Tópicos de Física Geral I Cosmologia: o que sabemos sobre a história do universo? Miguel Quartin

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1 Tópicos de Física Geral I 2016 Cosmologia: o que sabemos sobre a história do universo? Miguel Quartin Instituto de Física, UFRJ Grupo: Astrofísica, Relatividade e Cosmologia (ARCOS) 1

2 Resumo do Seminário Panorama do que sabemos Expansão do universo Big-bang Como descobrimos? Componentes do universo Matéria escura Energia escura Instrumentos satélites, sondas e telescópios modernos 2

3 Panorama do que sabemos 3

4 O universo visível O sol é uma das ~1011 estrelas da Via Láctea A Via Láctea é uma galáxia espiral comum bilhões!!! Pode ser vista facilmente à olho nu à noite em lugares escuros (longe do Rio!) O universo contém mais de 1011 galáxias 1011 x 1011 ~ 1022 estrelas! 4

5 Via Láctea anos-luz anos-luz Sol 5

6 O universo está em expansão Em média, todas as galáxias se afastam das demais A velocidade de expansão é proporcional à distância Lei de Hubble: 6

7 O universo está em expansão 7

8 A Lei de Hubble 8

9 109 anos-luz 2 x 109 anos-luz 9

10 Big Bang! Extrapolando a expansão para o passado... Big Ban g! 10

11 História do Universo Desacoplamento matéria radiação Era Eletrofraca Era de Planck Inflação Nucleosíntese primordial 11 Formação de galáxias

12 O universo está em expansão 12

13 Relatividade Geral A teoria básica da cosmologia é a Relatividade Geral Gravitação Newtoniana Rel. Geral de Einstein Gravidade: força deformação do espaço-tempo 13

14 Relatividade Geral A teoria básica da cosmologia é a Relatividade Geral Gravitação Newtoniana Rel. Geral de Einstein Gravidade: força deformação do espaço-tempo 14

15 Relatividade Geral A teoria básica da cosmologia é a Relatividade Geral Gravitação Newtoniana Rel. Geral de Einstein Gravidade: força deformação do espaço-tempo Órbitas mais precisas Expansão do universo Formação de estruturas Buracos negros Lentes gravitacionais Ondas gravitacionais GPS!!! 15

16 Homogeneidade e Isotropia O Universo é homogêneo e isotrópico nas grandes escalas Menor escala para tal: ~ 300 milhões de anos-luz Isotropia e Homogeneidade 2 conceitos independentes Isotropia ao redor de todos pontos homogeneidade Princípio de Copérnico: não vivemos em um local especial do universo Princípio Cosmológico: em escalas grandes o suficiente o Universo é o mesmo para todos os observadores 16

17 Homogeneidade e Isotropia (2) 6 milhões de anos luz 600 milhões de anos luz 17

18 Como descobrimos? O problema das distâncias 18

19 metros metros O fluxo observado é inversamente proporcional ao quadrado da distância à fonte. 19

20 metros metros O fluxo observado é inversamente proporcional ao quadrado da distância à fonte. 20

21 Ferramentas Observacionais Efeito de Paralaxe Estelar Espectro da luz O desvio para o vermelho (redshift) Supernovas Radiação Cósmica de Fundo 21

22 Paralaxe Estelar 22

23 O Espectro da Luz 23

24 Espectro contínuo Tela fenda Prisma Lâmpada Espectro contínuo + linhas de absorção Fótons reemitidos Tela fenda Gás frio Lâmpada Prisma 24

25 Espectro contínuo Tela Prisma Lâmpada lho e m v er erd e a v let o i v Tela linhas de emissão Prisma Hidrogênio aquecido 25

26 26 Espectro de emissão de alguns elementos conhecidos

27 Efeito Doppler e desvio para o vermelho Desvio para o azul desvio para o vermelho z Desvio para o vermelho 27

28 Efeito Doppler e desvio para o vermelho Espectro de referência Espectro observado desvio para o vermelho 28

29 Hidr ogênio Intensidade relativa Variação de l o l f = 6562,8 A o lobs = 6615 A ,8 = 0, ,8 v = z c = km/seg z= 1 Angstr&o& m = 0, metro Comprimento de onda (angström) 29

30 Vela padrão: supernova do tipo Ia Anã Branca Explosão resultante de uma detonação termonuclear de uma estrela Anã Branca que acreta matéria de uma estrela companheira 30

31 Supernova Supernovae do Tipo Ia 31

32 Supernova 1997ck 4 de abril de de abril de 1997 Uma das supernovas mais distante até hoje descobertas. Afasta-se com ~ 60% da velocidade da luz (= km/s) A luz dessa supernova leva 8 bilhões de anos para chegar a Terra 32

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34 SN do Tipo Ia são Velas-Padrão metros metros 34

35 Diagrama de Hubble dlum(z) 35

36 A Radiação Cósmica de Fundo É uma radiação de corpo negro de microondas (T ~ 3K). Idade do universo na emissão anos Isotrópica! T = 2,73 K 36

37 A Radiação Cósmica de Fundo É uma radiação de corpo negro de microondas (T ~ 3K). Idade do universo na emissão anos Isotrópica! ou quase... 37

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39 Componentes do Universo 39

40 Um universo muito estranho! Elementos pesados 0,03% Neutrinos 0,3% Estrelas 0,5% Hidrogênio livre e Hélio 4% Matéria Escura 24% ± 2% Energia Escura 72% ± 2% 40

41 Um universo muito estranho! Elementos pesados 0,03% Neutrinos 0,3% Estrelas 0,5% Hidrogênio livre e Hélio 4% Matéria Escura 24% ± 2% Energia Escura 72% ± 2% 41

42 Matéria Escura Existem fortes evidências que há muito mais matéria no Universo do que conseguimos enxergar diretamente Essa matéria não EMITE nem ABSORVE luz É chamada portanto de matéria escura Um nome mais apropriado seria matéria invisível Matéria escura causa dois efeitos importantes: Altera a órbita das estrelas e fo gás ao redor da galáxia O sol orbita a Via Láctea com período de 200 milhões de anos Altera a trajetória da luz Lentes Gravitacionais 42

43 Matéria Escura Curvas de rotação de galáxias Estimativa simples aceleração centrípeta Matéria escura é menos concentrada disco estelar Matéria escura gás astro-ph/

44 Energia Escura velocidade constante desacelerado acelerado 44

45 Energia Escura velocidade constante desacelerado acelerado O universo está acelerado!!! acelerado 45

46 quasar Imagem A Lenteamento Gravitacional Forte Imagem B Galáxia lente Lente Galáxia 1-3 Grupo de Galáxias 5-10 Aglomerado >30 Observador

47 Formação de Arcos Lentes Gravitationais no Aglomerado de Galáxias Abell 2218

48 Cruz de Einstein Anel de Einstein Micro-lenteamento

49 Energia Escura Algumas observações nas maiores escalas estão em conflito com nosso modelo de universo com: matéria convencional + luz + matéria escura As galáxias estão se afastando cada vez mais rápido (aceleração cósmica) A distribuição de galáxias no universo está menos concentrada do que esperávamos As galáxias mais antigas estimamos > 11 bilhões de anos Antigo modelo do Universo idade < 10 bilhões de anos É possível corrigir todos esses problemas adicionando um ingrediente ao nosso modelo a energia escura 49

50 Energia Escura Medidas de distância ao longo do tempo permitem medir velocidade e aceleração Energia Escura é o nome dado à componente (desconhecida) responsável pela aceleração observada 50

51 O Futuro? É muito importante aqui distinguir ciência da filosofia Isso é válido sempre, mas em cosmologia é mais comum a confusão Nosso conhecimento sobre a dinâmica do universo ainda não está sólida o suficiente para termos confiança na sua evolução futura Diferentes teorias prevêm diferentes finais É no momento mais filosofia do que ciência prever o destino do universo Popper teorias científicas tem que ser falseáveis 51

52 Instrumentos 52

53 Alguns Telescópios CFHT - 4m Very Large Telescope (VLT) 4 x 8.2m Telescópios Keck 2 x 8m Hubble 2.4m 53

54 Extremely Large Telescope (E-ELT) 39m inauguração:

55 2020: Euclid Satellite & Large Sinoptic Survey Telescope 55

56 COBE: US$ 600 M, 4 anos WMAP: US$ 200 M, 9 anos

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59 Última geração: sonda Planck ( ) 59

60 Super-computadores 60

61 Simulações Hidrodinâmicas 61

62 Do que eu não falei Candidatos para Energia Escura (+ cosmologia) Candidatos para Matéria Escura (+ física de partículas) Ondas gravitacionais (próximo prêmio Nobel?) Nucleossíntese (formação dos átomos) Oscilações Acústicas de Bárions Possíveis modificações da teoria de gravitação (relatividade geral)... Muitas outras coisas! 62

63 Cosmologia na UFRJ Grupo de Astrofísica, Relatividade e Cosmologia (ARCOS) Integrantes: Ioav Waga Marcelo Byrro Ribeiro Mauricio Calvão Miguel Quartin Ribamar Reis Sergio Jorás + pos-docs e alunos 63