Cosmologia

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Cosmologia Laerte Sodré Jr. IAG/USP 14/09/2004
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• algumas observações relevantes
• a noite é escura!
• o universo é homogêneo e isotrópico
• ...

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homogeneidade e isotropia
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O paradoxo de Olbers
O universo pode ser infinito. Mas, então, porque
a noite é escura?
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• 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
• ...

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A expansão do Universo
Galáxias em todas as direções estão se afastando
de nós com velocidades que aumentam com a
distância
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A expansão do universo
O espaço se expande, e todos os observadores
observam o mesmo fenômeno.
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A expansão do universo
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.
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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.
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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

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modelos cosmológicos

• as observações podem ajudar a determinar a
  forma do universo e como ele vai evoluir...

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Geometriasa soma dos ângulos de um triângulo
depende da curvatura
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• 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 (k1)
• universo plano densidade igual à densidade
  crítica (k0)

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Será que o universo é assim mesmo?
Proponho modelos de universo
Testes observacionais dos modelos
Vamos dar uma olhada?
complicado,mas sem desanimar
Probleminha? Galáxias evoluem!
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história do universo no modelo do Big-Bang
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O Big Bang

• t0 o BB singularidade inicial
• t10-43 s tempo de Planck
• caos quântico
• e antes do Big-Bang?
• ? o espaço e o tempo nascem juntos com o nosso
  universo

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(No Transcript)
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universos paralelos - multiversos???
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mas após o BB...

• Criação da matéria a partir da radiação

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(No Transcript)
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• 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

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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.

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nucleosíntese primordial
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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

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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 z1000
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O mapa da radiação cósmica de fundo
27
A 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.
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Formação de galáxias
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.
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As flutuações na RCF são as sementes das estuturas

• Flutuações de temperatura 1 parte em 105!
• Crescem pela ação da gravidade

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Formação de galáxias
Condições iniciais
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IR ?
UV ?
IV ?
UV ?
IV ?
UV ?
H? ?
e-
e-
e-
Radio ?
e-
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primeiras estrelas?

• z 20...

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• hoje 13 bilhões de anos depois do BB, em
  grandes escalas o universo visível é povoado por
  galáxias

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mas... do que é feito o universo?

• WMAP outras observações recentes
• k0 (?1.020.02)
• (274) de matéria escura
• (734) de energia escura
• cosmologia de precisão

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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

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mas... do que é feito o universo?

• Aglomerado de galáxias
• Efeito de lente gravitacional

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determinação de massas por lentes
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• 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!!!!!

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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????????

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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????????????

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o lado escuro da cosmologia atual

• O que constitui a matéria escura?
• O que constitui a energia escura?
• ?????????????????