O COMEÇO DO UNIVERSO O BIG-BANG

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1 O COMEÇO DO UNIVERSO O BIG-BANG

2 ESTÁGIOS INICIAIS DO UNIVERSO No modelo padrão do Big-Bang, de acordo com as equações de Friedmann, os estágios iniciais do universo são caracterizados por condições de alta densidade e alta temperatura. Como se comportava a energia e matéria no universo dentro destas condições? Chave para o entendimento: processo de interação chamado produção de pares

3 Produção de pares = 2 fótons dão origem a um par partícula- antipartícula Exemplo para pósitron (e + ) e elétron (e-) (a) matéria é criada diretamente da energia (radiação eletromagnética). (b) processo reverso: partícula e antipartícula aniquilam-se para produzir radiação.

4 RESUMO Acima de uma certa T (energia dos fótons) há criação e aniquilação contínua de matéria-antimatéria. A medida que o universo se expande universo se resfria fótons diminuem sua energia até não ser mais possível a formação de qualquer partícula por este meio.

5 RESUMO A uma dada temperatura temos um universo constituído de quarks-antiquarks + elétronsantielétrons + neutrinos-antineutrinos +radiação (fótons) QUARKS = FORMAM OS PRÓTONS E NÊUTRONS

6 RESUMO Matéria é constituída de: 1. Léptons (elétrons, neutrinos) 2. Quarks (formam os prótons, nêutrons, etc..)

7 RESUMO A medida que o universo se expandiu, num dado momento quando a temperatura está abaixo de uma temperatura limite T L para formação de partículas, a quantidade de matéria resultante foi maior do que a de anti-matéria... Isso fez com que a toda a matéria não fosse aniquilada pela antimatéria, resultando no universo observado hoje que é composto de matéria. A medida que a temperatura foi diminuindo, a matéria foi se agrupando e formando estruturas cada vez mais complexas: átomos planetas estrelas galáxias estrutura em grande escala

8 A EVOLUÇÃO DO UNIVERSO

9 ERA DE PLANCK

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11 t < s, T > K ERA DE PLANCK Leis conhecidas da física não podem explicar a evolução do universo neste tempo supergravidade ou gravitação quântica unificação das 4 forças fundamentais gravitação eletromagnética nuclear forte nuclear fraca Na era de Planck estas forças são indistinguíveis (simétricas)

12 Gravitacional : força de alcance infinito, varia com 1/d 2, afeta tudo no universo Eletromagnética: força de alcance infinito, varia com 1/d 2, afeta somente partículas carregadas. Nuclear forte: força de curto alcance (10-15 m), mantém ligados os constituintes de um núcleo atômico: quarks prótons e nêutrons. Núcleos protons + nêutrons Quarks formando um nêutron (gluons são mediadores da força nuclear forte).

13 Nuclear fraca: força de curto alcance (mediadores = Bózons W e Z) alcance (10-17 m), responsável pelo decaimento radiativo (ex. C 14 em N 14 decaimento beta) Decaimento do nêutron Partícula = elétrons ou pósitrons de alta energia Força forte = 137 força eletromagnética 10 6 força fraca força gravitacional

14 t PLANCK ~10-43 s = limite de validade da TRG comprimento de Planck: r PLANCK ~ cm = raio do universo no t PLANCK Comparação do tamanho do universo e um núcleo de Hélio cm

15 Teoria das cordas e supercordas (cordas cósmicas) Tentativa de unificação das forças fundamentais Tentativa de descrição de t < t PL : Postulado: matéria e energia podem ser reduzidas a fios minúsculos de energia, que vibram num universo de n dimensões descreve forças e partículas elementares como modos de vibração de cordas (loops) (modelo matemático) Cada frequência diferente de vibração corresponde a uma partícula subatômica ou quanta Cordas =vibram num E-T de inúmeras dimensões

16 De acordo com esta teoria, nossos corpos, que são feitos de partículas subatômicas, podem ser descritos pelas ressonâncias de trilhões e trilhões de cordas minúsculas. Notas" da supercorda =partículas subatômicas Harmonias" das supercordas = leis da física Universo" = sinfonia de supercordas vibrando. A vibração de uma corda faz o continuum E-T circunvizinho se curvar. Cálculos detalhados mostram que a supercorda força o E-T a ser curvado conforme a TRG de Einstein. Assim, nós temos uma descrição harmoniosa que funde a teoria dos quanta com a teoria do continuum E-T.

17 (1984) + atual: teoria das cordas cósmicas ou superstrings Michael Green e John Schwarz Universo começou com 10 dimensões Do ponto de vista matemático, somar dimensões mais altas tem uma grande vantagem: permite descrever cada vez mais forças. Há mais "tolerância" em dimensões mais altas para unir a força eletromagnética a força gravitacional. Acrescentando sempre mais dimensões a uma teoria, permite unificar as leis da física.

18 Teoria requer a existência de 9 dimensões espaciais e uma temporal = 10 dimensões no total Cada ponto do E-T quadri-dimensional tem dimensões extras que não podem ser detectadas a distâncias > r PL estão enroladas sobre si mesmas com distâncias < r PL As dimensões se compactaram após s após a formação do universo (t PLANCK!!!)

19 Na era de Planck Nestas altíssimas energias e temperaturas: forças são SIMÉTRICAS são indistinguíveis em intensidade e forma Quebra de simetria = forças distintas

20 ERA GUT GREAT UNIFIED THEORY

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22 10-43 s t < s : K T > K ERA DOS GUTs (Teoria da Grande Unificação) Universo contém matéria GUT = combinação do que vai ser quarks, léptons e fótons. (energia e temperatura eram muito altas para a formação destas partículas) E-T quadridimensional Forças eletromagnética, forte e fraca unificadas Separação da gravitação (desacoplamento de grávitrons) grávitrons = mediadores da força gravitacional

23 ERA HADRÔNICA

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25 10-35 s < t < 10-4 s ERA HADRÔNICA era de formação das partículas pesadas hádrons: partículas formadas por conjuntos de quarks No início t = s separação entre a força forte e eletrofraca (eletromagnética + fraca) formação dos quarks e léptons (produção de pares)

26 ERA HADRÔNICA 1. Léptons (elétrons, neutrinos, etc...) interagem através de força eletrofraca 2. Quarks (formam os prótons, nêutrons, etc..) interagem através das forças forte e eletrofraca Toda a matéria conhecida no universo pode ser descrita em termos de léptons e quarks e as forças que atuam entre eles:

27 Evolução da matéria ERA HADRÔNICA Até t=10-11 s: formação de uma quantidade maior de quarks do que anti-quarks mais matéria do que anti-matéria aniquilação matéria-antimatéria deixa mais matéria!!!

28 ERA HADRÔNICA

29 t = s T ~ K ERA HADRÔNICA separação das forças eletromagnética e fraca abaixo desta energia ou T a força fraca agirá somente a distâncias < cm (~ 1000 menor que o tamanho de um núcleo)

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31 t < 10-6 s T > K ERA HADRÔNICA Fótons colidem para formar q e q + q + q = interconversão de partículas ou produção de pares reações mais rápidas do que a variação de densidade (devido à expansão) tempo para estabelecer um estado de equilíbrio Matéria e radiação em equilíbrio durante a era radiativa t ~ 10-6 s T ~ K Com a diminuição de T os quarks começam a ficar confinados: formação de prótons e nêutrons.

32 FINAL DA ERA HADRÔNICA Para T < K: não é mais possível formar p e n ou quarks por produção de pares Mas continua a aniquilação: p + p + T ~ K (t~2x10-6 s) os pares tem E ~ 0 e se aniquilam época da maior aniquilação!!! T << K vai decrescendo a aniquilação

33 FINAL DA ERA HADRÔNICA Em t~10-5 s ocorre o total confinamento de quarks em prótons e nêutrons e outras partículas transição quark-hádron 3 quarks=bárions Teoria de partículas elementares também tenta explicar porque temos mais matéria do que anti-matéria (assimetria matéria-antimatéria. Resultado: léptons (è,,,,suas antipartículas) + hádrons que não se aniquilaram

34 ERA LEPTÔNICA

35 ERA LEPTÔNICA formação de todas as partículas constituintes da matéria: léptons e hádrons.

36 10-5 s < t < 10 2 s K < T< 10 4 K ERA LEPTÔNICA era das partículas leves A criação por produção de pares de quarks-antiquarks, logo de partículas mais pesadas como prótons e nêutrons, deixa de ocorrer pois os fótons não tem energia suficiente. energia de colisão dos fótons menor construção de partículas mais leves tais como elétrons e neutrinos + e + e + + +

37 t < 0.3 s : estão em equilíbrio térmico com os fótons + outros léptons e + e + e + e t ~ 0.3 s: começo do universo transparente aos neutrinos ( e ) os neutrinos não interagem mais com a matéria (via interação fraca) a seção de choque dos neutrinos é muito pequena, e com a expansão do universo a probabilidade de choque entre eles e outras partículas fica cada vez menor. t ~ 1-2 s: DESACOPLAMENTO DE TODOS OS TIPOS DE NEUTRINOS Neutrinos primordiais : não detectado pela tecnologia atual (energia muito pequena 0,0004 ev)

38 t ~ 1s - 2 s T 10 9 K universo com fotóns, elétrons, prótons, nêutrons, neutrinos + anti-partículas p e n estão em equilíbrio através das reações: p + e n + e p + e n + e + n decaem espontaneamente em p n p + e + e n fora do núcleo são instáveis + provável a formação de um próton do que um nêutron.

39 Enquanto T ~ 10 9 K : o número de prótons é praticamente igual ao de nêutrons n p ~ n n Quando T < 10 9 K (t~2s) o n o de prótons cresce em relação ao de nêutrons Os nêutrons não desaparecem completamente porque as reações nucleares começam a acontecer, ou seja, prótons e nêutrons começam a se agregar formando os núcleos atômicos. Isso acaba com a reação espontânea n p + e + e

40 No final da era leptônica temos formadas todas as partículas constituintes da matéria: léptons e hádrons. A medida que a T decresce com a expansão do universo, os prótons e nêutrons começam a se agregar para formar os núcleos atômicos ERA NUCLEAR

41 RESUMO DA HISTÓRIA DO UNIVERSO Era da radiação Época Tempo Densidade Temperatura Característica principal (após o Big- Bang) (kg/m 3 ) (K) Planck s Física desconhecida Gravitação quântica 4 forças unificadas GUT s Separação da força gravitacional 3 forças unificadas Matéria GUT Final da era GUT: separação da força forte da eletrofraca Hadrônica s forças separadas Formação dos léptons, quarks e prótons e nêutrons (por produção de pares ou confinamento de quarks). T grande o suficiente para formar partículas de maior massa. Leptônica s Somente partículas leves (léptons) formam-se por produção de pares. Neutrinos desacoplam.

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43 ERA NUCLEAR t ~15 s depois do Big-bang (T~10 7 K) Matéria no universo consiste em prótons + nêutrons + elétrons, com prótons ~ 5 nêutrons t > 15 s: começam as reações de fusão nuclear: formação do deutério n + p D + Transformação do deutério em elementos + pesados D + D 3 He + n T + p 3 He + n T + p T + D 4 He + n D = 1 próton + 1 nêutron T = 1 próton + 2 nêutrons 3 He = 2 prótons + 1 nêutron 4 He = 2 prótons + 2 nêutrons Mesmo elemento = mesmo número atômico (n o de prótons) Pode ter diferente número de massa (n o de prótons e de nêutrons)

44 t > 1 min T < 10 5 K Formação principalmente de deutério D e Hélio He cadeia de reações: n + p D + D + D 3 He + n T + p 3 He + n T + p T + D 4 He + n reações ocorrem até ~ 4 min Nota: o He formado em estrelas não explica a abundância de He observada atualmente uma quantidade significativa de He foi formado na época radiativa do universo (He primordial).

45 Após ~ 4 min não há energia suficiente para formar os núcleos mais pesados. O 4 He calculado é ~ 25% da massa dos elementos formados no universo (próximo ao observado), o 75% restante é de H. A maior parte do He formado nas estrelas ainda está no seus interiores. os 25% de He observados no gás interestelar e atmosferas de estrelas foram necessariamente formados no Big-Bang Sucesso do modelo cosmológico padrão (Big-Bang) previsão da nucleossíntese primordial

46 Matéria no universo encontrada em ~ 4 minutos após o Big-Bang: elétrons núcleos de H (deutério) núcleos de He dark matter A radiação (fótons) interage com os elétrons livres T ~ 3000 K e t ~ anos Universo transparente aos fótons = fótons não interagem mais com a matéria elétrons começam a se recombinar com os núcleos formando os átomos neutros FIM DA ERA RADIATIVA

47 t ~ anos: T ~ 3000 K antes ERA DA RECOMBINAÇÃO depois Fótons não interagem mais com a matéria Radiação cósmica de fundo observada hoje!

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49 RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO (RCF) fótons da RCF raios gamma Fotóns visíveis em t~ anos do big-bang desacoplamento RCF também se expande com o universo

50 Flutuações da RCF Mapas da RCF: 1 vermelho = + quente azul = + frio aparência de dipolo: movimento da Galáxia numa dada direção redshift / blueshift da RCF

51 corrigindo... 2 emissão no far-ir pelo gás no plano galáctico correção: assumindo uma certa distribuição de matéria na Galáxia

52 corrigindo... 3 Isotrópica > 1 parte em ~ 10 5 Cosmic Background Explorer (COBE) Resolução = 7 o resultado flutuações na temperatura dos fótons da RCF flutuações na densidade do gás no momento da recombinação

53 WMAP: mais alta resolução: 25 Wilkinson Microwave Anosotropy Probe Flutuações ao redor da T = 2,7 K (±300μK)

54 para criar as nuvens protogalácticas: É necessário crescimento de algumas flutuações de densidade As flutuações da RCF são a ligação entre o BB e a estrutura em grande escala de galáxias no universo e suas distribuições em termos de aglomerados de galáxias e filamentos.

55 observado teórico universo aberto flutuações menores universo fechado: distorção do E-T magnifica as flutuações

56 PROBLEMAS COM O MODELO COSMOLÓGICO PADRÃO

57 O PROBLEMA DO HORIZONTE Medimos hoje uma RCF ~isótropica sua temperatura é ~ constante (T=2,7 K) A RCF medida hoje corresponde a uma radiação vinda de uma distância presente de 14 Gpc, o que dá um redshift z~1500.

58 o universo é considerado homogêneo e isotrópico em grandes escalas A radiação cósmica de fundo apresenta uma grande isotropia: duas regiões opostas no céu têm a mesma aparência. As duas regiões opostas estiveram conectadas tempo suficiente para transmitir energia uma para a outra e entrar em equilíbrio (será?).

59 Pelo modelo padrão do Big Bang, quando essas regiões emitiram a radiação que agora estamos observando, elas já se encontravam separadas por uma distância maior do que a luz poderia percorrer no tempo de existência que o universo tinha então (Z=1500). Essas regiões estavam fora do "horizonte" uma da outra.

60 Conclusão os dois limites do universo A e B que hoje observamos não tiveram tempo suficiente de interagir fisicamente entre si desde o desacoplamento. Então não haveria razão para que os dois extremos, que não possuiam contato causal entre si, sejam parecidos!!

61 O PROBLEMA DA CURVATURA Grupos e aglomerados de galáxias (+ matéria escura): M ~ 0,2-0,3 Energia escura: = 0,7 0,75 O valor de TOT é próximo a 1, o que caracteriza um universo de geometria plana

62 Para que hoje em dia tenhamos um valor de TOT tão próximo a 1, no passado TOT deve ter sido

63 Ou seja, no modelo padrão do Big-Bang Sempre foi exatamente 1

64 O MODELO INFLACIONÁRIO DA EXPANSÃO DO UNIVERSO Harvey Guth e modificado por Steinhardt e Linde (1981) aplicação de idéias provenientes dos GUTs Vimos que em t t GUT ~ s há a separação das forças forte e eletrofraca T~ k (de acordo com o modelo padrão) há uma quebra de simetria neste instante

65 Quando há a quebra de simetria no final da era GUT resultando na separação da força forte da eletrofraca (t=10-35 s) há uma mudança significativa na expansão do universo! INFLAÇÃO Quebra de simetria = transição de fase transições de fase ocorrem nos pontos de unificação das forças fundamentais desacoplamento de uma das forças causa uma mudança no universo como um todo.

66 Em t GUT a transição de fase (separação da força forte) leva a um estado meta-estável durante um certo t ESTADO DE VÁCUO FALSO (força repulsiva torna-se muito maior que a atrativa (gravidade) Nesta época o universo aumenta o seu tamanho cerca de vezes!!! expansão ocorre a v > c?! SIM! expansão na geometria (E-T) do universo e não da matéria e radiação! não há violação da TRG Após, o universo continua com a sua expansão normal.

67 Consequências: Inflação: somente uma partedo BB original está dentro no nosso horizonte nosso universo

68 Após a inflação Universo de bolhas Nosso universo visível é uma bolha de um universo maior Toda a região dentro da nossa bolha é homogênea pq sempre esteve em contato desde a época pré-inflacionária.

69 Resolução do problema do horizonte: nosso universo é um pequeno pedaço isotrópico de um universo maior todo o pedaço sempre esteve em contato causal antes e depois da época da inflação, então têm as mesmas propriedades físicas

70 Resolução do problema da curvatura: inflação = zoom de uma muito pequena seção do universo (deverá ser localmente plano!) Qualquer geometria que o universo tivesse antes da inflação ou tenha após a inflação, com o crescimento de vezes o universo observável torna-se plano

71 Quantidade de estruturas de diferentes escalas angulares Linha azul: modelo teórico para um universo plano o=1 73% de dark energy, 27% de matéria.