimento rápido das estrelas longe do centro das galáxias, deve existir um halo estendido de matéria escura, que teria massa 5 vezes maior do que a da matéria bariônica. Matéria Escura

74 Matéria Escura: evidências observacionais Galáxias em aglomerados têm velocidades maiores do que estimadas através da massa do aglomerado Massa de aglomerados de galáxias obtidas a partir de lentes gravitacionais dão valores ~ 5 vezes maiores do que o estimado a partir da radiação proveniente das galáxias. Figura: lentes gravitacionais (fonte: The internet Encyclopedia of Science)

75 Matéria Escura: natureza

76 Matéria Escura: natureza Bullet cluster, resultado da colisão de dois aglomerados de galáxias (passando um através do outro). A luz vermelha revela a distribuição do gás (que emite raios-x detectado pelo satélite Chandra) enquanto que a parte azul revela a distribuição de matéria escura obtida pelo método de lentes gravitacionais. Enquanto que a matéria luminosa se retarda pela interação, a matéria escura parece não sofrer nenhum distúrbio, revelando que sua natureza é mesmo diferente da natureza da matéria bariônica.

77 Linha do tempo

78 Energia escura 1998 SNIa

79 Energia Escura: observações de supernovas distantes de tipo Ia revelam aceleração da expansão do Universo

80 Energia Total do Universo

81 Expansão acelerada: é preciso uma energia que aja contra a gravidade para acelerar a expansão: a Energia Escura

82 A idade do Universo: o espaço também indica tempo A velocidade da luz é finita, portanto ao observarmos um astro a uma distância d, na verdade estamos observando seu passado, num tempo t(anos)=d(anos- luz)/c Exemplos: observamos: A) o Sol como era a 8 minutos atrás; B) a estrela α Centauri como era 4 anos atrás; C) a supernova observada em 1987 na Grande Nuvem de Magalhães, explodiu anos antes; D) Quasar a redshift z=1: observado quando Universo tinha metade da sua idade; D) a radiação de fundo: o Universo quando tinha idade de anos

83 Interpretação

84 Cronologia resumida do Universo Big-Bang + Inflação + formação das partículas (3m 48s) 380 mil anos: desacoplamento matéria e radiação, formação dos primeiros átomos 380 milhões de anos: formação das primeiras estrelas 8,7 bilhões de anos: formação do Sistema Solar 13,8 bilhões de anos: época atual 18 bilhões de anos: Sol vai evoluir para gigante vermelha, nebulosa planetária e anã branca

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86 Entre e de anos: era das trevas t=3x10 8 anos: estrelas e galáxias se formam: era da re-ionização, seguida dos primeiros GRB's (gamma-ray bursts) e quasares. t=8,7x10 9 anos: Sol surge como estrela. t=10x10 9 anos: primeiras formas de vida na Terra. t=13x10 9 anos: Animais primitivos se formam: algas, águas marinhas, conchas t=13,5x10 9 anos: Primeiros mamíferos evoluem a partir de répteis t=13,635x10 9 anos: Extinção dos dinossauros. t=13,669x10 9 anos: Surge o Homo Sapiens Fração da idade do Universo em que existiu o Homo Sapiens: = Se a idade do Universo fosse um dia, o Homo Sapiens só teria existido por 4 segundos; ou 23 min. em um ano

87 O presente Época da civilização moderna, quando homens começaram a estudar a natureza e compreender os mecanismos que dão origem às galáxias, estrelas e planetas, bem como sua evolução

88 O futuro t=10 14 anos: Fim da era estelar. Estrelas consumem todo o H em He. t=10 38 anos: Era das estrelas degeneradas: anãs brancas, estrelas de nêutrons, buracos negros. t= anos: Após t=10 38 anos, prótons começam a decair e particulas começam a se aniquilar; no fim só sobram buracos negros, que começam a evaporar pela radiação Hawking. t> anos: Era das trevas: prótons decaíram e buracos negros evaporaram, sobram fótons de baixíssima energia com comprimento de onda tendendo a infinito, neutrinos, elétrons e pósitrons.

89 Questões Qual o raio da Terra, do Sistema Solar, da Galáxia, do Aglomerado Local, do Superaglomerado Local e do Universo? Quais os métodos usados para determinação das distâncias acima? Como se determina a estrutura em grande escala do Universo? O que é a radiação de fundo de micro-ondas? Qual é o limite observável do Universo? Quais são os constituintes do Universo? Qual é a idade do Universo?

90 A Astronomia no Brasil Laboratório Nacional de Astrofísica ,6m

91 Novos telescópios para o Brasil Projeto Gemini: 2 telescópios de 8m (2,5%) Mauna Kea: Hawaii 1999 Cerro Pachon: Chile 2000

92 Telescópio Soar 30% de um telescópio de 4,2 metros