Estrelas(Parte I) - Ensino de Astronomia

Cosmologia
(Parte I)
{
Apresentação por Thays Barreto
[email protected]
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Parte I
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Cosmo-o-quê?
O Universo;
Histórico;
O Nascimento da Cosmologia Moderna;
O Big Bang;
A Evolução do Universo;
Evidências do Big Bang;
A Radiação Cósmica de Fundo;
Referências Bibliográficas.
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Parte II – Semana que vem
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Parte III – 31/08
Resumo da aula
Cosmo-o-quê?
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Cosmologia (do grego κοσμολογία, κόσμος= "cosmos“ / "ordem“ /
"mundo" + -λογία="discurso"/"estudo") é o ramo da
astronomia que estuda a origem, estrutura e evolução
do Universo a partir da aplicação de métodos científicos. (Ref. [3])
Em outras palavras:
“É o ramo da Ciência que se dispõe a estudar e propor teorias sobre a origem,
estrutura e evolução do Universo”

O Universo
Surgimento do Universo: 13,7 bilhões de anos (Big Bang);
Histórico
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Idade Média → Universo = Sistema Solar;
Tentativas (teóricas) de conferir ordem e
significado ao Universo;
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Representação do Universo Medieval
(http://physics.weber.edu/schroeder/ua/
ApianCosmology.png)
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Cosmogonia → Cosmologia => Teologia + Filosofia;
→ mitos de criação (egípcios, chineses,...);
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Evolução da ciência → evolução dos instrumentos → teorias mais
concretas;
O Nascimento da
Cosmologia Moderna
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Fim da ideologia da Terra como um corpo central no Universo;
(1915) – Teoria da Relatividade Geral, por Einstein → nova teoria
sobre a gravitação dos corpos;
𝐹𝐺 (𝑖) = 𝑎(−𝑖)
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Se o raio de luz sofre deflexão devido a uma forte aceleração → ele
sofrerá deflexão na presença de um campo gravitacional.
Se a luz (não tem massa) sofre essa deflexão → tudo que existe sofre
ação semelhante.
Curvatura do tempo-espaço
O Nascimento da
Cosmologia Moderna
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Einstein:
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força da gravidade → é uma deformação no tempo-espaço;

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Ex: O Sol curva o espaço de tal forma que o único movimento possível para
a Terra é uma órbita elíptica;
Universo → dinâmico (se contrai ou expande?) X para Einstein o
Universo era estático;
Conceitos teóricos;
A gravidade por Einstein: Sol z Terra
(http://www.daviddarling.info/images
/spacetime.jpg)
O Nascimento da
Cosmologia Moderna
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Hubble:
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Métodos observacionais e experimentais;
Mediu as distâncias de diversos corpos celestes;
Redshift;
“Quanto mais distante se encontrava a galáxia, maior era o deslocamento de
seu espectro para o vermelho (redshift); para o caso de objetos se
aproximando, seu espectro tente ao azul.”
O Redshift
(http://astro.if.ufrgs.br/univ/redshift.gi
f)
O Nascimento da
Cosmologia Moderna
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Hubble:
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Conclusão → a maior parte dos objetos observados no céu encontramse muito distantes da nossa Galáxia;
Através do estudo de outras galáxias → elas estavam se distanciando
na nossa → Universo em EXPANSÃO!
Universo em Expansão
(http://astro.if.ufrgs.br/univ/ballo
ons.gif)
Exemplo do bolo com passas
(http://astro.if.ufrgs.br/univ/balloo
ns.gif)
O Nascimento da
Cosmologia Moderna
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Fred Hoyle:
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Teoria do Universo Estacionário → Universo se expande, mas sua
densidade média (nº de galáxias por volume) permanece inalterada;
O Universo foi ontem como vemos hoje e assim será amanhã;
George Gamow:
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A partir de cálculos → Universo jovem:


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Muito menor, mais quente e extremamente denso;
Composto por subpartículas;
Universo → esfriou até que se formaram os átomos de hidrogênio;
Hoyle:
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Abominava a teoria de Gamow por estar relacionada à Física Nuclear
e, indiretamente, à bomba atômica → pejorativamente chamou-a de Big
Bang (“grande boom”);
O Nascimento da
Cosmologia Moderna
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Gamow: elementos se formaram durante esse Big Bang X Hoyle:
elementos se formaram no interior da estrelas;
Ambos corretos!
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H e He → Big Bang;
Elementos mais pesados → interior das estrelas;
Mas foi Gamow quem forneceu a teoria mais aceitável sobre o
Universo;
O Big Bang
Esquema da Evolução do Universo
(http://www.nikhef.nl/~i93/img/universe_original.jpg)
O Big Bang
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Antes do Big Bang → Universo = diminuto, extremamente denso e
quente (muito quente!) → sofre constante compressão;
Antes do Big Bang → Universo = diminuto, extremamente denso e
quente (muito quente!) → sofre constante compressão;
Alta temperatura → caldo caótico de partículas elementares;
Energia  Matéria;
Criava-se matéria a partir da energia! → expansão violenta (Big
Bang);
Energia → Partícula;
→ Anti-partícula;
Cada par de partículas opostas, quando colididas, se aniquila;
O Big Bang
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Teoria original do Big Bang no Universo → qtde. de partículas =
qtde. de antipartículas X não ocorre!
Par partícula-antipartícula → existia por instantes muito pequenos
de tempo => não existentes → Falso Vácuo;
Algum processo desconhecido → um dos pares existiu por mais
tempo → inchamento violento da região → crescimento exponencial
=> Era Inflacionária → fim da homogeneidade do espaço;
Homogeneidades na densidade de matéria → aglomerados de
galáxias;
Inflação termina na chamada Transição de Fase: crescimento
exponencial → crescimento linear + matéria e antimatéria perdem
seu equilíbrio;
O Big Bang
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Universo continuou a crescer → diminuição da sua densidade →
diminuição da sua temperatura;
Partículas + Antipartículas: aniquilaram-se → enorme quantidade
de fótons => Radiação Cósmica de Fundo;
105 s: quarks → prótons e nêutrons;
Elétrons → livres → absorviam grande quantidade de fótons →
ganham velocidade;
Universo continuava a crescer!
3 min.: sopa primordial havia se resfriado → prótons + nêutrons =
núcleos de deutério (H pesado) e He X maioria dos prótons
permaneceu só = núcleos de H;
O Big Bang
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𝑫𝒎𝒂𝒕é𝒓𝒊𝒂 ≪ 𝑫𝒓𝒂𝒅𝒊𝒂çã𝒐
X com o crescimento
𝑫𝒎𝒂𝒕é𝒓𝒊𝒂 > 𝑫𝒓𝒂𝒅𝒊𝒂çã𝒐 → fim dessa era;
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10.000 anos: Era da Matéria X Era das Estrelas (mas ainda não
existiam estrelas!)
300.000 anos: Cosmos → grande o suficiente para que sua
temperatura tivesse baixado a ponto de permitir que elétrons se
unissem aos núcleos → 1ºs átomos;
Elétrons (unidos aos núcleos) → não podem mais absorver todos os
fótons X podem absorver apenas comprimentos de onda
específicos → grande quantidade de fótons livres;
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do
Universo:
O Big Bang
Esquema da Evolução do Universo
(http://www.nikhef.nl/~i93/img/universe_original.jpg)
O Big Bang
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O que precedeu o caldo de partículas
elementares? O que originou esse caldo?
Não se sabe. Considera-se que os conceitos de espaço
e tempo tenham surgido a partir do Big Bang, como são a
base dos estudos da Física, não podemos explicar a física
daquele momento se estes não existiam.
A Evolução do Universo
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Nuvens de gás → protoestrelas → estrelas + aglomerados
globulares;
Estrelas → galáxias;
Núcleo das estrelas → elementos pesados;
Durante a evolução das estrelas → discos planetários → Sistema
Solar;
Estruturas rochosas orbitavam estrelas → átomos originaram
moléculas cada vez mais complexas → evolução da vida na Terra;
A Evolução do Universo
UNIVERSO ESTÁ EM ETERNA EXPANSÃO! Por que?
Toda a matéria junta presente no Universo, ainda não chega
nem perto da densidade necessária para reverter ou parar a
expansão!
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Evidências do Big Bang
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Paradoxo de Olbers (1923) – Idade Finita do Universo: Se o
Universo é infinito e existe desde sempre → qualquer lugar no céu
que olharmos deverá haver uma estrela → o céu deveria ser tão
brilhante quanto a superfície de uma estrela X o céu de noite é
escuro → tamanho ou idade do Universo deve ser finito; neste caso
a idade é finita;
Imagem obtida pelo telescópio
Hubble mntendo a câmera
aberta por 10 dias em uma região
aparentemente sem estrelas no
céu(http://astro.if.ufrgs.br/univ/H
DFS.JPG)
Evidências do Big Bang
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Redshift: Os espectros de galáxias distantes são deslocados para
comprimentos de onda maiores, ou seja, os comprimentos de onda
são esticados pela expansão do Universo. A luz das galáxias
distantes leva mais tempo para chegar até nós → vemos os objetos
com redshifts altos, como eles eram no passo, quando a idade do
Universo era menor;
O Redshift
(http://astro.if.ufrgs.br/univ/redshift.gi
f)
Evidências do Big Bang
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Lei de Hubble: Hubble observou a expansão do Universo e criou
uma lei que nos fornecesse a distância de uma galáxia;
Radiação Cósmica de Fundo: Prova de que ocorreu uma
combinação do par partícula-antipartícula;
A Radiação Cósmica de
Fundo
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Da época da formação dos átomos: par matéria-antimatéria se
aniquilava → produção de fótons → constantemente absorvidos
pelos elétrons livres X durante a formação dos átomos → elétrons +
núcleos → elétrons absorviam apenas comprimentos de onda
específicos;
Descoberta por Penzia & Wilson (1965) e explicada por Burke,
Dicke e Peebles;
Estudada pelos satélites COBE, WMAP e Planck.
A Radiação Cósmica de
Fundo

Mapas de Temperatura da Radiação de Fundo do céu:
COBE
WMAP
-Extremamente homogênea:
Azul 0K
Vermelho 4K
-Numa escala mais fina:
Azul 2.721K
Vermelho 2.729K
→ aparece o momento
dipolo devido ao
movimento do Sol;
A Radiação Cósmica de
Fundo
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Mapas de Temperatura da Radiação de Fundo do céu:
COBE
WMAP
O Sol está se movimentando nesta direção em relação ao referencial da radiação
cósmica → efeito Doppler: detectamos a radiação com comprimentos de onda mais
curtos → medimos uma temperatura da radiação mais alta
O Sol está indo pra direção oposta desta direção → comprimentos de
onda mais compridos → temperatura mais baixa
A Radiação Cósmica de
Fundo
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Mapas de Temperatura da Radiação de Fundo do céu:
COBE
WMAP
-Extremamente homogênea:
Azul 0K
Vermelho 4K
-Numa escala mais fina:
Azul 2.721K
Vermelho 2.729K
→ aparece o momento dipolo
devido ao movimento do Sol;
-S/ movimento do
Sol:
Regiões azuis são
0.0002K mais frias
que as vermelhas
- Via Láctea no meio.
A Radiação Cósmica de
Fundo
A Radiação Cósmica de
Fundo
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Retirando-se a interferência da Via Láctea – mapa da densidade da
matéria visível do Universo 380.000 anos após o Big Bang;
Curiosidades #1 (Ref. [6])
Telescópio Espacial Hubble: imagens de uma galáxia em formação
não muito após o Big Bang!
Nome: A1689-zD1;
 Formação: Dark Ages – período
no jovem Universo quando as
primeiras estrelas e galáxias
estavam nascendo, durou de
400.000 a cerca de um bilhão de
anos após o Big Bang.
 Astrônomos acreditam que foi
uma das responsáveis por colocar
fim às dark ages.

Imagens da Galáxia A1689-zD1
(http://www.spacetelescope.org/static/archives
/images/screen/heic0805a.jpg)
Curiosidades #1 (Ref. [6])
Illustração da
aparência da
Galáxia
(http://spacespi
n.org/images/ar
ticles/80220hubble-spitzergalaxydistance_3.jpg)
Mapeamento do Big Bang e a Galáxia encontrada por Hubble
(http://spacespin.org/images/articles/80220-hubble-spitzergalaxy-distance_4.jpg)
[1] DAMINELI, Augusto & STEINER, João. O Fascínio do Universo.
Editora Odysseus. Edição 1. Ano 2010.
[2] CHERMAN, Alexandre. Cosmos-O-Quê?. Editora Fundação
Planetário. Ano 2000.
[3] http://pt.wikipedia.org/wiki/Cosmologia. Acessado em 11.08.13.
Acessado em 10.08.13.
[4] http://astro.if.ufrgs.br/univ/. Acessado em 10.08.13.
[5] WESTERA, Pieter. Cosmologia – Ensino de Astronomia no Grande
ABC. 2012.
[6] http://www.spacetelescope.org/images/heic0805a/. Acessado em
15.08.13.
Referências