Cosmologia: a estrutura do nosso universo
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Cosmologia: a estrutura do nosso universo MSc Rodrigo Nemmen FIS2207 – Fundamentos de Astronomia Dez. 2006 Qual o modelo cosmológico “padrão” atual para a evolução do universo? Modelo cosmológico “padrão” atual Evolução e composição do universo Teoria do Big Bang: o universo surgiu de um estado extremamente comprimido no passado distante, e tem se expandido desde então. O próprio espaço foi originado. Termo “Big Bang” proposto ironicamente pelo astrofísico Fred Hoyle na década de 50. Hipóteses: • universo é homogêneo e isotrópico (princípio cosmológico) • as leis da física são universais • validade da teoria da relatividade geral (Einstein, 1915) Previsões teóricas: • universo está em expansão • radiação cósmica de fundo em microondas • abundância dos elementos primordiais: H, He, Li (nucleossíntese primordial) WMAP Teoria do Big Bang Comprovação observacional Previsão: Universo está em expansão Comprovado: Lei de Hubble (1929) Relação entre a velocidade de afastamento v das galáxias distantes e suas distâncias d até nós v = Hd H é a constante de Hubble, medida a partir de observações astronômicas H ≈ 73 km s-1 Mpc-1 Quanto mais longe uma galáxia está de nós, mais rápido ela está se afastando Revisar: Aulas da Profa Thaisa no início do semestre sobre distâncias! Teoria do Big Bang Comprovação observacional Previsão: Radiação cósmica de fundo em microondas Comprovado: Penzias & Wilson (1964), Labs. Bell Observações mais recentes: • satélite COBE (1992) • satélite WMAP (2003 até hoje) Prêmio Nobel da física deste ano!!! nobelprize.org A Radiação Cósmica de Fundo em Microondas (menos de 1% da idade atual, quando surgiram os primeiros átomos) Esta radiação vem igualmente de todas as direções ao redor da Terra! Cald Kamio well & nkows ki Radiação cósmica de fundo em microondas: radiação emitida pelo universo quando tinha ~400000 anos de idade “Temperatura” da radiação ≈ 3 K (3° C acima do zero absoluto!) Em 1992 o satélite COBE descobriu flutuações na “temperatura” dessa radiação, consistentes com a teoria do Big Bang! C. Frenk Radiação Cósmica de Fundo C. Frenk Teoria do Big Bang Comprovação observacional Previsão: abundância dos elementos primordiais: H, He, Li (nucleossíntese primordial) Teoria prevê as abundâncias dos elementos mais leves, originados alguns minutos após o “Big Bang” Abundâncias preditas: 4He/H = 0.25, 2H/H = 10-3, 3He/H = 10-4 Comprovado: Concordam muito bem com medidas no presente!! (abundâncias químicas de estrelas, nebulosas e galáxias) Relembrando rapidamente a aula da Profa Thaisa sobre idade do universo... Nucleossíntese C. Frenk Modelo cosmológico “padrão” atual Geometria do universo Liddle Quais tipos de geometria o universo pode ter? tamanho finito infinito infinito tamanho aberto plano fechado tempo Bucher & Spergel presente Modelo cosmológico “padrão” atual Geometria do universo A geometria do universo depende de quanta energia ele contém (incluindo radiação e matéria) Densidade crítica para o univ. ser plano: (h ≈ 0.7) Comparem com a densidade da água: A densidade costuma ser parametrizada em termos de ρc: Universo aberto (hiperbólico): Ω < 1 Universo plano: Ω = 1 Universo fechado (esférico): Ω > 1 Observações da radiação de fundo (entre outras) mostram que Ω evidências bastante fortes de que o universo é plano ≈ 1, Modelo cosmológico “padrão” atual A idade do universo a Prof . Tarefa: recordem a aula da Thaisa no início do semestre Essa aula está disponível para download na internet http://www.if.ufrgs.br/~thaisa/FIS02207/fis02207.htm Modelo cosmológico “padrão” atual Inventório Cósmico Composição do universo Temos uma receita de quais são os ingredientes básicos que compõem o nosso universo Átomos: ≈ 4% obs. da rad. cósmica de fundo + estudos de nucleossíntese Dos quais: Elementos pesados: 0.03% Estrelas: 0.2% E todos os 96% restantes??? H e He no espaço: 3.5% Vivemos numa época em que os cientistas estão começando a entender a composição do universo Modelo cosmológico “padrão” atual Inventório Cósmico Composição do universo: MATÉRIA ESCURA Evidência clássica: estudos do padrão de velocidades das estrelas nas galáxias (curvas de rotação) A massa visível é quantificada nas galáxias (estrelas, gás), decresce com o raio Física básica - gravitacão Newtoniana: a velocidade circular das estrelas deve-se à massa interna às órbitas consideradas GMm mv 2 GM (r ) Fg = 2 = ⇒v= r r r Esperado Modelo cosmológico “padrão” atual Inventório Cósmico Composição do universo: MATÉRIA ESCURA Evidência clássica: estudos do padrão de velocidades das estrelas nas galáxias (curvas de rotação) A massa visível é quantificada nas galáxias (estrelas, gás), decresce com o raio Física básica - gravitacão Newtoniana: a velocidade circular das estrelas deve-se à massa interna às órbitas consideradas GMm mv 2 GM (r ) Fg = 2 = ⇒v= r r r Medido!! Esperado Possíveis explicações: ou a gravitação Newtoniana está errando... ou há mais matéria do que estamos enxergando! Modelo cosmológico “padrão” atual Inventório Cósmico Composição do universo: MATÉRIA ESCURA Atualmente: vários tipos de observações astronômicas mostram que há uma grande quantidade de matéria nãovisível que permeia o universo • curvas de rotação das estrelas em galáxias • velocidades orbitais de galáxias em aglomerados de galáxias (aula anterior do Prof. Basílio) • observações via efeito de lentes gravitacionais (aula anterior do Prof. Basílio) Matéria “escura”: ≈ 23% Não emite ou reflete luz Apenas seu efeito gravitacional é sentido pelo resto do universo Um dos grandes desafios da física: descobrir a composição da matéria escura! Não é composta por nada convencional: elétrons, prótons, nêutrons (ou neutrinos)... Candidatos: partículas elementares hipotéticas – WIMP, axion Weakly Interacting Massive Particles Estrutura de uma galáxia matéria normal matéria escura Modelo cosmológico “padrão” atual Inventário Cósmico Composição do universo: ENERGIA ESCURA Surpresa na cosmologia em 1998 Supernovas do tipo IA: é bem conhecida a magnitude absoluta delas (brilho intrínseco) Como são extremamente brilhantes, podem ser observadas a distâncias cosmológicas (bilhões de AL) Medindo o redshift z delas e o brilho (magnitude) aparente, é possível saber a distância até elas Observações recentes sugerem que o universo está em expansão acelerada, o que surpreendeu os cosmólogos!! Hogan+ Modelo cosmológico “padrão” atual Inventário Cósmico Composição do universo: ENERGIA ESCURA Expansão acelerada O que está causando a aceleração do Cosmos? Se o universo fosse dominado por matéria, se esperaria o contrário: a atração gravitacional tenderia a desacelerar a expansão Alguma outra coisa (em maior quantidade que a matéria normal + escura) está acelerando o Cosmos, através de repulsão gravitacional!! Esta “outra coisa” é chamada de energia “escura” Energia escura é um tipo de energia que permeia uniformemente o universo, e exerce uma força oposta à atração gravitacional, causando a aceleração do Cosmos Modelo cosmológico “padrão” atual Composição do universo: ENERGIA ESCURA Inventário Cósmico Observações recentes com o satélite WMAP sugerem que a energia escura compõe ≈ 73% do universo! O espaço existente entre as galáxias não é vazio como parece, mas aparentemente está preenchido com energia escura! Um dos grandes desafios da física: descobrir a natureza da energia escura! Candidata: “constante cosmológica” (Λ) o espaço vazio do Cosmos tem energia (energia de vácuo) esta energia é explicada pela mecânica quântica: surge das flutuações do vácuo, consequência do princípio da incerteza de Heisenberg! Modelo cosmológico “padrão” atual Composição do universo Densidade de energia total do universo: ρ Ω= ≈1 ρc (universo plano) Ω = Ω mat. "normal" + Ω mat. escura + Ω en. escura = 1 0.04 0.23 0.73 Questões O que é a teoria do Big Bang? Quais as previões teóricas básicas da teoria do Big Bang, que foram comprovadas? O que é a radiação de fundo em microondas? Qual a idade do universo quando ocorreu a nucleossíntese (formação dos primeiros núcleos atômicos)? Quais tipos de geometria o universo pode ter? Qual é a geometria favorecida pelas observações? Quais são os constituintes do universo, e as suas proporções? O que é, em termos gerais, a matéria escura e energia escura? Quais as principais evidências observacionais para a existência da matéria escura e da energia escura, respectivamente?
