Aula N

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Aula Nº. 4 OS PILARES DA COSMOLOGIA

• Expansão do Universo
• Nucleossíntese Primordial
• Radiação de Fundo Cósmica

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Kolb
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RADIAÇÃO DE FUNDO CÓSMICA
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A expansão do Universo e a lei de Hubble.

• 1901, Vesto M. Slipher é contratado para
  trabalhar no Observatório Lowell.
• durante mais de 10 anos ele analisou o espectro
  da luz vinda de estrelas e nebulosas.

Percival Lowell
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O espectro da luz
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Espectro contínuo
Tela
Prisma
fenda
Lâmpada
Espectro contínuo linhas de
absorção
Fótons reemitidos
Tela
Prisma
fenda
Gás frio
Lâmpada
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Espectro contínuo
Tela
Prisma
Lâmpada
vermelho
verde
violeta
linhas de emissão
Tela
Prisma
Hidrogênio aquecido
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Hidrogênio
Sódio
Hélio
Neonio
Mercúrio
Espectro de emissão de alguns elementos conhecidos
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A expansão do Universo e a lei de Hubble.

• Em 1912 Slipher percebeu que as linhas espectrais
  de Andrômeda estavam no lugar errado, elas
  estavam deslocadas para o azul (região de menor
  comprimento de onda).

Como interpretar o resultado de Slipher?
V. M. Slipher
10
Portanto a interpretação do resultado de Slipher
é que Andrômeda está se aproximando de nós.
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(No Transcript)
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Hidrogênio ?
Intensidade relativa
Comprimento de onda (Angström)
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A expansão do Universo e a lei de Hubble.

• A velocidade de Andrômeda estimada por Slipher
  foi de, aproximadamente, 300km/seg.
• Em 1915 ele já tinha 40 medidas de espectro de
  nebulosas com 15 velocidades estimadas, número
  que sobe para 25 em 1917.
• Contrariamente ao que fora observado em Andrômeda
  a grande maioria apresentava velocidades
  positivas. Por exemplo, das 41 nebulosas com
  desvio Doppler medido em 1923, apenas 5
  (incluindo Andrômeda) aproximavam-se de nós.

V. M. Slipher
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Teoria
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O Modelo de Einstein e a Constante Cosmológica

• 1917 - primeiro modelo cosmológico relativista -
  modelo de Einstein.
• características principais homogêneo,
  isotrópico, curvatura positiva e estático.
• constante cosmológica (?)
• ????????????????????The most important fact that
  we draw from experience is that the relative
  velocities of the stars are very small as
  compared with the velocity of light.
• 
  
• A. Einstein
• 
  

Albert Einstein
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O Modelo de Einstein e a Constante Cosmológica

• Einstein considerava que seu modelo possuía as
  seguintes virtudes
• Era possível construir um modelo consistente
  para o universo usando a relatividade geral.
• Relacionava ? com densidade média da matéria
  Estava em acordo com o princípio de Mach que
  relaciona a inércia (propriedade local) com a
  distribuição de matéria no cosmos.
• Einstein acreditava ser esse o único modelo
  admitido pela relatividade geral que era estático
  e que estava em acordo com o princípio de Mach.

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Efeito de Sitter

• Em 1917 de Sitter (holandês) obtem novas soluções
  da Relatividade Geral com constante cosmológica,
  estacionárias, mas vazias !
• Efeito de Sitter a velocidade de afastamento de
  objetos aleatoriamente espalhados em um Universo
  de de Sitter aumenta com a distância.

Willem de Sitter
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Modelo de Friedmann-Lemaître

• 1922 - Aleksander Aleksandrovich Friedmann
  (russo) obtem soluções expansionistas, sem ? e
  com matéria das equações de Einstein.
• O modelo de Friedmann é chamado hoje o modelo
  padrão da cosmologia.
• Características principais homogeneidade,
  isotropia (em relação a qualquer ponto) e
  expansão.

A. A. Friedmann
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Curvatura espacial positiva
Curvatura espacial nula
Curvatura espacial negativa
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A lei de Hubble.

• Em 1929 e nos anos subsequentes Hubble
  sistematicamente estende suas medidas de
  distância, e usando desvios para o vermelho
  medidos por Humason, coloca sobre uma base firme
  a validade da relação que viria a se chamar
• Lei de Hubble

Milton Humason e Hubble
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A lei de Hubble.
Hubble (1929)
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Kolb
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A lei de Hubble
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Onde está o centro do Big-Bang?
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A lei de Hubble
Não há centro do Universo
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Para onde estão as galáxias se expandindo?
27
(No Transcript)
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O que quer dizer distância para as distâncias
das galáxias?

• As diversas definições de distância não coincidem
  em relatividade geral
• Desse modo é preferível usar o redshift
• Por exemplo, distância usada na lei de Hubble é a
  distância - luminosidade

Energia / unidade de tempo DL ? x (1 z), x é
a distância co-movente do objeto
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Mais Distante Maior Redshift
zz3
z0
zz2
zz1
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A Máquina do Tempo

• Em uma observação astronômica, sempre estamos
  olhando o passado
• Quando observamos Andrômeda (M31), vemos algo que
  ocorreu 2 milhões de anos atrás
• Porém, compare isso com a Idade do Universo
• ? 13 bilhões de anos.
• No caso de quasares (objetos bem distantes),
  estamos olhando para um passado com mais de 2
  bilhões de anos
• ? Cosmologia e evolução de galáxias

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Cosmology Double Helix Space and Time
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Descoberta da Radiação de Fundo Cósmica(1965)
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Erro das medidas
Curva de corpo negro da radiação cósmica, 2,725 K
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RADIAÇÃO DE FUNDO CÓSMICA
3 º Kelvin Mapa do satélite COBE Flutuações de
centésimos de milésimos de grau 0,000001 ºK
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São Paulo, quarta-feira, 04 de outubro de 2006
Medida do eco do Big Bang dá Nobel a dupla dos
EUA
Larry Downing/Reuters

John Mather, da Nasa, explica seu experimento a jornalistas
John Mather e George Smoot produziram a 1ª
imagem da infância do UniversoMedição pioneira
foi feita com o satélite Cobe, lançado em 1989, e
ajudou a explicar como o cosmo evoluiu e como a
matéria se distribui
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CLAUDIO ANGELOEDITOR DE CIÊNCIA
Dois cientistas norte-americanos ganharam ontem o
Prêmio Nobel de Física por algo aparentemente
trivial eles fizeram a foto de um bebê. Um feito
na verdade impressionante, quando o bebê em
questão é o Universo e a imagem, uma confirmação
da teoria do Big Bang -a explosão primordial que
deu origem a tudo.John C. Mather, pesquisador do
Centro Goddard de Vôo Espacial, da Nasa (agência
espacial dos EUA) e George Smoot, professor da
Universidade da Califórnia em Berkeley, dividirão
a bolada de 10 milhões de coroas suecas (R 2,9
milhões) concedido pela Real Academia de Ciências
da Suécia "por sua descoberta da forma de corpo
negro e da anisotropia da radiação cósmica de
fundo".Em bom português, o que eles fizeram foi
mapear um tipo de emissão em microondas
considerado o "eco" do Big Bang, a chamada
radiação cósmica de fundo. Mather determinou o
formato dessa radiação, que banha todo o
Universo. Smoot descobriu que ela se distribui de
maneira irregular pelo cosmo, com diferenças de
centésimos de milésimo de grau Celsius na
temperatura. Foi essa irregularidade (a tal
anisotropia) que determinou que a matéria no
Universo esteja concentrada em galáxias, planetas
e seres humanos, como você. Sem esses grumos
cósmicos, a matéria estaria espalhada de maneira
uniforme por aí - o que seria péssimo para os
interesses dos seres vivos.
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As observações da dupla foram feitas com o
auxílio do satélite Cobe, da Nasa, lançado em
1989, e seus resultados foram anunciados em
1990.Os dados mostram como era o Universo na
primeira infância, cerca de 380 mil anos após o
Big Bang. Se o cosmo fosse uma pessoa de
meia-idade, a imagem do Cobe mostraria o momento
em que ele tinha apenas dez horas de vida."A
descoberta inaugurou a era de ouro da
cosmologia", disse Michael Turner, astrônomo da
Universidade de Chicago."Com eles, a cosmologia
deixou de ser uma ciência puramente
especulativa", disse Ivone Albuquerque, física da
USP que trabalhou com Smoot.Na época do anúncio
dos resultados do Cobe, o físico pop-star
britânico Stephen Hawking foi mais longe "É a
maior descoberta do século, senão de todos os
tempos"
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Satélite COBE
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Satélite WMAP
40
Resultados do WMAP
41
Satélite Planck
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Órbita do Satélite Planck
43
WMAP Anisotropy MAP
1
2
3
1 ? curvatura do Universo 2 ? densidade
bariônica 3 ? densidade da
matéria escura
44
(No Transcript)
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A Receita do Universo
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O Universo é peso pesado?

• Equações da Relatividade Geral
• Suposições
• Universo homogêneo
• Universo isotrópico
• Densidade crítica ?c 3H02/8?G
• ?c 2.3x10-30 g/cm3 (1.4 átomos de H por
  m3)
• para H0 70 km/s/Mpc
• Parâmetro de densidade ? ?/?c
• ? lt 1 espaço hiperbólico
  (expansão)
• ? 1 espaço plano
  (estatico)
• ? gt 1 espaço esférico (Big
  Crunch)

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Do que é feito o Universo?Falta alguma coisa
Matéria Escura

• Matéria luminosa
• Estrelas
• Gás
• Evidências da matéria escura
• Curvas de rotação de galáxias
• Dispersão de velocidades em aglomerados de
  galáxias
• Lentes gravitacionais
• Halos quentes em raios-X

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Curvas de Rotação de Galáxias

• Galáxias espirais
• Lei de Kepler
• GM/r2v2/r
• Ao se englobar a massa visível, a velocidade
  decresceria
• Mas a curva de rotação é plana!
• ???alo Escuro
• Massa escura
• 10 massa luminosa

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Aglomerados de Galáxias

• Primeira Evidência (Zwicky 1933)
• Teorema do Virial
• 2KEPE0
• onde
• KE1/2MltV2gt
• PEGMlt1/Rgt
• Massa escura
• 60 massa luminosa

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Lentes Gravitacionais

• Aglomerados de galáxias e galáxias como lentes
• Um efeito da Relatividade Geral
• Medida mais direta da massa
• Telescópios cósmicos

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Pesando o Universo determinação de ?

• Determinações globais
• Expansão do universo
• Nucleo-síntese primordial
• Procedimentos
• Objetos individuais (espirais, aglomerados)
• Propriedades globais do Universo
• Radiação de fundo cósmica
• Componentes de ?
• ? tot ? b? dm?? ?mat ??
• Inflação ??? tot 1

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Pesando o Universo com a Nucleossíntese
Primordial

• Durante o Big Bang são produzidos uns poucos
  elementos leves D, 3He, 4He, 7Li
• A proporcão destes elementos permite que se
  determine a densidade de bárions no Universo
• O valor obtido é ? b0.05
• Se ? mat0.3, então o restante
• ? dm0.25 é matéria escura não-bariônica

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Qual a natureza da Matéria Escura?

• A contribuição bariônica é diminuta
• Matéria escura fracamente interagente
• Matéria escura quente (m lt 100 eV)
• Matéria escura fria (m gt 1 GeV)
• Matéria escura quente neutrinos
• não podem ser dominantes ??estruturas de
  grande escala
• Matéria escura fria WIMPs
• (weakling interacting massive particles)
• candidatos de SUSY (supersymmetric
  theories)

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Astronomia SubterrâneaDetecção Direta dos WIMPs

• IGEX (International GErmanium eXperiment)
• CMDS (Cryogenic Dark Matter Search)
• EDELWEISS (Expérience pour DEtecter Les Wimps En
  Site Souterrain)
• CRESST (Cryogenic Rare Event Search with
  Superconducting Thermometer)
• ROSEBUD (Rare Objects Search w. Bolometers
  UnDerground)
• DAMA (DArk MAtter)
• UKDMC (United Kingdon Dark Matter Collaboration)

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GRAN SASSO DAMA
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Bouldy Mine UKDMC
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Mont Fréjus EDELWEISS
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Do que é feito o Universo?Continua faltando
alguma coisaEnergia Escura

• Matéria
• Bariônica (Estrelas, Gás, Raios cósmicos)
• Radiação
• Escura (quente, fria)
• Sempre Atrativa ?mat
• Evidências da energia escura
• Expansão do Universo (Supernovas Ia)
• Lentes Gravitacionais
• Radiação de Fundo Cósmica
• Aglomerados de galáxias (Raios-X)
• Força repulsiva universal
• ?? Constante Cosmológica

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(No Transcript)
60
(No Transcript)
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Supernovae
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H 70,6 3,1 (Hubble microlensing, 2009)
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(No Transcript)
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Surprise,Surprise!1998
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• QUESTÕES SOBRE AS AULAS 3 E 4
• Em que corpos do Sistema Solar pode haver vida
  além da Terra?
• O que é a lei de Hubble e o que ela expressa em
  termos físicos
• O que é a radiação cósmica de fundo? Que tipo de
  informação ela carrega?
• O que está se expandindo em nosso universo?