Explorando o Universo

Transcrição

1 Explorando o Universo Kepler Instituto de Física UFRGS Porto Alegre, 2013

2 Kepler Instituto de Física UFRGS Porto Alegre, 2013

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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 A Terra como um grão de pimenta A Terra como um grão de pimenta Escala 1mm=6000 km km m mm Representação 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 Sol

7 31 de agosto de 2012

8 Sol é 100x maior que a Terra

9 O Sol em 2013 Samuel Heinrich Schwabe ( ) 12 de maio de 2013

10 maio 17 maio 18 a 23 abril 7 fev, 23 jan

11 Ciclo solar

12 Potências de 10: as estruturas no Universo em sequências de potências de 10, de escalas pequenas até galáticas ( anos-luz= m

13 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

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

15 Floresta de árvores

16 Paradoxo de Olbers Heinrich Wilhem Mattäus Olbers (1826)

17 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)

18 Solução do Paradoxo Se estrelas têm raio médio de R= km seção reta σ=πr 2 Se a separação média entre as estrelas é de r=4a.l. seção reta Σ=πr 2 A razão entre as áreas dá o no. mínimo de estrelas necessárias para tapar todo o céu (na hipótese de que uma não se alinhe atrás da outra): N= (πr 2 )/(πr 2 ) =3x10 15 estrelas Se a densidade média das estrelas é n=1/(4 a.l.) 3,pode-se obter a distância d mínima necessária para acumular o número acima de estrelas: A distância 4x10 15 a.l. é vezes maior do que o raio observável do Universo (13,7 bilhões de a.l.)! Conclusão: o Universo é escuro à noite porque seu raio observável é menor do que o necessário para acumular o número de estrelas suficientes para tornar todo o céu brilhante!

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

20 Indicadores de Distância

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

22 Como se busca supernovas

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:

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26 Quasares

27 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

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

29 Tamanho da Via Láctea Diâmetro: a.l.

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

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 Viagem até o 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 O Grande Atrator Concentração de massa na direção do Aglomerado de Norma que atrai o Super-Aglomerado Local Distância: 250 milhões a.l.

34 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)

35 Estrutura em grande escala do Universo: 2MASS, near-ir

36 Estrutura em grande escala: SLOAN survey, EUA, Inglaterra e Alemanha: redshifts Plano da Via-Láctea

37 Distâncias e direções das galáxias do SLOAN (1 st. Release) Estrutura comum: "esponja" galáxias se distribuem como na superfície de bolhas; vazios de 50 Mpc = 150x10 6 a.l. Distância média entre galáxias: r=3x10 6 a.l. Densidade de matéria: M Sol / (4/3πr 3 )= 2x10-30 g/cm 3

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

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40 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

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42 Edwin Hubble 1929 Velocidade=H x distância

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 Linha do Tempo

46 Raio do Universo: Na prática, 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 2013 pelo Planck (antes disso, poder-se- ia obter informação através de ondas gravitacionais)

47 Interpretação dos dados do WMAP

48 Universo tem um raio observável de 13,7 bilhões de anos-luz porque ele tem uma idade de 13,7 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 0.5% do Universo, dominam a matéria escura (26%) e energia escura (70%) não sabemos a natureza do que constitui 96% do Universo!

49 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)

50 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

51 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)

52 Matéria Escura: natureza

53 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.

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

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

56 Big Bang

57 Expansão

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

59 Eclipse 29 de maio de 1919

60 Eclipse em Sobral, CE, 29 maio 1919

61 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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63 Lente Gravitacional

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

66 Z=8,2 d=13,1 bilhões anos-luz

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

68 Arno Penzias e Robert Wilson 1964

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

70 Instabilidade gravitacional

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

72 Idade do Universo em 2013 Espectro da Radiação do Fundo do Universo = (13,73+0,12)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

73 Energia escura 1998 SNIa

74 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?

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

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

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