CURSO  DE  ASTRONOMIA    

COSMOLOGIA  (PARTE  I)  

Amanda Yoko Minowa 02/08/2014

amandayoko@gmail.com  

O  UNIVERSO  E  A  HISTÓRIA  DO  COSMOS  

COSMOLOGIA   (do   grego   κοσμολογία,   κόσμος="cosmos"/"ordem"/"mundo"  

+-­‐λογία="discurso"/"estudo")   é  o   ramo  da  astronomia  que  estuda  a  origem,  

estrutura  e  evolução  do  Universo  a  partir  da  aplicação  de  métodos  científicos.  

 

COSMOLOGIA  ≠  ASTROFÍSICA  

A   astrofísica   é   um   ramo   da   Astronomia   que   estuda   a   estrutura   e   as  

propriedades   dos   objetos   celestes   e   o  Universo   como   um   todo   através   da  

física  teórica.  

       

O  BIG  BANG  

O  Big  Bang,   teoria  mais   aceita  por   astrônomos  e   astrofísicos,   relata  que  o  Universo  emergiu  de  um  estado  extremamente  quente  e  denso  há  cerca  de  13,7  bilhões  de  anos.  

O   termo   “Big   Bang”   na   verdade   é   uma   ironia,   pois   o  Universo   teria  emergido   de   uma   singularidade   inicial   (estado   de   densidade   e  temperatura   infinita)  e,  como  não  havia  um  meio  para  a  propagação  de  ondas  sonoras,  não  teria  ocorrido  a  “explosão”.    

O  BIG  BANG  

Fred    Hoyle,  astrônomo  britânico,  foi  o  criador  deste  termo  pejorativo.  Ele  defendia  um  modelo  cosmológico  altenativo  chamado  “Teoria  do  Estado  Estacionário”.  

A  LEI  DE  HUBBLE  Em   1929,   o   astrônomo   Edwin   Hubble   publicou   uma   série   de  observações  feitas  através  de  um  telescópio,  onde  mostrou  que  a  luz  de   várias   galáxias   são   desviadas   para   o   vermelho   no   espectro  eletromagnético   (Redshift).  Assim,   sua  maior   descoberta   foi   que   as  galáxias   distantes   se   afastavam   de   nós     e   que   todas   as   galáxias,  simultaneamente,  se  afastavam  uma  das  outras.    Como  resultado,  temos  a  relação  linear:    

v  =  H0d,   onde  v   é   a   velocidade   com   que   as   galáxias   se   afastam   de   nós;  d   é   a  distância  das  galáxias  até  nós  e  H0    é  a  constante  de  Hubble. A  Lei  de  Hubble  marca  o  início  da  cosmologia  moderna  observacional.      

A  LEI  DE  HUBBLE  

Gráfico  com  as  medidas  observadas  por  Hubble.  

A  LEI  DE  HUBBLE  

Gráfico  da  Lei  de  Hubble,  mostra  a  relação  entre  distância  e  velocidade  para  diversos   aglomerados   de   galáxias.  O   quadrado   no   canto   inferior   esquerdo  representa   a   região   em   que   se   encontravam   as   galáxias   observadas   por  Hubble  na  década  de  20.  

A  LEI  DE  HUBBLE  

Extrapolando   a   Lei   de   Hubble   para   o   passado,   vemos   que   as  

distâncias  devem  ter  sido  zero  em  algum  momento  no  passado.  

Naquele   momento,   o   Universo   era   concentrado   em   um   ponto  

(singularidade),  que  pode  ser  considerado  o  começo  do  Universo  

(Big-­‐Bang).  

 

Supondo  que  o  Universo   está   expandindo   à   taxa   atual   desde  o  

seu  começo,  conseguimos  estimar  a  sua  idade:      tH  =  d/  v  =  1/  H0  =    Tempo  de  Hubble  =  13,8  bilhões  de  anos.  

A  LEI  DE  HUBBLE  OBS:    

Na   verdade,   a   taxa   de   expansão  não  é  constante,  ou  seja,  ela  varia  com   o   tempo.   Logo,   o   correto   é  chamarmos   de   parâmetro   de  Hubble   H(t),   onde   H0   é   o   valor  atual  do  parâmetro  do  Hubble.  

Cálculos  recentes  que  levam  em  conta  a  variação  da  taxa  de  expansão,  chegam   que   o   Universo   possui   13,7   bilhões   de   anos,   quase   o   valor  estimado  usando  uma  taxa  constante.  

PRINCÍPIO  COSMOLÓGICO  

Estamos  no  centro  do  Universo?    Em  grandes  escalas  o    Universo  é:  

•  Isotrópico:  todas  as  direções  são  equivalentes,  ou  seja,  não  há  uma  posição/direção  privilegiada.  

•  Homogêneo:  possui  as  mesmas  propriedades  físicas  ponto  a  ponto.  

       

PRINCÍPIO  COSMOLÓGICO  

UNIVERSO  EM  EXPANSÃO  

O  BIG-­‐BANG  

PARTÍCULAS  ELEMENTARES  

PARTÍCULAS  ELEMENTARES  � Na  natureza  existem 12 tipos  de  partículas  elementares  que  constituem  a  matéria.      � Elas   são   divididas   em   dois   grupos   chamados   de   Quarks   e  Leptons.      � Toda   partícula   elementar   possui   uma   anti-­‐partícula,   que  possui  as  mesmas  propriedades   físicas  da  partícula,  porém  com  carga  oposta.    

PARTÍCULAS  ELEMENTARES  

OBS:  Quase  todas  as  partículas  elementares  são  instáveis;  Este  fato  dificulta  a  detecção  delas  è  (Acelerador  de  partículas).  

PARTÍCULAS  ELEMENTARES  

Prótons  e  Nêutrons  são  constituídos  por  QUARKS.  

PARTÍCULAS  ELEMENTARES  

Quarks  e  Leptons  são  diferenciados  pela  maneira  em  que  cada  um  interage  com  as  quatro  forças  fundamentais.  

FORÇAS  FUNDAMENTAIS  

Na  Natureza,  existem  quatro  forças  fundamentais  que  agem  através  de  PARTÍCULAS  MEDIADORAS.    �        Força  Gravitacional  (gráviton);  �        Força  Eletromagnética  (fóton);  �  Força  Nuclear  Forte  (glúon);  �  Força  Nuclear  Fraca  (bósons);  

 -­‐  Quarks  sentem  a  força  forte,  Leptons  não;  -­‐  Ambos  (Quarks  e  Leptons)  sentem  as  outras  três  forças;  

OBS:  talvez  a  força  gravitacional  não  seja  uma  força  e  o  gráviton  não  exista.  

FORÇAS  FUNDAMENTAIS  

O  BIG-­‐BANG  0:  O   começo   do   tempo   ocorre   com   o   Big   Bang   .   O   Universo  

emerge   de   uma   singularidade   inicial   de   um   estado  

extremamente   quente   e   denso.   Desde   então   o   Universo  

expande  e  diminui  sua  temperatura;  

 

 

Até  ~5.10ˆ(-44) sec  (T  ≥  10^33 K):  Era   de   Planck   (ou   Era   da   Gravitação   Quântica):   densidade   e  

temperatura   altas   demais   para   serem   tratadas   pela   física   que  

conhecemos   hoje   em   dia.   Unificação   das   quatro   forças  

fundamentais;  

O  BIG  BANG  10ˆ(-43) s – 10ˆ(-36) s (T ≥ 10ˆ28 K):  Época  da  GUT  (Grand  Unified  Theory,  “Grande  Teoria  Unificada”):  As  forças  eletromagnética,  nuclear  forte  e  fraca  eram  unificadas  em  uma.  O  Universo  consistia  de  uma  “sopa”  primordial  de  quarks  (os  constituentes  dos  prótons  e  dos  nêutrons.  Matéria  e  anti-­‐matéria  se  formavam  e  se  aniquilavam  constantemente.    10ˆ(-36) s - 10ˆ(-34) s (T ~ 10ˆ28 K): Era   da   Inflação:   aumento   exponencial   do   tamanho   do   Universo   por   um  fator  ≥ 10^43 em menos 10ˆ34 s. A   “sopa”   primordial   prevalecia,  mas   parte   das   partículas   virtuais   (aquelas  que  estavam  se  formando  e  aniquilando)  se  tornaram  reais.  

O  BIG-­‐BANG  

O  BIG  BANG  10ˆ(-34) s – 10ˆ(-11) s, 10ˆ28 K ≥ T ≥ 10ˆ15 K: Época  eletrofraca:  As  forças  eletromagnética  e  fraca  ainda  eram  unificadas  em  uma,  porém  bem  distintas  da  força  forte  .  A  “sopa”  primordial  continuou.  Esta  época  também  é  chamada  de  “grande  deserto”,  por  que  não  houve  a  formação  de  partículas  novas.    10ˆ(-11) s – 1 ms, 10ˆ15 K ≥ T ≥ 10ˆ12 K: Época  das  partículas:  As  forças  eletromagnética  e  fraca  se  “desacoplaram”,  e  se  tornaram  duas  forças  distintas.  A   “sopa”  primordial   se   transformou  em    prótons  e  nêutrons   (sobrando  de  um   pequeno   desequilíbrio   entre   matéria   e   anti-­‐matéria).   Estes,   são   os  mesmos  prótons  e  nêutrons  que  constituem  a  matéria  hoje.  

O  BIG  BANG  1 ms – ~5 min, 10ˆ12 K ≥ T ≥ 10ˆ9 K: Época   da   nucleossíntese:   Fusão   nuclear   dos   prótons   e   nêutrons,  formam  núcleos  de  hélio  e  uma  pequena  quantidade  de  deutério,  lítio  e  berílio.    =>      Composição  química  primordial  do  Universo:  H  (~76 %),  He  (23 a 24 %),  D  (0.01 %),  Li  (< 0.01 %).  ~98 % dos  átomos  de  hoje.      4 min – ~379.000 anos: 10ˆ9 K ≥ T ≥ 3000 K: Época   dos   núcleos:   Núcleos   e   elétrons   interagindo   constantemente  com  fótons  (“partículas  de  luz”).  

O  BIG  BANG    ~379.000 anos, T ~3000 K: Final  da  época  dos  núcleos;  “Recombinação”  (é  um  termo  ruim):  núcleos  e  elétrons  formando  átomos  elétricamente  neutros:    =>  Não  interagiam  mais  com  os  fótons;  ⇒ Desde  então,  a  luz  pode  viajar  livremente  pelo  espaço  e  o  Universo  se  torna  

"transparente”.    A  luz  emitida  pouco  antes,  na  “superfície  de  última  difusão”  ainda  está  permeando  o  Universo  e  pode  ser  observada  como  Radiação  cósmica  de  fundo.    

O  BIG  BANG    

500.000.000 anos, T ~100 K Formação das primeiras estrelas. 1 bilhão anos, T~20K Era das galáxias: formação de protoaglomerados de galáxias e de galáxias. 10 bilhões anos, T~3K Era presente. Formação do Sistema Solar e o desenvolvimento da vida. As estruturas se formam “de baixo para cima”.

O  BIG  BANG    •  Universo  continua  se  expandindo  e  se  resfriando!  As  distâncias  

entre  as  galáxias  e  entre  os  aglomerados  de  galáxias  aumentam  com  o  tempo.  

•  O  Universo  irá  se  expandir  para  sempre?    •  Qual  o  futuro  do  Universo?  

GEOMETRIA  DO  ESPAÇO  

O   Big   Bang,   como   vimos,   não   criou   somente   a   matéria   e   a  radiação,  mas  o  próprio  espaço  e  o  tempo.    A   Relatividade   Geral   afirma   que   o   Espaço-­‐Tempo   é   curvo   na  presença   de   massa/energia.   Assim,   qual   seria   a   formato   do  Universo?   Como   a   massa/energia   poderia   deformá-­‐lo?   Porque  isto  é  importante  para  determinar  o  seu  futuro?  

GEOMETRIA  DO  ESPAÇO  

De  acordo  com  o  modelo  cosmológico  do  Big  Bang,  a  DENSIDADE  DE  ENERGIA  do  Universo  determinará  o  seu  futuro.      O  matemático  e  cosmógolo  russo  Alexander  Friedmann,  descobriu  um  conjunto  de  soluções  das  equações  da  Relatividade  Geral.  Essas  soluções  incluem  expansão  infinita  ou  recolapso  do  Universo.      

GEOMETRIA  DO  ESPAÇO  A  geometria  do  Universo  depende  da  densidade  de  energia.  Ela  pode  ser:    � Plana  (Euclidiana).  � Hiperbólica  (Aberta). �     Fechada  (Esférico).    

GEOMETRIA  DO  ESPAÇO  

GEOMETRIA  DO  ESPAÇO  

ATENÇÃO:  O   espaço   não   é   uma   superfície   (espaço  2D)   dentro   do  espaço 3D,   é  um  espaço  3D   contido  em  um  espaço  4D,   onde  não  temos  acesso  à  quarta  dimensão  (neste  caso  a  quarta  dimensão  não  é  o  tempo),  mas  que  é  análogo  ao  espaço  2D contido  no  espaço  3D.  

GEOMETRIA  DO  ESPAÇO  

�          Se  a  densidade  crítica  (Ω)  é  definida  como  a  densidade  de  energia   necessária   para   parar   a   expansão   do   Universo,  devido  à  força  gravitacional.    � Se   a   densidade   de   matéria   for   maior   que   a   densidade  crítica  (Ω > 1),  o  Universo  é  espacialmente  fechado.  Se  uma  nave  viajasse  em  linha  reta,  voltaria  ao  mesmo  ponto  depois  de   um   tempo.   O   Universo   se   expandiria   em   um   limite  máximo   e   depois   iria   se   contrair   chegando   a   condições  similares  ao  do  Big  Bang  (Big  Crunch).    

GEOMETRIA  DO  ESPAÇO  

� Se  a  densidade  de  matéria  for  igual  à  densidade  crítica  (Ω = 1),   o  Universo   é   plano,   ou   seja,   ele   se   expandiria   para   sempre  

mas  a  velocidade  das  galáxias  seria  cada  vez  menor,  chegando  a  

zero  no  infinito.  

 

�Se  a  densidade  de  matéria  for  menor  que  a  densidade  crítica  (Ω < 1),   o   Universo   é   espacialmente   aberto   e   continuará   se  

expandindo  para  sempre.    

O  UNIVERSO  IRÁ  SE  EXPANDIR  PARA  SEMPRE?  Medidas  recentes  indicam  que:    -­‐      A  matéria  no  Universo  não  chega  nem  perto  da  densidade  necessária  para  parar  e  reverter  a  expansão.  -­‐   A   matéria   “comum”   (átomos),   também   chamada   de   bariônica,  equivale  a  apenas  4 % da  densidade  crítica.  -­‐      Além  dela,  parece  existir  uma  matéria  invisível,  de  outra  natureza  (por  exemplo,  partículas  elementares  ainda  não  detectadas),  em  quantidade  bem  maior  do  que  a  bariônica,  a  matéria  escura  não-­‐bariônica.  -­‐  Juntas,  a  matéria  bariônica  e  a  matéria  escura  não-­‐bariônica  equivalem  a  aproximadamente  30 %  da  densidade  crítica.    =>  O  Universo  continuará  expandindo!!!  

O  UNIVERSO  IRÁ  SE  EXPANDIR  PARA  SEMPRE?  

Porém,   estudos   recentes   indicam   que   o   Universo   está   se  expandindo  aceleradamente  e  que  possui  uma  geometria  plana,  ou  seja,  Ω = 1.    Como  explicar  os  70% de  densidade  de  energia  que  faltam?    ENERGIA  ESCURA!!!    Ou   seja, 96% do   Universo   é   constituído   por   matéria  desconhecida!  

PRÓXIMA  AULA  

�  EVIDÊNCIAS  DO  BIG-­‐BANG;  

�  RADIAÇÃO  CÓSMICA  DE  FUNDO;    � MATÉRIA  ESCURA;    � ENERGIA  ESCURA;  

OBRIGADA!