Apresentação do PowerPoint

Explorando o Universo
http://astro.if.ufrgs.br/fis2009.htm
Kepler
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre, 2015
Kepler
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre, 2015
Tamanho do Sistema Solar
•Raio da Terra: 6370 km
•Raio do Sol: 700 000 km
•Distância Sol-Terra=1 U.A.=150 milhões km
•Distância até Plutão dP=40 U.A.=6 bilhões km
Escala 1mm=6000 km
A Terra
como um
grão de
pimenta
diâmetro do Sol
distância do Sol a Mercúrio
diâmetro de Mercúrio
distância de Mercúrio a Vênus
diâmetro de Vênus
distância de Vênus à Terra
diâmetro da Terra
distância da Terra a Marte
diâmetro de Marte
distância de Marte a Júpiter
diâmetro de Júpiter
distância entre Júpiter e Saturno
diâmetro de Saturno
distância da órbita de Saturno a Urano
diâmetro de Urano
distância da órbita de Urano a Netuno
diâmetro de Netuno
distância da órbita de Netuno a Plutão
diâmetro de Plutão
Total das distâncias
distância da Terra à Lua
diâmetro da Lua
distância da N uvem de Oort
distância da estrela mais próxima
km
m
mm
1 400 000
10
5 000
0,8
50 000 000
13 000
7 000
550 000 000
2
grão de pimenta
1
grão de gergelim
92
143 000
24
noz
20
avelã
108
120 000
240
51 000
9
amendoim
8
amendoim
271
49 000
234
2 300
5 900 000 000
grão de coentro
13
78 000 000
1 404 000 000
2
7
41 000 000
1 627 000 000
cabeça de alfinete
8
12 000
1 443 000 000
bola
230
58 000 000
649 000 000
Representação
0,4
semente de papoula
983
384 000
64
3 500
0,6
1 ano- luz
1 600 km
4,22 anos- luz
6 700 km
semente de papoula
25Fev14
28Fev14
3/2/14
Sol
23/2/14
Sol 13 e 28 Fev 2015
http://www.spaceweatherlive.com/en/solar-activity/sunspot-regions
31 de agosto de 2012
O Sol em 2015
Samuel Heinrich Schwabe (1789-1875)
Ciclo solar
http://astro.if.ufrgs.br/esol/
Ano
Unidades de distância Astronômicas
• Unidade Astronômica (U.A.– distância Sol-Terra):
150 milhões de km
• Ano-Luz (a.l. – distância que a luz viaja em um ano):
365,25 dias/ano x 24 horas/dia x 3600s/hora x 300.000
km/s= 9,5x1012km=9.5x1015m~1016m
• Parsec (pc): 206 265 U.A.=3,26 a.l.
• Kiloparsec=1.000 pc
• Megaparsec=1.000.000 pc
Tamanho do Átomo vs. Sistema Solar
Raio aprox. do núcleo rN= 10-15m
Raio aprox. do átomo (raio de Bohr): r= 5x10-11m
→O átomo é um grande vazio, só 50.000-3=8x10-15 do seu volume está ocupado!
•
•
Raio do Sol rSol= 7x108m
Raio do Sistema Solar: rSS= 1 ano-luz=1x1016m
•
•
→O Sistema Solar é um vazio maior ainda, só (1,4x107)-3=3.6x10-22 do seu volume está ocupado!
Densidade de massa=1 MSol/(4/3πrSS3)=4.8x10-22g/cm3
Tamanho das
estrelas
• Estrela quente (O5):
R=1,25x107km=18 RSol
• Estrela fria (M5):
R=2,23x105km=0,32 RSol
• Gigante vermelha
(Betelgeuse):
R=5,22x108km=745 RSol=
3,5 U.A.=1,5 órbita de Marte
• Anã Branca: (Sirius B):
13919 km=2RTerra
• Estrela de Nêutrons: 20 km
• Buraco Negro: 3km
Métodos de determinação de distâncias
Astronômicas
• Sistema Solar próximo: radar
• Estrelas próximas: paralaxe
http://astro.if.ufrgs.br/dist/
Distância entre as estrelas
• Estrela mais
próxima: Próxima
Centauri: d=4,22 a.l.
• Densidade de
matéria média:
(1 Sol)/(4/3π d3)=
0.003 MSol/(a.l.)3=
7,5x10-24g/cm3
(vácuo em laboratório
10-20g/cm3 )
A Via Láctea
Tamanho
da Via
Láctea
• Diâmetro:100.000 a.l.
• Estrelas e galáxias:
"velas padrão"
• Exemplo: supernovas
M82
M81
Como se
busca
supernovas
Charles Messier (1730-1817)
21 Jan 2014
Distância entre galáxias:
o Grupo Local
Cerca de 50 galáxias
Raio=3 milhões de a.l.
Métodos de determinação de
distâncias Astronômicas
Galáxias distantes:
Lei de Hubble
Medindo deslocamento para o vermelho:
efeito Doppler
http://astro.if.ufrgs.br/doppler/
Deslocamento para o vermelho z:
O Universo é Finito!
O céu é escuro, logo o Universo é finito!
Exposições Longas com o Telescópio Espacial
Norte
2 semanas
2004
Sul 1998 - 10 dias
Floresta de árvores
Paradoxo de Olbers
Heinrich Wilhem Mattäus Olbers (1826)
Céu seria brilhante se universo
infinito
Área=4πR
2
Intensidade
Brilho = -----------
(de uma estrela)
2
4π R
2
∆Volume=4πR ∆r
Brilho = Intensidade
(do céu)
SuperAglomerado
Local:
1015 MSol, centro no
Aglomerado de
Virgem
Aglomerado de Virgem
atrai o Aglomerado Local,
que se move a 400 km/s
em direção a Virgem
Aglomerado de Virgem
• O Aglomerado de
Virgem,
• a 60 milhões de
• anos-luz.
• Contem mais de
• 2000 galáxias e é o
centro do superaglomerado
• local
Quasares
Aglomerados de Galáxias
• Distância:3 bilhões a.l. (1000 x distância de Andrômeda); 250
membros
• Lente gravitacional de galáxias a altos z (redshifts), até z=7 -- idade
de 0,75 bilhões de anos (idade do Universo=13,7 bilhões de anos)
Estrutura em grande escala: Sloan Digital Sky Survey
1.000.000 distâncias
Plano da Via-Láctea
Distâncias e direções das galáxias do SLOAN
• Estrutura comum:
"esponja"– galáxias
se distribuem como
na superfície de
bolhas; vazios de
50 Mpc = 150 Ma.l.
• Distância média
entre galáxias:
d=3 Ma.l.
• Densidade de
matéria: 1012MSol/
(4/3πd3)=
• 2x10-30g/cm3
Estrutura em grande escala do Universo: no infravermelho
Edwin Hubble 1929
Velocidade=H x distância
Expansão da Lei de Hubble:
v=H d
t2
t1
Modelo do bolo de passas:
Num tempo ti=0, as distâncias das passas em relação a uma passa de referência
são:
passa A: di= 1 cm
passa B: di= 3 cm
passa C: di= 4 cm
Após 1 hora, o bolo dobra de tamanho, e as distâncias entre as passas serão:
passa A: df= 2 cm
passa B: df= 6 cm
passa C: df= 8 cm
Portanto as velocidades são:
passa A: v=1 cm/h
passa B: v=3 cm/h
passa C: v=4 cm/h
Velocidade em função de suas distâncias, reta com
H = (1cm/h)/2cm = (3cm/h)/6cm = (4cm/h)/8cm = 0,5/h
T=1/H=2h
Big Bang
Expansão
Velocidade=H x distância
Velocidade= distância/Tempo
Tempo = 1/H
H = 72 km/s/Mpc
Tempo= 13 bilhões de anos
1 Mpc = 3,26 M anos-luz = 3 x 1019 km
Raio e idade do
Universo
•
Lei de Hubble →
Universo em expansão,
analogia bolo de passas
→ v=Hd: maior distância
↔ maior velocidade;
limite →
c= velocidade da luz
•
Distância de Hubble:
limite observável do
Universo, se taxa de
expansão fosse
constante (=H)
dH=c/H=13,7x109 a.l.
•
Tempo de Hubble:
tempo para galáxia
chegar a uma distância
d, com velocidade v:
tH=d/v=1/H=Tempo de
Hubble: idade to
Universo se taxa de
expansão fosse
constante (=H)
tH=13,7x109 anos
Arno Penzias e Robert Wilson
1964
Radiação do Fundo do
Universo
George Gamow
Robert Herman & Ralph Alpher
1948
Raio do Universo: só podemos observar a superfície do último
espalhamento, quando Universo se tornou transparente ao formar o
primeiros átomos (era da recombinação), 380.000 anos após o Big Bang
→ radiação cósmica de fundo em microondas, mapeada em 2015 pelo
satélite Planck
FT
Instabilidade gravitacional
Estrutura em grande escala:
Millenium simulation
maior simulação cosmológica já realizada, com 1010 partículas
Interpretação dos dados do WMAP
Universo tem um raio observável de 13,8
bilhões de anos-luz porque ele tem uma
idade de 13,8 bilhões de anos. Este é o
tempo que a luz demorou para chegar até
nós. Entretanto, a expansão do Universo
coloca esta distância atualmente a cerca de
50 bilhões de a.l., que seria o raio atual do
Universo conhecido. Além disso, na época
conhecida como da “inflação cósmica” (10-34
s de idade do Universo), o horizonte se
expandiu mais rápido do que a luz e assim o
Universo é maior ainda.
Conteúdo de estrelas no Universo
observável: 1011 galáxias com 5x1011 estrelas
cada=5x1022 estrelas x 2x1033g=1x1056g
Entretanto, as estrelas são só 4% do
Universo, dominam a matéria escura (26%) e
energia escura (70%) → não sabemos a
natureza do que constitui 96% do Universo!
→
“Raio, idade e conteúdo
do Universo”
Albert Einstein
Vmax= c
c =300 000 km/s
Gij =
8πG
c2
Tij
1916 Teoria da Relatividade Geral
Relatividade Geral: Espaço = K x Energia-Momentum
Eclipse
29 de maio de 1919
Eclipse em Sobral, CE, 29 maio 1919
E=mc2
Lente Gravitacional
Cruz de Einstein
(quasar a 8 bilhões de anos-luz imageado
por galáxia a 400 milhões de anos luz)
Lente Gravitacional 0024+1654
Anãs Brancas
J0651+2844: 12.75 min ab+ab
Phase = 0
Phase = 0.5
Hermes et al. 2012
Evidência de Ondas Gravitacionais
RG: dPorb/dt = (-0.26 ± 0.05) ms/ano - observado (-0.28 ± 0.03) ms/ano
D. Berry, GSFC
Ondas Gravitacionais
Gravidade deforma o espaço
Massas em movimento emitem ondas
Ondas carregam energia
Perda de energia reduz a órbita
Ondas gravitacionais nunca foram observadas
diretamente (Dr/r ~ 10-22 )
Pulsar de 1054
Pulsar binário PSR1913+16
•Duas estrelas de nêutrons
•Período orbital = 7,75 horas
•Período de rotação do pulsar
59 milisegundos
• ∆P/∆t =(76,0 + 0,3) µs/ano
Incerteza na Relatividade
Geral é menor que 1/1018
Russell Alan Hulse (1950-) e Joseph Hooton Taylor Jr. (1941-)
Z=8,2 d=13,1 bilhões anos-luz
Z=11,9
d=13,42 bilhões de a.l.
HST UDFj-39546284
Bouwens et al. 2013, ApJ, 765, L16B
HST: Galáxias formaram-se 1 Gano depois do
Big-Bang
Universo é finito,
Qual é o tamanho do horizonte?
idade x c
Idade do Universo em 2014
•Espectro da Radiação do Fundo do Universo = (13,798+0,037)Ganos
•Taxa de Expansão do Universo - Idade: 1/H =
(13 + 1) Ganos
•Cúmulos Globulares - Idade:
(13,2 + 1,5) Ganos
•Decaimento Radiativo - Idade:
(12,5 + 3) Ganos
•Esfriamento das Anãs Brancas - Idade:
(12,7 + 0,7) Ganos
•Distância às Supernovas Tipo I - Idade: 13.0 +1.2 (0.72/h)Ga,Λ
NGC6903
SN1987A
CenA
Matéria Escura
2
ρ critica
-29
3H
= −−−−−− = 10 g/cm
8π G
-31
ρobs = 2 x10 g/cm
3
Energia Gravitacional = Energia Cinética
ρmat=(0.19 ± 0.06) ρcritica
Matéria Escura ~ 10 Matéria Luminosa
Fritz Zwicky 1937
3
Matéria Escura: evidências observacionais
Fonte: Cosmos, SAO
Estrelas nas bordas externas das galáxias têm velocidades orbitais
maiores do que pode ser explicado pela massa interna da
galáxia: V2=GM/R (rotação Kepleriana)
Matéria Escura
Para explicar o
movimento rápido das
estrelas longe do
centro das galáxias,
deve existir um halo
estendido de matéria
escura, que teria
massa 5 vezes maior
do que a da matéria
bariônica.
Matéria Escura:
evidências
observacionais
•
Galáxias em aglomerados têm
velocidades maiores do que
estimadas através da massa do
aglomerado
•
Massa de aglomerados de
galáxias obtidas a partir de
lentes gravitacionais dão valores
~ 5 vezes maiores do que o
estimado a partir da radiação
proveniente das galáxias.
Figura: lentes gravitacionais (fonte: The
internet Encyclopedia of Science)
Matéria Escura: natureza
Matéria Escura: natureza
‘Bullet cluster”, resultado da colisão de dois aglomerados de galáxias (passando um através
do outro). A luz vermelha revela a distribuição do gás (que emite raios-X – detectado pelo
satélite Chandra) enquanto que a parte azul revela a distribuição de matéria escura obtida
pelo método de lentes gravitacionais. Enquanto que a matéria luminosa se retarda pela
interação, a matéria escura parece não sofrer nenhum distúrbio, revelando que sua natureza
é mesmo diferente da natureza da matéria bariônica.
Linha do tempo
Energia escura 1998
SNIa
Energia Escura: observações de supernovas distantes de
tipo Ia revelam aceleração da expansão do Universo
Energia Total do Universo
Expansão acelerada: é preciso uma energia que aja contra
a gravidade para acelerar a expansão: a Energia Escura
A idade do Universo: o espaço
também indica tempo
•
•
•
•
•
•
•
A velocidade da luz é finita, portanto ao observarmos um astro a uma distância d,
na verdade estamos observando seu passado, num tempo t(anos)=d(anos- luz)/c
Exemplos: observamos:
A) o Sol como era a 8 minutos atrás;
B) a estrela α Centauri como era 4 anos atrás;
C) a supernova observada em 1987 na Grande Nuvem de Magalhães, explodiu
168.000 anos antes;
D) Quasar a redshift z=1: observado quando Universo tinha metade da sua
idade;
D) a radiação de fundo: o Universo quando tinha idade de 380.000 anos
Interpretação
Cronologia resumida do Universo
• Big-Bang + Inflação + formação das partículas (3m 48s)
• 380 mil anos: desacoplamento matéria e radiação, formação dos
primeiros átomos
• 380 milhões de anos: formação das primeiras estrelas
• 8,7 bilhões de anos: formação do Sistema Solar
• 13,8 bilhões de anos: época atual
• 18 bilhões de anos: Sol vai evoluir para gigante vermelha, nebulosa
planetária e anã branca
•
•
Entre 380.000 e 300.000.000 de anos: “era das trevas”
t=3x108anos: estrelas e galáxias se formam: era da re-ionização, seguida dos
primeiros GRB's (gamma-ray bursts) e quasares.
• t=8,7x109anos: Sol surge como estrela.
• t=10x109anos: primeiras formas de vida na Terra.
• t=13x109anos: Animais primitivos se formam: algas, águas marinhas,
conchas
• t=13,5x109anos: Primeiros mamíferos evoluem a partir de répteis
• t=13,635x109anos: Extinção dos dinossauros.
• t=13,669x109anos: Surge o Homo Sapiens
• Fração da idade do Universo em que existiu o Homo Sapiens:
Se a idade do Universo fosse um dia, o
600.000
Homo Sapiens só teria existido por 4
= 4.4 ×10−5 →
segundos; ou 23 min. em um ano
13.700.000.000
O presente
• Época da civilização moderna, quando
homens começaram a estudar a natureza e
compreender os mecanismos que dão
origem às galáxias, estrelas e planetas, bem
como sua evolução
O futuro
• t=1014anos: Fim da era estelar. Estrelas consumem todo o H em He.
• t=1038 anos: Era das estrelas degeneradas: anãs brancas, estrelas de
nêutrons, buracos negros.
• t=10100 anos: Após t=1038anos, prótons começam a decair e particulas
começam a se aniquilar; no fim só sobram buracos negros, que começam
a evaporar pela radiação Hawking.
• t>10100anos: Era das trevas: prótons decaíram e buracos negros
evaporaram, sobram fótons de baixíssima energia com comprimento de
onda tendendo a infinito, neutrinos, elétrons e pósitrons.
Questões
• Qual o raio da Terra, do Sistema Solar, da
Galáxia, do Aglomerado Local, do Superaglomerado Local e do Universo?
• Quais os métodos usados para determinação
das distâncias acima?
• Como se determina a estrutura em grande
escala do Universo?
• O que é a radiação de fundo de micro-ondas?
• Qual é o limite observável do Universo?
• Quais são os constituintes do Universo?
• Qual é a idade do Universo?
A Astronomia no Brasil
Laboratório
Nacional de
Astrofísica
1981
1,6m
Novos telescópios para o Brasil
Projeto Gemini: 2 telescópios de 8m (2,5%)
Mauna Kea: Hawaii
1999
Cerro Pachon: Chile
2000
Telescópio Soar
30% de um telescópio de 4,2 metros