Cosmologia

Cosmologia
Thyrso Villela Neto
INPE
Divisão de Astrofísica
Parcialmente baseado no CD Astronomia para Poetas – UFRJ
e em material cedido pelo Dr. Marcio Maia do ON/MCT
INPE, 29 de novembro de 2005
Resumo
• Evolução do pensamento humano sobre o cosmo
• A Cosmologia no início do Século XX
• Os três pilares da Cosmologia Moderna
• Cosmologia: desenvolvimentos tecnológicos
• Novos dados cosmológicos: desafios para a Física
Tempestade
em Júpiter
Mais de 300 anos
de duração!
25.000 km de diâmetro !
“Ventos” de 430 km/h !
Uma previsão para a morte do
Sol…
Nebulosa da
Formiga, ~ 4500
anos-luz da Terra,
na constelação de
Norma.
Imagem com
resolução 10
vezes melhor do
que a dos
telescópios no
solo, revelando
100 vezes mais
detalhes
O que “sabemos” hoje…
Tempo
Início do Universo
Hoje
Começando com um pouco de História ...
Astrônomo – Profissão Perigo
Tampa de caixão de um Faraó egípcio mostrando dois
astrônomos assistentes (2000-1500 AC). Hieróglifos listam
estrelas, cujo nascer indica o início de cada hora da noite.
visãoRa,
do criou
Universo
volta
de 2000à a.C.
OUma
deus-sol,
a si por
mesmo,
juntou-se
sua
sombra e tornou-se pai dos gêmeos Shu, o deus do ar,
e Telnut, a deusa da chuva.
Shu e Telnut uniram-se e também tiveram gêmeos: o
deus-terra Geb e a deusa-céu Nut. Geb e Nut também
se uniram, mas o avô, Ra, zangado e ciumento,
ordenou que Shu os separasse e que mantivesse Nut
bem acima da Terra, como convém a uma deusa-céu.
Desde então, Nut toca a Terra somente com as pontas
de seus dedos das mãos e dos pés. Sua barriga, coberta
de estrelas, que são seus filhos, formam o arco do
firmamento.
Demócrito
(400 A.C.)
Atribui a estrelas “não resolvidas” o brilho da
banda luminosa que corta o céu noturno, que, mais
tarde, viria a ser chamada de Via Láctea.
Aristóteles
(350 A.C.)
Refina modelo de Eudoxus, no qual a Terra
seria o centro do Universo, com o Sol, planetas
e estrelas girando em torno dela, fixas em
esferas cristalinas.
Aristarco de Samos
(~250 A.C.)
Foi o primeiro a propor o sistema heliocêntrico.
Uma visão do Universo por volta de 1000 d.C.
Nessa época, os modelos de Universo consideravam que a
Terra estava no centro de tudo e que o céu era uma tampa
com buracos.
A luz proveniente de fogos, ardendo no lado de fora,
brilharia através dos buracos e alcançaria a Terra como a
luz das estrelas.
Nicolau de Cusa
(~1440)
Propôs idéias avançadas para a época:
• Acreditava que a Terra girava em torno do seu eixo e
que talvez girasse em torno do Sol
• Propôs que as estrelas seriam similares ao Sol e que
deveriam ter “mundos habitados” orbitando ao seu redor
• Mais especulações o levaram a concluir que o Universo
era infinito
Nicolau Copérnico
(1543)
Em seu livro De Revolutionibus apresenta a
teoria heliocêntrica
Galileo Galilei
(1610)
Eppur si muove!
Utilizando uma luneta, por ele (re)inventada,
confirma que a Via Láctea é formada por estrelas.
Além disso, vê satélites de Júpiter, o que reforça
a teoria heliocêntrica.
“A Galáxia não é nada mais do que uma massa
de inumeráveis estrelas plantadas juntas em
aglomerações. Para qualquer parte que você
dirija o telescópio, imediatamente uma vasta
multidão de estrelas apresenta-se à vista.”
Galileo (1610)
René Descartes
Cogito ergo sum
Em O Mundo, Descartes propõe a
idéia de que o Universo é formado por
um número indefinido de vórtices
contínuos.
A matéria que preenche o Universo
seria coletada nos vórtices, que
possuiriam uma estrela no centro de
cada um deles. Eles apresentariam,
com freqüência, “planetas orbitantes”.
(1633)
Thomas Wright
(1750)
Foi o primeiro a propor idéias de um
Universo organizado na forma de sistemas
estelares em sua obra “An Original Theory
or New Hypothesis of the Universe”
... that as the visible Creation is supposed to be full of
sidereal Systems and planetary Worlds, so on, in like
similar Manner, the endless Immensity is an unlimited
Plenum of Creations not unlike the known Universe. See
Plate XXXI, which you may if you please, call a partial View
of Immensity, or without much Impropriety perhaps, a finite
View of Infinity ...
That this in all probability may be the real Case, is in some
Degree made evident by the many cloudy Spots, just
perceivable by us, as far without our starry Regions, in
which tho' visibly luminous Spaces no one Star or particular
constituent Body can possibly be distinguished; those in all
likelihood may be external Creation, bordering upon the
known one, too remote for even our Telescopes to reach.
Immanuel Kant
(1755)
Em seu livro História Natural Universal e Teoria do Céu,
sugere que “de maneira similar ao Sistema Solar,
existiriam outros sistemas, de ordem maior, que se
assemelhariam à distribuição de estrelas da Via Láctea ...”
Suas idéias são basicamente as de Thomas Wright e
incluem considerações sobre a existência de um Universo
infinito em que todas as estruturas de mundo se
relacionariam, possuindo um ponto central. Mais tarde
esses outros sistemas se chamariam Universos-Ilhas.
Universal Natural History and Theory of Heaven
To the most serene, the mightiest king and master
Frederick
King of Prussia
Margrave of Brandenburg
Lord Chamberlain and Elector of the Holy Roman Empire
Sovereign and Highest Lord of Silesia, etc. etc.
My all honored King and Master,
Most serene and mighty king,
All honored King and Master...
Dedicatória para Frederico II da Prússia na Introdução da obra
O texto pode ser encontrado em http://www.mala.bc.ca/~johnstoi/kant2e.htm
Charles Messier
(1784)
Compilou o Catalogue des nébuleuses et des amas
d'étoiles que l'on découvre parmi les étoiles
fixes, sur l'horizon de Paris. Nele, estão as
primeiras referências a aglomerados de galáxias.
Messier listou 103 nebulæ, 30 das quais são
galáxias.
M1
Nebulosa do Caranguejo
M101
Galáxia do “Catavento”
Wilhelm Herschel
(1785)
Suas descobertas, com o telescópio construído
por ele mesmo, fizeram com que o rei da
Inglaterra financiasse a construção do maior
telescópio da época, com 1,47 m de abertura.
Em 1785, ele publicou On the Construction of the
Heavens, no qual sugeriu que “o sistema sideral
que habitamos” é uma nebulosa comum em
aparência a muitas outras, as quais, por sua vez,
devem ser externas à nossa.
Descrição de Herschel para a Via Láctea
William Parsons
(Lorde Rosse) 1845
Constrói um telescópio de 1,80 m de diâmetro
e descobre que algumas nebulosas possuiam
formato espiralado.
Desenhos de Parsons mostrando que algumas
“nebulosas” apresentam uma estrutura espiral.
M51
M101
Uma visão do Universo por volta de 1900 d.C.
Composição: estrelas
Sistema Solar
30.000 anos luz
Origem: ?
William Herschel
(1738-1822)
Um dos objetivos da Cosmologia é o
estudo da estrutura do Universo em grandes
escalas
Mas até o início do Século XX não conhecíamos tudo isso…
Foi nessa época que quase tudo o que sabemos hoje
sobre Cosmologia começou!
Estruturas encontradas no Universo:
Galáxias
Aglomerados
de galáxias
Estrelas
Vazios e Filamentos
• 1900: Max Planck propõe a idéia de que a energia existe em
pacotes (chamados quanta)
• 1906: Jacobus Kapteyn repete a análise estatística de
estrelas feita por William Herschel e descobre que há ordem
no movimento das estrelas
– Suas medidas do tamanho da Galáxia indicavam um
tamanho maior para a Via Láctea.
– No entanto, indicaram um valor 60% menor que o
tamanho atualmente aceito. A presença de nebulosas
escuras impediram medidas mais precisas
Henrietta Leavitt
(1912)
Descobre, para as Cefeidas, uma relação entre o
período de variação de seu brilho e sua
luminosidade intrínseca. Com isso, torna possível a
medida de distâncias dentro e fora de nossa
Galáxia. Uma contribuição fabulosa!
1912
• Rutherford mostrou que os átomos contêm um núcleo central
Década 1910-1919
A estrutura dos átomos
-10
10 m
Elétrons giram em torno
do núcleo
1913
•
Walter Adams mostra como deduzir a luminosidade de uma
estrela a partir de seu espectro. Uma vez que a luminosidade da
estrela é conhecida, a distância até ela pode ser calculada a
partir de seu brilho aparente
Década 1910-1919
– Essa nova ferramenta permite a Ejnar Hertzsprung e Henry
Russell medir a distância a Cefeidas próximas, construindo
assim a escala de distância cósmica de Leavitt.
1913
•
Hertzsprung e Russell encontram uma relação entre cor e
luminosidade para estrelas. Estrelas azuis (quentes) tendem a ser
luminosas, estrelas amarelas (temperatura média) tendem a ser
menos luminosas, estrelas vermelhas (frias) tendem a ser fracas
Década 1910-1919
•
Mais de 90% das estrelas se encaixam nessa classificação e são
chamadas de estrelas de seqüência principal.
1913
•
O gráfico desses resultados é conhecido como diagrama de
Hertzsprung-Russell (ou H-R) e é muito importante no estudo da
evolução estelar.
Década 1910-1919
•
Russell estuda o espectro do Sol para determinar sua composição
química: 90% H, 9% de He e 1% de “outros elementos”. A maioria
das estrelas tem composição química semelhante
•
Neils Bohr aplica as idéias de Planck para o átomo, ajudando a
explicar como e porque os espectros atômicos se formam.
1914
•
Slipher descobriu que as “nebulosas” espirais e algumas elípticas
estão se movendo com grandes velocidades radiais, de forma que
considerá-las como membros da Via Láctea é algo questionável.
Década 1910-1919
Vesto Melvin Slipher
(1875-1969)
1915
•
Década 1910-1919
A Física e a Astronomia sofrem uma revolução protagonizada por
Albert Einstein
1915
Década 1910-1919
• A Teoria da Relatividade Geral de Einstein muda a
forma como os seres humanos encaram a gravidade
Newton X Einstein
1915
•
A Teoria da Relatividade prevê que a luz seria influenciada por um
campo gravitacional, o que seria provado durante um eclipse total
do Sol alguns anos mais tarde
Década 1910-1919
•
A TRG fornece uma visão geral de todo o Universo indicando que
ele não é estático. Einstein acha que o Universo é estático e altera
parte de suas equações
1917
• James Jeans apresenta uma idéia para a formação do
Sistema Solar: sugere que uma estrela “passante” possa
ter retirado material do Sol. Esse material teria se
1910-1919
condensado Década
para formar os
planetas
• Primeiro modelo cosmológico com base matemática
Willem de Sitter
(1872-1942)
1917
•
Vesto Slipher coleta espectro de 15 “nebulosas” e percebe que 13
delas apresentam as linhas deslocadas para o vermelho
Década 1910-1919
• Surge a primeira evidência de que as galáxias
apresentam movimento de recessão
• Como elas ainda não eram consideradas objetos
“extragalácticos”, o trabalho sofre severas críticas!
1917
• Vesto Slipher: "For us to have such motion and
the stars not
show it means
that our whole stellar
Década
1910-1919
system moves and carries us with it. It has for a
long time been suggested that the spiral nebulae
are stellar systems seen at great distances ... This
theory, it seems to me, gains favor in the present
observations"
Herber G. Curtis
X
Harlow Shapley
Em 1920, um grande debate foi estabelecido entre Herber Curtis e
Harlow Shapley a respeito da natureza extragaláctica das galáxias.
Curtis defendia a idéia de que elas eram externas à Via Láctea,
enquanto Shapley dizia que elas seriam objetos da nossa galáxia.
Somente mais tarde foi possível estabelecer a natureza extragaláctica
destas “nebulosas”. Curtis tenta difundir o nome Universos-Ilhas para
galáxias.
1922 - 1927
Aleksandr Friedmann
(1888-1925)
George LeMaitre
(1894-1966)
Edwin Hubble
(entre 1923 e 1929)
Consegue determinar a distância
de uma “nebulosa” na constelação
de Andrômeda, usando, para isso,
uma estrela cefeida (1923).
Estava demonstrado que elas
tinham natureza extragaláctica.
Observando mais galáxias, e
adicionando os dados de Slipher,
Hubble concluiu que elas se
afastam mais rapidamente quanto
mais longe estão (1929).
Cosmologia moderna...
• Herman Bondi ao começar suas palestras:
“the data in cosmology are so likely to be
wrong that I propose to ignore them”.
• Ernest Rutherford, descobridor do núcleo
atômico: ameaçava expulsar de seu
laboratório quem ousasse pronunciar a
palavra “Universo”.
Novas tecnologias: novas
janelas para o Universo
•
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•
•
•
•
•
•
•
Pulsares
Quasares
GRB
CMB
Supernovas
Estrelas de nêutrons
Estrelas anãs brancas
Buracos negros
Galáxias distantes
Bases do “Hot Big Bang”
• Teoria da Relatividade Geral
• Princípio Cosmológico
• Suposição de um início quente e denso
para o universo (“hot”)
• “Explosão” inicial (“big bang”)
INÍCIO
DO
TEMPO
Pequena fração
de segundo
inflação
380 mil anos
13,7 bilhões de anos
Evidências observacionais a
favor do “Hot Big Bang”
1. Expansão do universo
lei de Hubble: v = H . d
2. Abundância de elementos leves
3. Radiação cósmica de fundo de 2,7 K
(“microondas cósmicas”)
1.
1. A
A expansão
expansão do
do Universo
Universo
Hubble
velocidade
de
recessão
= H × distância
A lei de Hubble
Não há centro do Universo
Década de 1940
2. Formação de elementos químicos leves
Alpher
Bethe
Gamov
1946: sugeriram a possibilidade de que os elementos
químicos leves teriam sido criados numa época em que
reinavam altas temperaturas no universo
A formação de elementos
leves
p
2H
n
Nucleossíntese Primordial
p
3He
n
Previsões da teoria:
4He
– Formação de H, 4He, 2H, 3He, Li
– Abundância (por massa) de hélio:
25% do total do universo
Previsões baseadas em física bem
conhecida
Década de 1960
3. RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO
EM MICROONDAS
Descoberta da RCFM
1964
1933
Década de 1970
•
Ho: Debate Sandage e Tammann X de Vaucouleurs e outros
Qual é o valor da constante de Hubble?
• “Interação forte”: Astrofísica + Física de Partículas
Fortalecimento da Cosmologia
Década de 1980
“Era pré-COBE”: Brasil nov. 1982
Protótipo do satélite COBE
(DMR 90 GHz)
Lubin, Villela, Epstein, Smoot 1985
Villela 1987
Satélite Relict: 1983
Década de 1990
Satélite COBE
COsmic Background Explorer
1989
!
Mather et al. (1990; 1999)
Temperatura do Universo:
~ -
o
270
C
1990
• Abril de 1990: Hubble Space Telescope é
colocado Década
em órbita 1990-1999
pelo ônibus espacial
Discovery
• Início do Projeto Genoma Humano
Compton Gamma-ray Observatory
BeppoSAX (30 abril 1996 – 30 abril 2002)
"Satellite per Astronomia X"
("Beppo" em homenagem a Giuseppe Occhialini)
GRB 990123
Image credit: The Caltech GRB Team / Palomar Observatory
Dolly (5 julho 1996 – 14 fevereiro 2003)
• Energia Escura, ou “quintessência” (água,
ar, fogo, terra…), é o componente invisível
da Natureza responsável pelo atual estado
de aceleração do Universo
• Entender sua natureza significa aumentar a
nossa compreesão sobre o Universo
(origem, evolução e destino)
HACME (UCSB + INPE + UNIFEI)
HEMTs on Advanced Cosmic Microwave Explorer
BOOMERANG
Satélite WMAP
• Lançado em 30/06/2001
• 1,5 x 106 km da Terra
• Massa: 830 kg
• Altura: 3,6 m
WMAP Science Team
BEAST:
Background
Emission
Anisotropy
Scanning
Telescope
UCSB
INPE
Univ. Milão
Univ. Roma
JPL/NASA
Caltech
BEAST
WMAP
Composição do Universo
Elementos pesados: ~ 0,03%
Neutrinos:~ 0,3%
Estrelas: ~0,5%
H, He: ~ 4%
Matéria escura: ~25%
Energia escura: ~ 70%
Desenvolvimentos
Tecnológicos
• Sensor estelar CCD
• Sistema de controle de atitude de
plataformas espaciais (satélites e balões)
• Detectores de microondas
• Técnicas utilizadas em telecomunicações
• Criogenia
• Quantificação da interferência
eletromagnética em medidas astronômicas
• Técnicas computacionais para tratamento
de grandes quantidades de dados
~100 anos atrás: “microfísica” (Física Atômica)
Æ nova Física (Mecânica Quântica)
Hoje: “macrofísica” (Cosmologia)
Æ nova Física?
Satélite Planck - ESA
FIM
O Astrônomo
(Fábulas de Esopo)
Um astrônomo gostava de fazer passeios noturnos para olhar as
estrelas. Certa vez ia tão distraído que caiu num poço. Enquanto
tentava sair, seus gritos atraíram a atenção de um homem que
passava. Ao ser informado do que havia acontecido, o homem riu e
disse:
- Meu bom amigo, tanto o senhor se esforçou para olhar o céu
que não lembrou de olhar o que tem debaixo de seus pés!
MORAL: é fácil deixar de ver o óbvio…