Cosmologia: o que sabemos sobre a história do universo

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
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
Panorama do que
sabemos
3
O universo visível

O sol é uma das ~1011 estrelas da Via Láctea


A Via Láctea é uma galáxia espiral “comum”


1011 → 100 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
Via Láctea
100.000 anos-luz
25.000 anos-luz
Sol
5
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
O universo está em expansão
7
A Lei de Hubble
8
109 anos-luz
2 x 109 anos-luz
9
Big Bang!

Extrapolando a expansão para o passado...
Big
Ban
g
!
10
História do Universo
Desacoplamento
matéria radiação
Era Eletrofraca
Era de
Planck
Inflação
Nucleosíntese
primordial
11
Formação de galáxias
O universo está em expansão
12
Relatividade Geral

A teoria básica da cosmologia é a Relatividade Geral


Gravitação Newtoniana → Rel. Geral de Einstein
Gravidade: força → deformação do “espaço-tempo”
13
Relatividade Geral

A teoria básica da cosmologia é a Relatividade Geral


Gravitação Newtoniana → Rel. Geral de Einstein
Gravidade: força → deformação do “espaço-tempo”
14
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
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
Homogeneidade e Isotropia (2)
6 milhões
de anos luz
600 milhões
de anos luz
17
Como descobrimos?
O problema das distâncias
18
100
10 metros
25
20 metros
O fluxo observado é inversamente proporcional ao
quadrado da distância à fonte.
19
100
10 metros
25
20 metros
O fluxo observado é inversamente proporcional ao
quadrado da distância à fonte.
20
Ferramentas Observacionais

Efeito de Paralaxe Estelar

Espectro da luz

O desvio para o vermelho (redshift)

Supernovas

Radiação Cósmica de Fundo
21
Paralaxe Estelar
22
O Espectro da Luz
23
Espectro contínuo
Tela
fenda
Prisma
Lâmpada
Espectro contínuo
+
linhas de absorção
Fótons reemitidos
Tela
fenda
Gás frio
Lâmpada
Prisma
24
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
Espectro de emissão de alguns elementos conhecidos
Efeito Doppler e
desvio para o vermelho
Desvio para
o azul
desvio para
o vermelho
“z”
Desvio para
o vermelho
27
Efeito Doppler e
desvio para o vermelho
Espectro
“de referência”
Espectro
observado
desvio para o vermelho
28
Hidr ogênio 
Intensidade relativa
Variação de l
o
l f = 6562,8 A
o
lobs = 6615 A
6615 - 6562,8
= 0,008
6562,8
v = z c = 2 386 km/seg
z=
1 Angstr&o& m = 0,0000000001 metro
Comprimento de onda (angström)
29
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
Supernova
Supernovae
do Tipo Ia
31
Supernova “1997ck”
4 de abril de 1997



28 de abril de 1997
Uma das supernovas mais distante até hoje descobertas.
Afasta-se com ~ 60% da velocidade da luz (= 300.000 km/s)
A luz dessa supernova leva 8 bilhões de anos para chegar a Terra
32
33
SN do Tipo Ia são Velas-Padrão
100
10 metros
25
20 metros
34
Diagrama de Hubble
dLum(z)
35
A Radiação Cósmica de Fundo

É uma radiação
de corpo negro
de microondas
(T ~ 3K).

Idade do
universo na
emissão →
380.000 anos

Isotrópica!
T = 2,73 K
36
A Radiação Cósmica de Fundo

É uma radiação
de corpo negro
de microondas
(T ~ 3K).

Idade do
universo na
emissão →
380.000 anos

Isotrópica!

ou quase...
37
38
Componentes do
Universo
39
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
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
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
Matéria Escura

Curvas de rotação de galáxias

Estimativa “simples” →
aceleração centrípeta
Matéria escura é
menos concentrada
disco
estelar
Matéria
escura
gás
astro-ph/9909252
43
Energia Escura
velocidade constante
desacelerado
acelerado
44
Energia Escura
velocidade constante
desacelerado
acelerado
O universo está acelerado!!!
acelerado
45
quasar
Imagem A
Lenteamento Gravitacional Forte
Imagem B
Galáxia lente
Lente

Galáxia
1-3
Grupo de Galáxias
5-10
Aglomerado
>30
Observador
Formação de Arcos
Lentes Gravitationais no Aglomerado de Galáxias Abell 2218

Cruz de Einstein

Anel de Einstein

Micro-lenteamento
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
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
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
Instrumentos
52
Alguns Telescópios
CFHT - 4m
Very Large Telescope
(VLT) – 4 x 8.2m
Telescópios Keck – 2 x 8m
Hubble – 2.4m
53
Extremely Large Telescope (E-ELT)
39m – inauguração: 2024
54
2020: Euclid Satellite &
Large Sinoptic Survey Telescope
55
COBE:
US$ 600 M,
4 anos
1989-1993
WMAP:
US$ 200 M,
9 anos
2001-2010
56
57
58
Última geração: sonda Planck (2009-2013)
59
Super-computadores
60
Simulações Hidrodinâmicas
61
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
Cosmologia na UFRJ

Grupo de Astrofísica, Relatividade e Cosmologia (ARCOS)


www.if.ufrj.br/~arcos
Integrantes:







Ioav Waga
Marcelo Byrro Ribeiro
Mauricio Calvão
Miguel Quartin
Ribamar Reis
Sergio Jorás
+ pos-docs e alunos
63