Cosmologia 2

Cosmologia 2
Agradecimentos: Prof. Gastão B. Lima Neto - IAG
Hubble Ultra Deep Field-HST/ACS
AGA 210 10 S / 2014
• Vimos no Roteiro 23 que o Universo está se expandindo a partir de um evento
denominado “Big Bang”.
tempo
singularidade
• Vamos ver neste Roteiro que conforme o Universo se expande a temperatura diminui, a
densidade também, tendo como consequência uma evolução. Esta evolução resulta em
diferentes fases, onde alguns eventos vão ocorrer caracterizando o que chamamos de
Eras de evolução do Universo.
Evolução do Universo
Visão Clássica – sem inflação...
Uma breve história
Física desconhecida
Era da radiação
Gravidade quântica
Forças forte, fraca e
eletromagnéticas
unificadas
Partículas pesadas e
leves em equilíbrio
térmico
Só leves em equilíbrio
térmico neutrinos
desacoplam
Era da matéria
Deutério e He formados por
fusão de prótons durante os
primeiros 1000 seg.
A matéria começa a dominar.
Átomos são formados. A
radiação eletromagnética
desacopla
Galáxias e estrutura de
grande escala formamse
Todas galáxias se formaram. A
formação estelar continua
O Big-Bang (BB)
...uma visão resumida e atual da evolução do Universo...
• 1973 Tryon propõe que a origem do BB está associada a flutuações quânticas do
vácuo...! O vácuo# aqui seria associado a fonte de energia...
A expansão ocorreria devido a um processo de liberação de energia do calor latente da
transição de fase prevista na Teoria da Grande Unificação, onde a força gravitacional seria
separada das outras forças da natureza ( eletromagnética, forte e fraca) que reconhecemos
hoje, mas eram unificadas no que chamamos de Tempo de Planck.
Segundo a TRG o vácuo teria a propriedade de acelerar o Universo, exercendo pressão
negativa, tendo portanto a gravidade um carater repulsivo.
-> Tempo de Planck: 0 até 10–43 segundos que equivale a 1,6 x 10-43 centímetros.
-> Na época de Planck, o Universo estava MUITO quente e denso.
# PS: Para uma maior compreensão sugiro texto de Mario Livio, “A Energia Escura e o Destino do
Universo”, que se encontra no site da disciplina....
O Big-Bang (BB)
...uma visão resumida e atual da evolução do Universo...
• Assim, neste início de evolução do Universo a física que conhecemos hoje não consegue
explicar esta fase de evolução, já que para tanto seria necessário unificar a Teoria da
Relatividade e a Física Quântica – um processo em gestão...denominado Teoria de Tudo.
• Em relação ao destino desta evolução, 2 possibilidades são contempladas:
1- Expandirá para sempre, indefinidamente, caracterizando o que se denomina Universo
Plano (E=0) ou Universo Aberto (E>0 –> energia da expansão > energia potencial gravitacional)
2- Expansão é interrompida, ocorreria um colapso e novamente se expandiria,
caracterizando o que chamamos de Universo Fechado. Este caso ocorreria caso a
atração da gravidade da matéria-energia fosse suficientemente grande para interromper
a expansão (E<0)
Representação do espaço-tempo extremamente caótico logo após o BB
0,00000000000000000000000000000000000000001 segundos
(tem 40 zeros depois da vírgula)
Conteúdo do Universo
...pode então oferecer um caminho para verificar esta questão da expansão...
• Matéria escura + Energia Escura
correspondem a 96% da energia
total.
• O Universo parece estar se
expandindo com velocidade (v) =
velocidade de escape (ve) ,
implicando em uma interpretação
energia escura
70%
matéria
escura
26%
de que continuará se expandindo
para sempre....!
átomos, 4%
Até aqui estaríamos vendo a fase inicial da evolução do Universo....
Vamos ver agora a fase logo a seguir, definida como sendo o período de Inflação...
fase inicial
Agradecimentos: Prof. Gastão B. Lima Neto - IAG
Hubble Ultra Deep Field-HST/ACS
AGA 210 10 S / 2014
A Era da Inflação
•
Nos anos 70 e 80 os físicos teóricos tentaram unificar as três forças não-gravitacionais
do Universo:
- o eletromagnetismo,
- a força "forte" (estabilidade do núcleo atômico) e
- a força "fraca" (aquela que tem um papel importante nos decaimentos
radioativos), em uma superforça generalizada.
• Uma previsão geral das teorias de unificação que descrevem as superforças é que
as três forças são unificadas e não distinguíveis em regimes de energias
altíssimas, correspondendo a temperaturas maiores que 1028 K.
• A temperaturas baixas a superforça se divide em três, revelando o caráter de
forca eletromagnética, forte ou fraca.
A Era da Inflação
• No começo dos anos 80 os cosmologistas descobriram que as teorias de
unificação tinham uma implicação extraordinária se aplicadas ao começo do
Universo.
• Aproximadamente 10-34 s após o Big Bang, as temperaturas caem abaixo de 1028 K
e as forças básicas da natureza se reorganizam: o Universo, por um período de
tempo muito curto, entra em um estado instável, de alta densidade de energia, que
os físicos chamam de "falso vácuo".
• Por um tempo curtíssimo, o espaço vazio adquiriu uma pressão enorme, que
temporariamente foi maior que a gravidade e acelerou a expansão do Universo a
uma taxa altíssima.
• Este período de grande expansão cósmica foi conhecido como a Época da
Inflação.
A Era da Inflação
Eventualmente, o Universo retornou para o estado de "vácuo verdadeiro" e a inflação parou.
Tamanho do universo (m)
Infl ação
O episódio inteiro durou somente
10-32 s, mas durante este tempo o
Universo aumentou em tamanho
por um fator de 1050 (ver próximo
slide).
O vácuo então retoma a
normalidade e o Universo retomo
também
sua
expansão
relativamente lenta, tendo seu
movimento desacelerado pela
gravidade.
Época
de
Planck
A Teoria da Iinflação propõe que as galáxias
teriam sido formadas a partir de sementes
geradas no período inflacionário.
Tempo desde o Big Bang
Inflação
•
•
•
Em 0,0000000000000000000000000000000001 segundos
(tem 33 zeros depois da vírgula)
Universo ainda é MUITO quente e denso
Ocorreria um aumento exponencial no tamanho do Universo
A Era da Inflação
Tamanho do universo (m)
Infl ação
Época
de
Planck
Tempo desde o Big Bang
•
O que teria causado a inflação?
•
Imagina-se que poderia ter
ocorrido pelo que se chama de
transição de fase.
•
Por exemplo, a transformação da
água em gelo (transição líquidosólido) é uma transição de fase que
libera energia latente da água.
•
Da mesma forma, uma transição de
fase no Big Bang teria liberado
energia latente, responsável pela
expansão súbita do Universo.
Inflação
Problemas com o modelo cosmológico clássico (pré 1980):
1- Universo plano:
•
Hoje, observamos que o universo é
plano (ou praticamente plano).
•
Sem a inflação a teoria do Big Bang
clássica não consegue explicar
satisfatoriamente este nivelamento do
universo.
– o universo expande tanto que, na região
onde vivemos, ele é efetivamente plano.
– semelhante a descrever a curvatura da
Terra dentro da sala de aula.
Inflação
Problemas com o modelo cosmológico clássico (pré 1980):
2- Problema do Horizonte
– 2 pontos separados por mais de ~2° não estariam em contato causal.
– Como o Universo pode ser tão uniforme em toda esfera celeste como mostra a
Radiação Cósmica de Fundo?
RCF
– A Radiação Cósmica de Fundo é um sinal eletromagnético proveniente das
regiões mais distantes do Universo, remanescente do estado quente em que o
Universo se encontrava....
Inflação
Problemas com o modelo cosmológico clássico (pré 1980):
• 2- Problema do Horizonte
• A Inflação nos permite entender como o material que hoje está fora do
nosso horizonte causal , pode ainda ter as mesmas propriedades físicas,
como se infere a partir da radiação cósmica de fundo
Aniquilação da Anti-matéria
• Após a fase de inflação, o Universo continuou a expandir e a resfriar, mas em ritmo
mais lento.
• Quando o universo era muito quente e denso, os fótons podiam produzir um par de
partículas de matéria e antimatéria que se aniquilavam e eram produzidos
continuamente e tudo estava em equilíbrio.
• Quando o universo esfria o equilíbrio se perde
e ocorre uma assimetria cujo resultado é que
a antimatéria é virtualmente erradicada.
• 1 em cada bilhão de partículas sobrevive.
• 0,00000000001 segundos
(tem 9 zeros depois da vírgula)
• Universo ainda é MUITO quente e denso
Bariogênese
Quarks são partículas fundamentais da
Natureza e formam todos os hádrons
(partículas compostas por quarks).
•
Grupos de 3 quarks formam bárions. Os
dois bárions mais conhecidos são: nêutrons
e prótons. Esta época é chamada de
Bariogênese (formação de bárions –
partículas massivas).
Léptons
•
Quarks
...formação dos protons e neutrons via quarks
•
•
T= 0,00001 segundos (tem 4 zeros depois da vírgula)
Universo ainda é MUITO quente e denso
Exemplo de Lépton: o elétron
•
Nucleossíntese
significa
produção
de
núcleos
atômicos a partir da fusão
termonuclear de núcleos mais
leves.
• Formam-se os elementos
leves:
deutério, hélio, lítio, berílio e
boro.
número de prótons
Nucleossíntese Primordial
• Ocorre entre 1 segundo e 5 minutos
• Termina quando T ~ 1 bilhão de graus, densidade ~ água
número de nêutrons
Previsão teórica
X
observação
Medidas independentes da
abundância de 4He, Deutério,
3
He, e Lítio concordam
entre si (ou quase…)
Apenas a nucleossíntese
primordial pode produzir
~24% (em massa) de He.
abundância relativa
Nucleossíntese Primordial
densidade de prótons e nêutrons
Formação dos Átomos Neutros
• Enquanto os átomos estão ionizados, o universo é opaco à radiação.
• Quando o universo se esfria, ele se torna transparente.
• Origem da radiação cósmica de fundo, hoje, com 3K.
• Prevista desde os
anos 1950.
Observada em 1964:
Prêmio Nobel em 1978
para Arno Penzias
e Robert Wilson
Recombinação
• 400.000 anos
• T ~ 3000 graus,
• densidade ~ 10.000 átomos/cm3
passagem do tempo
Formação dos Átomos Neutros
• A radiação cósmica de fundo se forma com 3000K, mas hoje medimos com
2,725 K devido a expansão do Universo.
valor que coincide com o valor esperado pela Teoria do Big Bang.
• A esta temperatura não há mais fótons com energia suficiente para manter a matéria
ionizada então os núcleos começam a capturar e reter os elétrons.
• Os átomos se tornaram neutros e o Universo ficou transparente para a radiação
este momento é chamado de Era da Recombinação.
• Ocorre em t=400.000 anos
• T ~ 3000 graus, densidade ~ 10.000 átomos/cm3
(Wayne Hu)
Redshift Cosmológico
• O comprimento de onda da radiação eletromagnética
aumenta proporcionalmente à expansão do Universo.
• Este fenômeno dá origem ao desvio para o vermelho
cosmológico.
(Wayne Hu)
Idade das trevas
• Passada a época da Recombinação, o Universo entrou em uma fase em que não havia
qualquer fonte de luz, a chamada Idade das Trevas.
• Há apenas a radiação cósmica de fundo, no infravermelho
idade das trevas
entre 400 mil e 400 milhões de anos
Foi nessa época que se formou a teia cósmica traçada pela matéria escura.
• Fim da idade das trevas: T ~ 30 K, densidade ~ 10 átomos/m3
Formação das estrelas, galáxias, planetas…
• Universo volta a se iluminar
• Radiação cósmica de fundo, em micro-ondas (200 GHz)
•
entre 400 milhões de anos até hoje
•
T ~ 2,725 K, densidade ~ 1 átomo/ 1000 litros
Formação das estrelas, galáxias, planetas…
Quinteto de Stefan,
Gemini
Campo profundo
do Hubble
Sol, SOHO
NGC6751
Aglomerado de Coma,
CFHT
Big Bang
•
Radiação cósmica de
fundo se forma.
Recombinação
400 mil de anos após o Big Bang
“Idade das trevas”
1as estrelas e Quasares
400 milhões de anos
“Renascimento” cósmico
•
Quasares e galáxias
conhecidos mais
distantes.
Do
Big Bang
até hoje
Fim da idade das trevas
universo reionizado
1 bilhão de anos
Galáxias evoluem
Sistema Solar se forma
9 bilhões de anos
Nós, hoje 13,6 bilhões de anos
Uma Breve história do Universo
Evolução da densidade (ρ) das três principais componentes do Universo: radiação, matéria
(escura e bariônica), e energia escura.
As Eras são definidas pela intersecção da reta representando a densidade de matéria com a
densidade de radiação e a densidade de energia escura.
SN: permitem testar a geometria do Universo a grandes distâncias
Os dados de distâncias de SN indicam que o Universo está se acelerando, ao
contrário do que se previa considerando a gravidade...
Uma Breve história do Universo
Então já conhecemos a origem e destino do universo?
...só uma boa noção
Não !
• O que acontece no Big Bang?
• Pode haver algo antes do Big Bang?
• Porque o universo é como ele é?
• Como se formaram e onde estão as primeiras estrelas?
• Como se formaram as galáxias?
• Qual será o destino do universo?
• O que é “matéria escura”?
• O que é “energia escura”?
Antes do Big Bang?
A Teoria de Tudo precisa combinar a
teoria de Relatividade Geral (gravitação)
com a teoria quântica.
A mais promissora teoria no momento é a
de supercordas (superstrings), proposta
originalmente pelo fíısico inglês Walter
Bannerman Kibble (1933-)
– Necessita 10 dimensões
espaciais.
– Descreve as partículas
elementares como modos de
vibração, cordas unidimensionais
fechadas que vibram. O conjunto
de cordas formam os quarks,
elétrons, neutrinos, etc.
• Nosso universo estaria confinado
em uma membrana (“brana”) .
• Big Bang seria o resultado de uma
colisão de branas.Extremamente
especulativo ainda…
Fim