Curso Astrofísica Nuclear

Transcrição

1 Curso Astrofísica Nuclear 2016 Valdir Guimarães Instituto de Física Universidade de São Paulo São Paulo Edifício Oscar Sala Sala LINAC 210. Horário: 8:00 as 17:00 hs.

2 Carga horária e avaliação Período: 08 de Agosto a 02 de Dezembro 2 aulas de duas horas por semana x 15 semanas = 30 aulas (60 horas) Aulas formais (professor) = 20 aulas Seminários pelos alunos = 6 aulas solução de exercícios = 2 aulas outras atividades a serem desenvolvidas = 2 aulas 02 de setembro (sexta-feira) = participação no Encontro de Física 06 e 09 de setembro (terça e sexta-feira) = Semana da pátria 28 de outubro (sexta-feira) = dia do funcionário publico recesso 15 de novembro (terça-feira) = feriado

3 Pré-requisitos Física Nuclear: Vou dar as idéias básicas sobre propriedades nucleares importantes para astrofísica: massa, energia de ligação, modelo de camadas, ressonâncias, spin, paridade. Mecânica Quântica: Conhecimento básico de: momento angular acoplamento de momento angular spin e paridade função de onda elemento de matriz <Y final H Y inicial > Príncipio da incerteza Tunelamento de barreira (saber o que é)

4 Avaliação Seminários 4 páginas sobre o seminário por escrito, em inglês ou português. 2 Listas de exercícios Seminários a serem escolhidos dentre temas que complementem o curso e que estejam de alguma forma relacionado a astrofísica: Astronomia observacional, Modelos astrofísicos, física nuclear experimental, física nuclear teórica, gravitação, física atômica, aspectos técnicos de observatórios ou de aceleradores

5 Tópicos a serem abordados no curso Definição e abrangência da astrofísica nuclear. Big-Bang, e descrição da nucleossíntese de elementos leves no universo primordial. Abundância dos elementos. Física das estrelas, nascimento, evolução, equilibrio, equação de estado, luminosidade. A física nuclear: massa, energia de ligação, decaimento, ressonâncias. Reações de captura ressonante e não ressonante, Fator S-astrofísico, janela de Gamow, taxa de reações. Instrumentação em astrofísica nuclear, detectores e técnicas experimentais. Queima de hidrogênio nas estrelas, ciclo p-p e neutrinos solares Ciclo CNO frio e quente Queima de hélio, gigantes vermelhas, captura tripla de alfas, reação 12 C(a,p) 16 O. Processo-s de captura de nêutrons. Estrelas massivas e explosões de nova e supernova. Nucleossíntese de elementos mais pesados que o ferro. Queima explosiva, processo-r.

6 Livros texto O conteúdo das aulas serão obtidos de diferentes fontes, não exclusivamente dos livros textos. Christian Iliadis Nuclear Physics of Stars Esse livro é novo e recente (2015). É um livro completo e cheio de detalhes da área de astrofísica nuclear. Entra em detalhes de cálculos teóricos e experimentais. É um excelente livro para quem quer trabalhar na área. Claus E. Rolfs and W.S. Rodney Cauldrons in the Cosmos Esse livro é um clássico da astrofísica nuclear. Apesar te ter sido publicado em 1989 é ainda uma excelente fonte de consulta. É um livro completo e cheio de detalhes da área de astrofísica nuclear com ênfase na nucleossíntese. Excelente livro para quem quer trabalhar na área. Carlos Bertulani Nuclei in the Cosmos Esse livro é novo e recente (2013). O enfoque em reações nucleares. Cosmologia e evolução estelar são discutivos em detalhes

7 Astrofísica Nuclear Astrofísica é o campo responsável pelo estudo da síntese dos elementos, produção de energia e evolução das estrelas através de reações nucleares. A idéia desse curso é desenvolver os principios básicos que regem a relação entre as propriedades dos núcleos (que são tratados como grandezas quânticas) da escala de femtometro e as propriedades das estrelas governadas pela força gravitational - em escala da ordem de parsec. Vou tentar mostrar essa relação para vários entes e cenários astrofísicos e mostrar como a nucleossíntes e reações nucleares definem os eventos de evolução das estrelas. Vou dar uma certa ênfase nas técnicas utilizadas para se estudar os detalhes desses fenômenos do ponto de vista da Física Nuclear.

8 O que é parsec? A palavra parsec surgiu da contração das palavras "paralax" (paralaxe) e "second" (segundo). 1pc é equivale à distância de um objeto cuja paralaxe anual média vale um segundo de arco (1"). 8

9 Perguntas mais importante na Física Based on National Academy of Science Report [Committee for the Physics of the Universe (CPU)] 1) O que é Matéria escura? 2) O que é Energia escura? 3) Como são sintetizados os elementos mais pesados que o Ferro? 4) Neutrinos tem massa? 5) Da onde as partículas ultra-energética vieram? 6) Precisamos da nova teoria de luz e matéria para explicar o que acontece em altíssimas energia e temperatura? 7) Existe algum estado novo da matéria em altíssimas energias e temperaturas? 8) Os protons são instáveis? 9) O que é gravidade? 10) Existem outras dimensões? 11) Como o universo começou?

10 Perguntas específicas da astrofísica nuclear Como se da a síntese dos elementos? Como é gerada energia do Sol e das estrelas? Como o Sol e estrelas se formaram, se formam e evoluem? Como se dá a produção dos neutrinos solares? Como surgem os diferentes entes astrofísicos? Estrela gigante vermelha, Nova Supernova Estrelas de neutrons Buracos negros Como se dão os processos explosivos (nova e supernova)? Astrofísica Nuclear

11 Astrofísica nuclear é interdisciplinar Astrofísica (hidrodinâmica) Teoria (Física Nuclear) Experiências (medidas em laboratório) (feixes kev-gev) Modelos estelares Previsões Emissão partíclas, abundâncias, evolução química, geração energia, luminosidade Observações Espectroscopicas, luminosidade, abundâncias em meteoritos

12 Composição do Universo Antes de tentar responder a qualquer uma dessas perguntas precisamos saber que elementos atualmente existe no universo, ou em outras palavras o que tem no universo. Do que o Universo é feito? R: Não sabemos ao certo 68.3% Energia Escura (mas não sabemos o que é isso) 26.8% Materia escura fria (mas não sabemos o que é isso) 4.9% matéria (núcleos e elétrons) 0.5% visto como estrelas. A ser estudado nesse curso Fonte: satélite Planck em Porque se preocupar com os 5%???? Porque somos feitos desse material 12

13 Matéria escura Curva de rotação. Velocidade de rotação em função da distância ao centro. Essa curva é usada para medir a massa do centro. Na curva ao lado o que importa é a massa do Sol, já que a massa dos planetas é muito pequena comparada ao do Sol. Quanto mais longe do Sol mais lento o planeta. Astronomos descobriram muitas galáxias com uma cuva de rotação flat, incluindo a Via Lactea. A curva de rotação das galáxias indica que a massa não é concentrada no centro mas distribuída. Não podemos ver essa massa 90% da massa do universo é matéria escura. 13

14 Matéria escura A luz se curva ao passar por um objeto massivo. (Efeito da curvatura do espaço da relatividade geral) A imagem da luz de uma estrela fica distorcida em discos ou arco de circunferência. O quanto a luz é distorcida dá indicação da massa do objeto massivo. observações indicam uma grande quantidade de matéria escura nas galáxias. Imagem do telescópio Hubble da Galaxia Abell Os arcos luminosos são uma clara indicação da presença da matéria escura 14

15 Energia escura Não sabemos ao certo o que é energia escura. A existência da energia escura é necessária para explicar a quantidade total de matéria no universo. Resultado da anisotropia da radiação de fundo (CMB) indica que o universo é plano. Para que o universo seja plano é preciso uma densidade crítica de massa/energia. 68.3% energia escura, 26.8% matéria escura, 4.9% matéria. 15

16 Prova da nucleossíntese Radioatividade galática - raios gamma g Nossa galáxia é transparente a raios-gama. Imagem mostra aonde estão sendo emitidos raios gamas. Portanto aonde estão acontecendo produção de elementos instáveis (com meia vida curta). 44 Ti emitido por Supernova (meia-vida 60 anos)

17 Descoberta do Tecnécio (Tc) nas estrelas. Tecnécio não tem isótopo estável e a vida-media é de 4 Milhões de anos Pagel Fig 1.8 Prova da nucleosíntese nas estrelas 17

18 Nucleosíntese é um processo em andamento Nucleosíntese é um processo gradual que está continuamente em andamento H, He, Li Big-Bang Formação das estrelas Material ejectado Enriquecimento e aumento da metalicidade continuo Nucleossíntese Vida de uma estrela Remanescentes: Black Hole Neutron Start Anã Braca Meio interestelar Morte de uma estrela (supernova ou nebulosa planetária) Nucleossíntese

19 Abundância relativa - Nós somos feitos de poeira estelar Frase dita por Carl Segan

20 Origem dos elementos no Universo Asymptotic Giant Branch

21 Céu a olho nu