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Cosmologia
Laerte Sodré Jr.
IAG/USP14/09/2004
algumas observações relevantes
•a noite é escura!•o universo é homogêneo e isotrópico•...
homogeneidade e isotropia
O paradoxo de Olbers
O universo pode ser infinito. Mas, então, porque a noite é escura?
O modelo do Big Bang
• a expansão do universo•a radiação cósmica de fundo•a abundância dos elementos leves•a origem da estrutura em grandes escalas• ...
A expansão do Universo
Galáxias em todas as direções estão se afastando de nós com velocidades que aumentam com a distância
A expansão do universo
O espaço se expande, e todos os observadores observam o mesmo fenômeno.
O espaço se expande, e as galáxias acompanham a expansão!
A expansão faz com que o comprimento de onda da luz que viaja de uma galáxia para outra aumente (fique mais “vermelho”): é o redshift. A intensidade desse redshift depende de quanto tempo a luz viajou, isto é, de sua distância.
A expansão do universo
Visões do passado
Quando observamos galáxias cada vez mais distantes, em redshifts cada vez maiores, estamos observando-as cada vez mais no passado, devido à velocidade finita da luz.
O modelo do Big-Bang
• Einstein, 1916: Teoria da Relatividade Geral – a distribuição de matéria e energia produz uma curvatura no espaço
• Einstein, 1917: universo hiper-esférico estático• Sobral, 1919: observação da deflexão da luz das
estrelas pelo Sol• Friedmann, 1922: equações de um universo em
expansão• Hubble, 1929: expansão do universo• Lemaitre, 1930: “pai do modelo do BB”
modelos cosmológicos
as observações podem ajudar a determinar a forma do universo e como ele vai evoluir...
Geometrias:a soma dos ângulos de um triângulo
depende da curvatura
A quantidade de matéria e energia determina a evolução do universo.
• universo “aberto”: densidade menor que uma certa densidade crítica (k=-1)• universo “fechado”: densidade maior que a densidade crítica (k=+1)• universo “plano”: densidade igual à densidade crítica (k=0)
Proponho modelos de
universo
Testes observacionais dos modelos
Oi pessoal!
Observador
Vamos dar uma
olhada?
Probleminha? Galáxias evoluem!
complicado,
mas sem desanimar…
Será que o universo é
assim mesmo?
história do universo no modelo do Big-Bang
O Big Bang
• t=0: o BB – singularidade inicial
• t=10-43 s: tempo de Planck
“caos quântico”
e “antes” do Big-Bang?
→ o espaço e o tempo nascem juntos com o nosso universo
universos paralelos - multiversos???
mas após o BB...
• Criação da matéria a partir da radiação
XX
• Conforme o universo se resfria, diversos tipos de matéria vão se formando (e desaparecendo)
• Os protons se formam a partir de uma sopa de quarks, logo no começo do universo
Nucleosíntese primordial
• Durante os primeiros minutos a temperatura e a densidade eram suficientemente altas e permitiram a criação do deutério, hélio e uma pequena quantidade de lítio
• Mas como não há núcleos estáveis com peso atômico 5 ou 8, este processo parou por aqui!
• Os demais elementos seriam formados muito mais tarde, no interior das estrelas.
nucleosíntese primordial
As duas eras do universo
• Era da radiação• Era da matéria
• A densidade de energia e de matéria evoluem de forma diferente...
• Era radiativa: o universo era opaco aos fótons
• Era da matéria: o universo fica transparente aos fótons
centenas de milhares de anos depois do BB: a recombinação
Podemos detectar hoje a radiação remanescente do BB: a Radiação Cósmica de Fundo (RCF).
Vemos a RCF em qualquer direção que olhamos.
A radiação vai se resfriando enquanto viaja até nós.
A “superfície do último espalhamento” está muito longe, no redshift z~1000
O mapa da radiação cósmica de fundo
A RCF fo descoberta nos anos 60 por Penzias e Wilson. Seu espectro é o de um corpo negro com temperatura T = 2.73 K.
A radiação cósmica de fundo
Durante a era radiativa as estruturas não podiam se formar. Só depois que o universo se resfriou a ponto da matéria começar a dominar foi que as galáxias e outras estruturas puderam começar a se formar.
Formação de galáxias
As flutuações na RCF são as sementes das estuturas
• Flutuações de temperatura: 1 parte em 105!• Crescem pela ação da gravidade
Formação de galáxias
Condições iniciais
H
IR
poeira
poeira
UV
UV
IV
IV
Gás
Gás
SN
e-
e-
e-e-
Radio
poeiraUV
primeiras estrelas?
• z ~ 20...
The Trifid Nebula
• ~hoje: ~13 bilhões de anos depois do BB, em grandes escalas o universo visível é povoado por galáxias
mas... do que é feito o universo?
WMAP + outras observações recentes:
• k=0 (Ώ=1.02±0.02)
• (27±4)% de “matéria escura”
• (73±4)% de “energia escura”
• cosmologia de precisão
mas… do que é feito o universo?
• anos 30: Zwicky encontra as primeiras evidências de matéria escura
hoje: a maior parte da matéria no universo está numa componente que não emite nem absorve luz
• final dos anos 90: a observação de supernovas distantes indica que a expansão do universo está se acelerando, e não desacelerando, como se esperaria
evidência da ação da “energia escura”
mas... do que é feito o universo?
• Aglomerado de galáxias
• Efeito de lente gravitacional
determinação de massas por lentes
• Zwicky (~1930): há muito mais massa em aglomerados do que a que podemos associar a estrelas!
a maior parte da massa no universo é escura...
...e não bariônica!!!!!
não bariônica?
• bárions: protons, neutrons..• para explicar a abundância dos elementos
leves (nucleosíntese primordial), a fração da quantidade de matéria em bárions deve ser de ~5%
• mas o total de matéria é da ordem de 30% da densidade crítica
• o que constitui a matéria escura????????
energia escura
• supernovas: “velas padrão”• bons indicadores de distância• observação de SNs distantes:
parecem estar mais distantes do que se esperaria pelo seu redshift
→o universo parece estar sendo acelerado por uma energia escura!!!!!!!!
• O que constitui a energia escura????????????
o lado escuro da cosmologia atual
• O que constitui a matéria escura?
• O que constitui a energia escura?
• ?????????????????