O que é Cosmologia? Estrutura do universo Expansão do universo Evolução do universo Cosmologia Newtoniana Matéria e Energia no Universo Radiação



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Transcrição:

Introdução à Cosmologia www.ift.unesp.br ogério osenfeld Instituto de Física Teórica/UNESP JFT8

oteiro da aula O que é Cosmologia? Estrutura do universo Expansão do universo Evolução do universo Cosmologia Newtoniana Matéria e Energia no Universo adiação cósmica de fundo Conclusões

O que é cosmologia? Cosmologia é a ciência que estuda a estrutura, evolução e composição do universo. Ciência: uso do método científico ( mitologia) observações modelos previsões

Estrutura: como é organizado o universo Evolução: história do universo. Composição: do que é feito o universo. Somos a primeira geração a ter a capacidade tecnológica para estudar cientificamente o universo (Palomar, COBE, Hubble Sp. Tel.,WMAP)

Estrutura do universo Unidade de distância: 1 ano-luz: 1... km 1 parsec = 3,6 anos-luz Algumas distâncias: perímetro da Terra ~,1 segundos-luz Sol ~ 8 minutos-luz alfa-centauro ~ 4 anos-luz Andrômeda ~ 3 milhões de anos-luz

Andrômeda (M31) Tamanho típico: 1. anos-luz Galáxias típicas ~ 1 bilhões de estrelas

Fotografia da galáxia espiral NGC 997, que é muito parecida com nossa própria galáxia, indicando a posição onde estaria nosso sistema solar.

Estrutura do universo O universo tem bilhões de galáxias! O estudo da estrutura do universo realizada pelo SDSS é feita em duas etapas: galáxias são identificadas em imagens bi-dimensionais (à direita) e, com a determinação de suas distâncias, um mapa tri-dimensional com profundidade de bilhões de anos-luz é criado (à esquerda), onde cada galáxia é representada por um ponto e a cor representa sua luminosidade. Essa figura mostra apenas 66.976 galáxias das 5.443 galáxias identificadas pelo SDSS. (fonte: http://www.sdss.org/news/releases/318.powerspectrum.html)

Expansão do universo Edwin Hubble (1889-1953) 1953) Descoberta fundamental da cosmologia (199): o universo não é estático!!

Expansão do universo Efeito Doppler: Uma fonte de luz movimentando-se com relação a um observador parece mais azul caso a fonte esteja se aproximando ou mais vermelha caso a fonte esteja se afastando.

Expansão do universo As galáxias estão se afastando de nós! Lei de Hubble: velocidade é proporcional à distância V H d Trabalho de 199

Expansão do universo As galáxias estão se afastando de nós! A velocidade de afastamento é proporcional à distância. V H d Dados mais recentes

O universo em uma tira de borracha t= s i d m d u t= 1 s i d d m u Velocidade do ponto m: (d d)/1 = d metros/segundo Velocidade do ponto u: (4d d)/1 = d metros/segundo Distância do ponto u é o dobro do ponto m Velocidade do ponto u é o dobro do ponto m Quanto mais distante, maior a velocidade!

Expansão do universo As galáxias estão se afastando de nós! Analogia da expansão do universo com o crescimento de um bolo com passas: o próprio espaço se expande e as galáxias vão de carona.

Expansão do universo Analogia da expansão do universo com um balão: o próprio espaço se expande e as galáxias vão de carona.

Evolução do universo O universo está em expansão! O universo tem uma história! No passado as galáxias estavam mais próximas.

Modelo cosmológico padrão Geometria Matéria/Energia/Pressão

Matéria e energia no universo Matéria e energia no universo Todas a formas de matéria e energia no universo são representadas pelo tensor de energia-momento. Para um observador em um universo homogêneo e isotrópico: p p p T i= matéria, radiação, neutrinos, constante cosmológica, quintessência,... i i i i p p

Cosmologia Newtoniana Vamos considerar um universo homogêneo, isotrópico e infinito preenchido por poeira (matéria não-relativística, onde a pressão p é desprezível frente à densidade de energia r) Considere uma esfera com raio (t) nesse universo: (t)

Cosmologia Newtoniana O efeito da gravidade em uma partícula na superfície da esfera devido à matéria fora da esfera é nulo (teorema de Birkhoff, válido em G). O raio da esfera muda com o tempo mas a massa M dentro da esfera permanece constante. M 3 4 3 3 ( t) ( t) Portanto, a densidade r muda com o tempo: ( t) ( t) ( t ) ( t ) 3 (t)

Cosmologia Newtoniana Vamos definir o instante t como hoje e (t )=1. desaceleração Dinâmica do raio da esfera. Considere uma massa teste m ( t) 3 ( t) ( t ) GmM 4G 3 ( t ) ( t) 4G 3 m 3 ( t) ( t) ( t) m (t)

Cosmologia Newtoniana Dinâmica do universo newtoniano: 4G 3 ( t ) ( t) d 1 G d 4 1 ( t) dt 3 dt 4G 3 ( t ) ( t) constante de integração 1 4G 3 ( t ) 1 K (t) energia cinética energia potencial

Cosmologia Newtoniana Dinâmica do universo newtoniano: constante de integração 1 4G 3 ( t ) 1 K energia cinética energia potencial Mesma equação de um foguete de massa unitária com velocidade em um campo gravitacional. K representa a energia total do foguete. Caso K>, foguete tem velocidade suficiente para escapar. Caso K<, foguete cai novamente.

Cosmologia Newtoniana Dinâmica do universo newtoniano: (t) k é o sinal de K

Cosmologia Newtoniana Dinâmica do universo newtoniano. eescrever 1 como 4G 3 ( t 1 ) K em elatividade Geral, K representa a curvatura do espaço. K 8G 3 ( t)

Cosmologia Newtoniana Taxa de expansão do universo newtoniano, mais conhecida como parâmetro de Hubble (v=hr): H ( t) como H K 8G 3 ( t)

Cosmologia Newtoniana Densidade crítica do universo newtoniano (K=): 8G cr ( t) 3H Universo newtoniano plano: ( t) t /3 H ( t) 3t

Cosmologia Newtoniana Idade do universo newtoniano (K=): t 3H Exercício: estimar a idade (em anos) e a densidade crítica atual (em unidade de prótons por m 3 ) do universo newtoniano para H = 1 km/s/mpc. 6 13 1 17 H 1 km / s / 31 1 km 1 s 3 17 1 t 1 s 1 anos 3H

Erros Comuns em Cosmologia C. Lineweaver e T. Davis, SciAm Março 5 O Big Bang

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Erros Comuns em Cosmologia Erros Comuns em Cosmologia Qual o tamanho do universo observável?

Do que é feito o Universo? Diferentes contribuições para densidade do universo: i i c i= matéria, radiação, neutrinos...

Matéria e energia no universo Equação de estado (constante): 1 a lei da termodinâmica: pi i i de pdv d V dv Portanto: 3 1 3 4 M 1 1/3

Matéria e energia no universo Evolução das densidades de energia: ln ln 4ln radiação 3 1 ln 3ln M matéria hoje =1 ln No passado a radiação era mais importante que a matéria: o Universo primordial era quente!!

Evolução do universo Teoria da relatividade geral de Einstein + teoria de partículas elementares + dados observacionais evolução do universo a partir de um estado extremamente quente e denso Big Bang 14 bilhões de anos atrás