Matéria escura
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COSMOLOGIA • Modelos físicos para a estrutura, origem e evolução do Universo baseados na OBSERVAÇÃO • Desenvolvimento principal no século XX teoria da relatividade geral (TRG) cosmologia newtoniana Histórico da Cosmologia do século XX • No início: distribução achatada, esferoidal e estática de estrelas : universo de Kaptein mas “nebulosas espirais” (= galáxias) fora ou dentro da distribuição de estrelas? 1915 TRG de Einstein fundamental para o desenv. da cosmologia gravitação = interação física dominate em escalas cosmológicas na TRG uma manifestação da geometria espaço-tempo relação entre matéria, energia e geometria 1917 1o modelo cosmológico relativístivo (Einsten) universo com espaço estático de curvatura K>0 e cte. + matéria uniformemente distribuída introdução da constante cosmológica para o equilíbrio do universo em relação à força gravitacional 1922 Modelos homogêneos e isotrópicos dinâmicos (Friedmann e Lemaître) universo em expansão a partir de uma singularidade inicial (Big-Bang) 1924 HUBBLE descoberta das variáveis cefeidas indicadores de distância determinação da distância de Andrômeda “nebulosas espirais” são extragalácticas Universo formado por galáxias 1929 LEI DE HUBBLE A velocidade de uma galáxia distância evidência do universo em expansão 1933 Análise do aglomerado de Virgo por Zwicky 1) gravitacionalmente ligado 2) massa total > > m em estrelas matéria escura 1934 Milne e McCrea Correspondência entre a dinâmica newtoniana de uma esfera gasosa e a teoria de Einstein a escala de expansão satisfaz ambas as teorias (para p=0) 1935 Princípio Cosmológico: Em escalas suficientemente grandes: universo isotrópico e homogêneo 1946 Gamow No começo da formação do universo: matéria quente e densa o suficiente para ocorrer reações termonucleares densidade de matéria e energia dominada pela radição 1948 Bondi, Gold e Hoyle modelo do estado estacionário universo homogêneo no tempo + criação contínua de matéria Alpher, Bethe e Gamow radiação quente do ínicio do Universo esfriou devido à expansão com Thoje ~ 25 K Radiação cósmica de fundo (1965): T calculada de 2.726 ± 0.01 K 1963 Maarteen Schmidt quasares 1981 Guth modelo inflacionário Baseado na teoria de grande unificação das partículas elementares tenta resolver os problemas do modelo cosm. padrão (Big-Bang) Nos seus instantes iniciais o universo teria sofrido uma transição de fase que teria provocado uma expansão exponencial (esta expansão = inflação!!) O modelo cosmológico padrão • universo começou a formar-se a ~ 10 a 20 Ganos atrás através do Big-Bang BB = singularidade nas equações que descrevem o universo: 1) T e inicialmente arbitrariamente elevadas 2) Estágios iniciais do universo dominados pela radição 3) Universo se expande com T e diminuindo com t Conforme T diminui … Formação das partículas elementares E do campo de radição é convertido em pares partícula-antipartícula Para T < 1010 K nucleossíntese primordial: núcleos de He e D (até 3 min de idade…) T < 104 K (t ~ 500 mil anos) Época da recombinação <E> dos fótons < E de ionização do H: p e è se combinam H primeiros átomos no universo! densidade da matéria > densidade da radiação início da ERA DA MATÉRIA Após a época da recombinação: Formação dos corpos celestes Flutuações de densidade = embriões dos corpos celestes Modelo padrão explica bem: A) expansão do universo B) abundâncias do elementos leves H, D e He C) radiação cósmica de fundo de T=2.7 K D) Paradoxo de Olbers : porque a noite é escura?? inventário da ESTRUTURA DO UNIVERSO Unidades: 1 M 2×1033 g 1 pc 3.1 × 1013 km 3.3 anos-luz I. GALÁXIAS Sistemas autogravitantes constituídos por : •estrelas •gás •poeira •matéria escura •raios cósmicos (90% p, 9% el. + pesados) MORFOLOGIA: CLASSIFICAÇÃO DE HUBBLE 4 tipos básicos: espirais irregulares elípticas espirais barradas PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS ESPIRAIS • disco em rotação, braços de espirais e bojo • densidade estelar maior no centro do bojo Sa, Sb e Sc tamanho do bojo Sc: estrutura espiral “indefinida” ESTRUTURA DE ESPIRAIS VIA LÁCTEA HALO : estrelas velhas DISCO: gás, poeira, estrelas velhas e jovens BOJO: estrelas velhas e jovens, sem gás ÓRBITAS DAS ESTRELAS • DISCO: órbitas circulares ao redor do centro (v~2d/T) viz. solar v~ 220 km/s se d=8 kpc ~ 225 milhões de anos p/ fazer uma volta rotação diferencial • HALO: comp. randômica >> comp. “ordenada” alta excentricidade • BOJO: comp. randômica < halo • mas ainda >> comp. “ordenada” OS BRAÇOS DE ESPIRAIS Esboço dos braços: emissão em rádio da linha de 21-cm do H pelo gás interestelar Diâmetro do disco ~ 30 kpc Espessura ~ 300 pc (estrelas) ~ 140 pc (gás) viz. solar MASSA DA GALÁXIA Para discos de galáxias: gás e estrelas seguem leis de Kepler + Newton a vel. orbital em torno de um potencial central cresce com a M central e decresce com a distância ao centro 2 mv GMm GM v 2 R R R M do volume contido na órbita do Sol r ~ 8 kpc; T ~ 225 × 106 anos ~ 1011 M Para medir a maiores distâncias observações em rádio do gás velocidade de rotação em cada ponto da Galáxia curva de rotação Região luminosa até 15 kpc ~ 2 x 1011 M Se toda a massa estivesse concentrada na região luminosa: vel. orbital diminuiria a partir de 15 kpc (v2=GM/R) Mas até 40 kpc ~ 6 x 1011 M região luminosa cercada por um halo escuro MAssive Compact Halo Objects Matéria escura: (anãs marrons, anãs brancas, etc) Weakly Interating Massive Particles (partículas subatôminas com m, mas sem interação) ESPIRAIS BARRADAS ELÍPTICAS • sem estrutura espiral e sem disco (maior parte) • E1…E7 elipticidade • estrelas velhas, sem formação estelar, sem gás (frio) interestelar órbitas randômicas • elípticas gigantes: diâm. ~ n Mpc Galáxia: diâm. ~ 30 kpc anãs: diâm. ~ 1 kpc mais comuns • gás quente (fig. c): T ~ n x 106 K Massa de elípticas: TEOREMA DO VIRIAL supondo que as estrelas dentro da galáxias tenham atingido uma situação de equilíbrio orbital, ou seja, as órbitas estão virializadas 2T U 0 GM2 U 2R 2Rv 2 M G , T Mv 1 2 2 V = dispersão de velocidades R = raio da galáxia LENTICULARES • Evidência de disco e bojo, pouco gás e sem estrutura espiral constituído por estrelas velhas • Entre E7 e Sa : S0 sem barra SB0 com barra IRREGULARES • gás interestelar, estrelas jovens, sem estrutura definida • Irr1 e Irr2 intensa formação estelar (anãs irregulares : mais comuns) Observadas a distâncias bem maiores que as galáxias brilhantes: • rádio galáxias núcleos brilhantes que emitem em rádio, associados a galáxias elípticas • quasares (QSO) distâncias muito maiores (grande redshift) quasar 3c 273 Normalmente galáxias agrupam-se em: • pares • grupos (~ 1 Mpc) • aglomerados ( ~ alguns Mpc) (10% das galáxias) • super aglomerados ( ~ 50-100 Mpc) massas vão de 1015 a 1016 M (aglom. a super aglom.) da mesma forma supõe-se aglomerados = sistemas virializados M=2Rv2/G, onde v = vel. média das galáxias e R= raio médio onde se mediu a v Outra maneira: medir a v individual das gal. E supor que v < vescape 2 GMm RV 2 1 mv M 2 R 2G v= maior v medida R= distância ao centro do aglom. II. GRUPO LOCAL A nossa Galáxia forma um pequeno grupo com : Nuvens de Magalhães a algumas esferoidais anãs Grupo Local: Galáxia + Andrômeda + dezenas de gal. menores 45 galáxias no total Massa, diâmetro e distância de algumas galáxias do grupo local tabela 1 (pág 8) vermelho: elípticas azul: espirais Andrômeda Galáxia : 800 kpc branco: irregulares III. AGLOMERADO DE VIRGO • Contém 2500 galáxias M86 M87 • 3 Mpc de dimensão IV. O SUPERAGLOMERADO LOCAL • tamanho total ~ 40-50 Mpc (junto com Centaurus e Hydra) Grupo local situa-se a18 Mpc do centro (centro ~ aglomerado de Virgo) muitos superaglomerados apresentam estruturas filamentares ou paredes (assinalado em vermelho na fig.) vazios ~ 50h-1 Mpc similar ao tamanho dos aglomerados... • mapas construídos atavés da lei de Hubble (vrec d) • survey com 1057 galáxias • distâncias são dadas assumindo-se h=65 km/s/Mpc distâncias estimadas com h=65 km/s/Mpc V. RADIAÇÃO DE FUNDO Detectada por Penzias e Wilson (1964) durante pesquisa sobre a interferência nas comunicações via satélite • microondas é mais intenso ( entre 80 cm e 1 mm) • espectro de corpo negro com T = 2.7 K • fontes distantes ou meio intergaláctico Modelo cosmológico padrão: supõe ser relíquia dos instantes iniciais do universo (radiação primordial) radiação de altíssimas energias ( ~ raios gamma) observado hoje com ~ rádio Satélite COBE = Cosmic Background Explorer (1989) Mediu a radiação de fundo em vários s corpo negro de 2.735 K • rad. Homogênea, contendo anisotropias de amplitude T/T ~ 10-5 + tarde serão discutido os resultados do COBE
