Curso de Cosmologia 2013B. M a r t í n M a k l e r CBPF

Transcrição

1 Curso de Cosmologia 2013B M a r t í n M a k l e r CBPF

2 Ementa curso de Cosmologia Parte I Fenomenologia e visão geral da cosmologia. Da expansão do Universo à formação não- linear de estruturas. Parte II O modelo de Friedmann: geometria, dinâmica e observações Parte III História térmica do Universo Parte IV Evolução linear de perturbações e formação de estruturas Parte V Radiação cósmica de fundo Parte VI Evolução não- linear de estruturas Parte VII Lentes Gravitacionais Parte VIII Tópicos de cosmologia observacional Parte IX Apresentação de trabalhos de Lim do curso Método de avaliação: listas de exercício (60%) e trabalho Linal (40%)

3 Cosmologia O estudo da estrutura, evolução e origem do Universo

4 Fenomenologia

5 Fenomenologia Universo do Cosmólogo Teórico: Homogêneo e isotrópico Dominado por matéria/energia escura

6 Fenomenologia Universo do Cosmólogo Teórico: Homogêneo e isotrópico Dominado por matéria/energia escura Universo do Astrônomo: Galáxias, gás, estrelas, etc.

7 Fenomenologia Universo do Cosmólogo Teórico: Homogêneo e isotrópico Dominado por matéria/energia escura Universo do Astrônomo: Galáxias, gás, estrelas, etc.

8 Fenomenologia Universo do Cosmólogo Teórico: Homogêneo e isotrópico Dominado por matéria/energia escura Universo do Astrônomo: Galáxias, gás, estrelas, etc. Ponte entre teoria e observação

9 Fenomenologia Universo do Cosmólogo Teórico: Homogêneo e isotrópico Dominado por matéria/energia escura Universo do Astrônomo: Galáxias, gás, estrelas, etc. Ponte entre teoria e observação Análise estatística

10 Fenomenologia Universo do Cosmólogo Teórico: Homogêneo e isotrópico Dominado por matéria/energia escura Universo do Astrônomo: Galáxias, gás, estrelas, etc. Ponte entre teoria e observação Análise estatística Modelagem, incluindo todos os processos físicos (simulações, aproximações)

11 Fenomenologia Universo do Cosmólogo Teórico: Homogêneo e isotrópico Dominado por matéria/energia escura Universo do Astrônomo: Galáxias, gás, estrelas, etc. Ponte entre teoria e observação Análise estatística Modelagem, incluindo todos os processos físicos (simulações, aproximações) Observáveis: onde posso esperar detectar um dado fenômeno?

12 Fenomenologia Universo do Cosmólogo Teórico: Homogêneo e isotrópico Dominado por matéria/energia escura Universo do Astrônomo: Galáxias, gás, estrelas, etc. Ponte entre teoria e observação Análise estatística Modelagem, incluindo todos os processos físicos (simulações, aproximações) Observáveis: onde posso esperar detectar um dado fenômeno? Área interdisciplinar

13 Plano do módulo Fenomenologia: conexão entre teoria e observações Parte I: Introdução ao Universo A expansão do Universo Matéria escura Estruturas em grandes escalas Parte II: O Universo Homogêneo Dinâmica Cinemática Parte III: História térmica Parte IV: O Universo perturbado Parte V: Tópicos

14 Galáxias Traçadores do Universo M83 M87 Galáxia espiral Galáxia elíptica

15 Natureza das Galáxias Galileo Galilei (1610): a Via Láctea é formada por estrelas Wilhelm Herschel (1785): habitamos uma nebulosa e as outras são externas William Parsons (1845): nebulosas espirais Henrietta Leavitt (1912): relação entre período de estrelas variáveis cefeidas e sua luminosidade intrínseca Edwin Hubble (1923): determina a distância da nebulosa de Andrômeda (M31), usando uma estrela cefeida

16 Natureza das Galáxias Galileo Galilei (1610): a Via Láctea é formada por estrelas Wilhelm Herschel (1785): habitamos uma nebulosa e as outras são externas William Parsons (1845): nebulosas espirais Henrietta Leavitt (1912): relação entre período de estrelas variáveis cefeidas e sua luminosidade intrínseca Edwin Hubble (1923): determina a distância da nebulosa de Andrômeda (M31), usando uma estrela cefeida

17 Natureza das Galáxias Galileo Galilei (1610): a Via Láctea é formada por estrelas Wilhelm Herschel (1785): habitamos uma nebulosa e as outras são externas William Parsons (1845): nebulosas espirais Henrietta Leavitt (1912): relação entre período de estrelas variáveis cefeidas e sua luminosidade intrínseca

18 Natureza das Galáxias Galileo Galilei (1610): a Via Láctea é formada por estrelas Wilhelm Herschel (1785): habitamos uma nebulosa e as outras são externas William Parsons (1845): nebulosas espirais Henrietta Leavitt (1912): relação entre período de estrelas variáveis cefeidas e sua luminosidade intrínseca

19 Natureza das Galáxias Galileo Galilei (1610): a Via Láctea é formada por estrelas Wilhelm Herschel (1785): habitamos uma nebulosa e as outras são externas William Parsons (1845): nebulosas espirais Henrietta Leavitt (1912): relação entre período de estrelas variáveis cefeidas e sua luminosidade intrínseca Edwin Hubble (1923): determina a distância da nebulosa de Andrômeda (M31), usando uma estrela cefeida

20 Natureza das Galáxias Galileo Galilei (1610): a Via Láctea é formada por estrelas Wilhelm Herschel (1785): habitamos uma nebulosa e as outras são externas William Parsons (1845): nebulosas espirais Henrietta Leavitt (1912): relação entre período de estrelas variáveis cefeidas e sua luminosidade intrínseca Edwin Hubble (1923): determina a distância da nebulosa de Andrômeda (M31), usando uma estrela cefeida

21 Cosmologia - CBPF 2013 O Cosmos Dinâmico O Universo em Expansão

22 Cosmologia - CBPF 2013 O Cosmos Dinâmico O Universo em Expansão O universo não é uma idéia minha. A minha idéia do Universo é que é uma idéia minha.

23 A natureza da luz American Institute of Physics O Espectro do Sol por Joseph von Fraunhofer

24 Espectro Eletromagnético Hoje o universo é observado em todos os comprimentos de onda Espectro típico: corpo negro + linhas de absorção e emissão

25 Espectro de Linhas Linhas de absorção devido à presença de gás

26 Espectro de Linhas Linhas de absorção devido à presença de gás

27 Espectro de Linhas Linhas de absorção devido à presença de gás Cada elemento químico possui linhas características

28 Espectro de Linhas Linhas de absorção devido à presença de gás Cada elemento químico possui linhas características Instrumento central em Astronomia Composição química... e Velocidade!

29 O Desvio para o Vermelho

30 O Desvio para o Vermelho Efeito Doppler Desvio para o azul Desvio para o vermelho

31 O Desvio para o Vermelho Efeito Doppler Desvio para o azul Desvio para o vermelho

32 O desvio para o vermelho Espectro de referência Espectro observado

33 O desvio para o vermelho Espectro de referência Espectro observado

34 O desvio para o vermelho Espectro de referência Espectro observado

35 O desvio para o vermelho Espectro de referência Espectro observado

36 A Expansão do Universo Vesto Slipher (1917): desvio para o vermelho de galáxias (13 de 15) Hubble (1929): descobre a expansão do universo

37 A Expansão do Universo Vesto Slipher (1917): desvio para o vermelho de galáxias (13 de 15) Hubble (1929): descobre a expansão do universo

38 A Expansão do Universo Vesto Slipher (1917): desvio para o vermelho de galáxias (13 de 15) Hubble (1929): descobre a expansão do universo

39 A Expansão do Universo Vesto Slipher (1917): desvio para o vermelho de galáxias (13 de 15) Hubble (1929): descobre a expansão do universo

40 16

41 A Expansão do Universo -v v Em relação a B A B C -2v -v v 2v A B C Em relação a A

42 A Expansão do Universo -v v Em relação a B A B C -2v -v v 2v A B C Em relação a A Homogênea e Isotrópica em Grandes Escalas Não é explosão! Não possui centro!

43 O Diagrama de Hubble (Versão Atual) Velocidade (km/s) astro-ph/ (Astrophys. J. 553, 47 (2001)) Dados do Hubble Distância (Mpc)

44 A Expansão do Universo I

45 A Expansão do Universo I Homogênea e isotrópica em grandes escalas Não é uma explosão! Não possui centro!

46 A Expansão do Universo I Homogênea e isotrópica em grandes escalas Não é uma explosão! Não possui centro! Relação linear: Parâmetro de Hubble:

47 A Expansão do Universo I Homogênea e isotrópica em grandes escalas Não é uma explosão! Não possui centro! Relação linear: Parâmetro de Hubble: Dados do Hubble: h = 5

48 Cosmologia - CBPF 2013 Lado Escuro do Universo Episódio I O único mistério do Universo é o mais e não o menos. [...] O que existe transcende para mim o que julgo que existe. [O Único Mistério Do Universo, Poemas Inconjuntos]

49 O Grupo Local Nossa Vizinhança Tamanhos fora de escala

50 O Grupo Local Nossa Vizinhança Escalas: L ~ 1 Mpc M ~ M N gal ~ 10 Tamanhos fora de escala

51 Aglomerados de Galáxias Aglomerado no SDSS

52 Aglomerados de Galáxias Região qualquer do céu Aglomerado no SDSS

53 Aglomerados de Galáxias Aglomerado de Hydra Aglomerado de Coma

54 Matéria escura Dispersão de velocidades em aglomerados (Zwicky 1934) Teorema do Virial

55 Matéria escura Dispersão de velocidades em aglomerados (Zwicky 1934) Teorema do Virial

56 Matéria escura Dispersão de velocidades em aglomerados (Zwicky 1934) Teorema do Virial

57 Matéria escura Dispersão de velocidades em aglomerados (Zwicky 1934) Teorema do Virial Aglomerados pecisam de mais massa para segurar as galáxias

58 Matéria escura Dispersão de velocidades em aglomerados (Zwicky 1934) Teorema do Virial Matéria Escura Aglomerados pecisam de mais massa para segurar as galáxias

59 Gás quente em aglomerados Gás intra-aglomerado T ~ o C Hydra no ótico

60 Gás quente em aglomerados Gás intra-aglomerado T ~ o C emisssão de raios-x Hydra no ótico

61 Gás quente em aglomerados Gás intra-aglomerado T ~ o C emisssão de raios-x Equilíbrio hidrostático Hydra no ótico

62 Gás quente em aglomerados Gás intra-aglomerado T ~ o C emisssão de raios-x Equilíbrio hidrostático Hydra no ótico

63 Gás quente em aglomerados Gás intra-aglomerado T ~ o C emisssão de raios-x Equilíbrio hidrostático temperatura depende da massa Hydra no ótico

64 Gás quente em aglomerados Gás intra-aglomerado T ~ o C emisssão de raios-x Equilíbrio hidrostático temperatura depende da massa Exemplo Hydra no ótico

65 Gás quente em aglomerados Gás intra-aglomerado T ~ o C emisssão de raios-x Equilíbrio hidrostático temperatura depende da massa Exemplo Hydra no ótico

66 Aglomerado Emitindo raios X Aglomerado de Hydra Hydra no ótico

67 Aglomerado Emitindo raios X Aglomerado de Hydra Hydra no ótico

68 Aglomerado Emitindo raios X O gás é distribuído de forma mais uniforme Aglomerado de Hydra Hydra no ótico

69 Aglomerado Emitindo raios X O gás é distribuído de forma mais uniforme Aglomerado de Hydra Hydra em raios x Matéria Escura Hydra no ótico

70 Aglomerado Emitindo raios X O gás é distribuído de forma mais uniforme Matéria Escura Aglomerado de Hydra Hydra em raios x M gás ~ 20 x MHydra estrelas no ótico Ainda assim matéria escura é 80%