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O QUE SÃO O BIG-BANG, A ENERGIA
E A MATÉRIA ESCURAS?
NELSON PINTO NETO
ICRA-CBPF
COSMOLOGIA
• Descrição da totalidade do mundo físico
pelo método científico.
- Objeto de estudo é tudo que existe, incluindo observadores.
- É único: não temos outras amostras para manipular:
PROBLEMAS COM A MECÂNICA QUÂNTICA!
- O único ponto de vista é do observador na Terra através de
ondas eletromagnéticas - ondas gravitacionais: outra janela.
Espectro Eletromagnético
• Hoje o universo é observado em todos os comprimentos de onda.
Aglomerados de Galáxias
Hydra A
no ótico
Hydra A em
raios x
Mgás ~ 20 x Mestrelas
Gás é distribuido mais suavemente
DISTÂNCIAS DAS GALÁXIAS
Distâncias muito grandes: medidas em ano-luz
Velocidade da luz: 300.000 km/s
A luz dá 8 voltas ao mundo em 1 segundo!
Um ano-luz: distância percorrida pela luz em
1 ano: 9.460.800.000.000 km!
1 parsec: distância para a qual paralaxe vale
1 segundo de arco ~ 3 anos-luz.
PARALAXE
Natureza das Galáxias
• 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
O Desvio para o Vermelho
• Efeito Doppler
Desvio para
o azul
Desvio para
o vermelho
A Expansão do Universo
• Vesto Slipher (1917): desvio para o
vermelho de galáxias (13 de 15)
• Hubble (1929): descobre a expansão do
universo
O Diagrama de Hubble (Versão Atual)
Velocidade
(km/s)
h  0.72  0.08
Dados do
Hubble
Distância (Mpc)
A RELATIVIDADE GERAL DE EINSTEIN
A gravidade atua em tudo!
Todas as partículas caem da mesma forma!
Os corpos livres também seguem todos a mesma
trajetória.
Gravitação não é uma força!
Uma grande massa curva o espaço-tempo!
ESPAÇO CURVO DE UMA ESTRELA
Geometria Cosmológica
Ângulos:
Analogia 2D:
Esférica
Hiperbólica
Plana
A EXPANSÃO DO UNIVERSO
A Expansão do Universo I
Não é explosão! Não possui centro!
Relação linear:
v  H 0d
O Parâmetro de Hubble:
H0 = 24 km/s /milhão de anos-luz
Há quanto tempo começou a expansão?
T = 1/H0 = 14 bilhões de anos
Evolução do Universo
Nomenclatura: “Big-Bang”:
d
Extrapolação para d  0
sela
ρ<ρC
ρC
Fator
de
escala
plano
esfera
ρ>ρC
agora
tempo
Breve História Térmica do Universo
A MATÉRIA-ENERGIA CONHECIDA DO UNIVERSO
AS FORÇAS DA NATUREZA
Recombinação
plasma
matéria
neutra
Recombinação
• Quando a temperatura cai abaixo dos 3.000C
os elétrons ficam presos aos núcleos
 O Universo passa a ser trasparente
 A luz se propaga livremente: 380.000 anos!
A Radiação Cósmica de Fundo
Região a partir
da qual nada
podemos ver
Temperatura hoje
T = - 270 C
Intensidade [10-4 ergs cm-2 s-1 sr-1 cm]
O Espectro da Radiação Cósmica de Fundo
espectro térmico com
T = 2.725 ± 0.002 K
dados com
erros x 100
Freqüência [cm-1]
Nucleossíntese:
Alquimia no Universo Primordial
Produção de 7Li, 3He, D, 4He
T ~ 1010 C - 109 C, 1s a 3min “DBB”
Abundância de Elementos Leves
Produção de 7Li, 3He, D, 4He
Todos com o mesmo hηB/ηF!
D é o melhor “bariômetro”
ρB / ρC =0,04
Alguns Marcos da História do Universo
T (radiação)
-270 C, 13,7 109
anos
-263 C, 109 anos
104 C, 400.000
anos
105 C, 40.000 anos
107 C, 1 a 200 s
1012 C, 10 –3 s
1028 C, 10 –34 s
1032 C, 10 –43 s
Evento
Hoje
Formação das Galáxias
Recombinação do H, radiação de fundo
Dominação pela matéria
Formação dos elementos leves (He4, He3, D e Li)
Formação dos prótons e nêutrons.
Grande Unificação?
Cosmologia quântica?
Evolução do Universo
Nomenclatura: “Big-Bang”:
d
Extrapolação para d  0
sela
Fator
de
escala
plano
esfera
agora
tempo
Outubro de 2008
Dezembro de 2008
Diferenças de Temperatura na
Radiação Cósmica de Fundo
T2 2 , 2 
T1 1 , 1 
T
5
 10
T
A OBSERVAÇÃO DESTAS
DIFERENÇAS PERMITE SABER
COMO ERA O UNIVERSO A 14
BILHÕES DE ANOS!
Prêmio Nobel 2006
John Matter e
George Smoot
Espectro de Potência Segundo WMAP
ρ=ρC
Satélite Planck: 2011
Composição do Universo
Blocos fundamentais: Galáxias
Galáxias no UHDF
Mapa 3D do Universo
Lei de Hubble
v  H 0d
Mapa do Two Degree Field
Mais de 220.000
galáxias
Estruturas complexas:
Filamentos, paredes e bolhas,
contendo 80% da matéria luminosa
As escalas no Universo
Existem cerca de 60 bilhões de galáxias no Universo!
60.000.000.000
Velocidades de rotação das estrelas
em torno dos centros das galáxias.
M ( r ) V ( r )
G 2 
r
r
2
Perto do centro:
ρ = const  M(r)  r3
 V(r)  r
Na periferia:
ρ = 0  M(r) = const.
 V(r)  1/r1/2
A Matéria Escura

Curvas de rotação de galáxias
Estimativa simples:
M ( r ) V ( r )
G 2 
r
r
2
M Halo  3  10MVisivel
Matéria escura é
menos concentrada
Matéria Escura no Universo
Evidências:
•
•
•
•
Curvas de rotação de galáxias
Movimentos de galáxias e aglomerados
Lentes gravitacionais
Anisotropias da CMBR...
Há ~10x mais matéria escura que matéria usual!
Interage muito fracamente (não dissipa nem emite luz), fria.
Não pode ser bariônica (gás, planetas, BN): nucleossíntese.
Axions, WIMPS (partículas supersimétricas?)
Energia provável da ordem do Tev: LHC.
A matéria escura é a componente - que se aglomera dominante na densidade de massa do Universo
MATÉRIA ESCURA
Supernovas do Tipo Ia e Cosmologia
Vantagens:
• Luminosidade Extrema
(109 - 1010 Lo)
• Altamente homogêneas
 Vela padrão
Desvantagens:
• Eventos raros e aleatórios
• Duração curta
Solução:
• Busca automatizada
• (SCP, High-z team)
O Universo Acelerado
Diagrama para
grandes
distâncias com
boa precisão
Þ O Universo
está em
expansão
acelerada.
Þ Mas
Gravidade é
atrativa!
Energia escura: gravidade repulsiva!
Energia Escura
2/3 da densidade do universo estão sob a forma de
Energia Escura!
Evidências:
•
•
•
•
Expansão acelerada de galáxias distantes
Idade do Universo
Espaço quase plano
Análise combinada de diversos observáveis cosmológicos
Candidatos (Taxonomia da Energia Escura):
– Constante cosmológica: energia do vazio quântico
Problema : ρTQC = 1062 ρOBS
– Força (campo) extra:
• Quintessência, phantom.
Nova teoria da gravitação!
DARK ENERGY SURVEY: possibilidade de distinguir
sobre estas possibilidades.
COMPOSIÇÃO DO COSMOS
Questões Cosmológicas
1) O que é o Big-Bang?
Se entendido como uma fase quente primordial, quase um fato.
Se entendido como o início de tudo: UM MITO.
Nenhuma evidência observacional indica que o Universo
teve um começo!
Possibilidade concreta de o Universo não ter tido um começo.
Isto poderá ser decidido pela observação das pequenas
diferenças de temperatura da radiação de fundo.
2) O que é a matéria escura?
WIMPS, pode ser encontrada no LHC.
Determina as estruturas do Universo.
3) O que é a energia escura?
Energia do vácuo, novo campo, campo fantasma.
Pode ser determinado no DES.
Determina o futuro do Universo: terá este um fim?
Não (supernovas) se energia escura for a energia do
vazio quântico.
Não conhecemos 97% dos constituintes do Universo!
•
Sucessos importantes da Cosmologia científica:
previsão da expansão do Universo, da radiação de fundo cósmica
e suas pequenas anisotropias, da abundância dos elementos leves.
Pode-se explicar inúmeras observações com uma teoria simples.
•
Avanços notáveis na cosmologia observacional: talvez seja
possível testar idéias sobre como era o Universo há muito tempo
atrás.
• Entretanto, apenas 4% da matéria do Universo é
conhecida. Serão as teorias que estamos usando
realmente válidas?
Estes mistérios da Cosmologia podem revelar
novos conhecimentos sobre a Natureza!
Assimetria Matéria/Anti-Matéria
• No universo primordial: equilíbrio entre
partículas e anti-partículas (equipartição)
• Aniquilação produz fótons:
nn
10
h
 6 10
n
Assimetria de 1 parte em 109!
A Expansão do Universo I
-v
v
A
-2v
B
Em relação a B
C
-v
v
A
B
2v
C
Em relação a A
Homogênea e aumenta linearmente com a distância
BURACOS NEGROS
UM POSSÍVEL BURACO NEGRO
BURACOS DE MINHOCA