* Escola de Inverno de Campos, Cordas e Cosmologia, IF-UFRJ, Rio de Janeiro, RJ (09-13/07/2007)** http://www.if.ufrj.br/~orca/

A radiao csmica de fundoou

o palimpsesto csmico*Maurcio O. Calvo**

IF - UFRJ

Um palimpsesto um manuscrito no qual um texto prvio foi apagado e o velino ou pergaminho reutilizado para outro manuscrito. Era prtica comum, particularmente em crculos eclesisticos medievais, apagar uma pea de escrita anterior por intermdio de lavagem ou raspagem do manuscrito, a fimde prepar-lo para um novo texto.

O motivo para fazer palimpsestos parece ter sido amplamente de cartereconmico a reutilizao do pergaminho era mais barata do que a preparao de uma nova pele. Um outro motivo parece ter sido ocasionadopelo desejo de representantes da Igreja de converter o escrito grego pagosobrepondo-lhe a palavra de Deus.

Os historiadores modernos, geralmente interessados nos escritos mais antigos, empregam tcnicas digitais ou de infra-vermelho de reforo para recuperar o texto apagado, freqentemente com resultados notveis.

palimpsesto (do grego: palin = de novo + psen = raspar)

[http://www.iath.virginia.edu/elab/hfl0243.html]

1. HISTRIA DO UNIVERSO2. A DESCOBERTA DA RCF3. RADIAO 4. O CARTER TRMICO DA RCF5. AS ANISOTROPIAS DA RCF6. EQUAES DE EINSTEIN-BOLTZMANN

PERTURBADAS7. OSCILAES ACSTICAS8. A POLARIZAO DA RCF9. O FUTURO

PLANO DE APRESENTAO

1. HISTRIA DO UNIVERSO

Exerccio!

Exerccio!

Exerccio!

Exerccio!

2. A DESCOBERTA DA RCF

2.1. COSMOLOGIA NO INCIO DA DCADA DE 1960

Modelo (teoria) do estado estacionrio

H. Bondi (1919-2005) T. Gold (1920-2004) F. Hoyle (1915-2001)

Modelo (teoria) do Big Bang

A. Einstein (1879-1955) W. de Sitter (1872-1934) A. A. Friedmann (1888-1925) G. E. Lematre (1894-1966)

R. C. Tolman (1881-1948) G. Gamow (1904-1968) R. A. Alpher (1921-) R. Herman (1922-1997)

Big bangEstado estacionrio

cosmonucleossnteseprimordial de elementosleves: Gamow (1946)

fase inicial quente (RCF):Alpher e Herman (1948)

evoluo

princpio cosmolgico perfeito;estacionariedade (Bondi; Gold e Hoyle)

criao de matria

2.2. OPORTUNIDADES PERDIDAS

excitao de molculas interestelares de CN:W. S. Adams (1941)A. R. W. McKellar (1941)G. Herzberg (1950)

pesquisa em radar de curto comprimento de onda:R. H. Dicke (1946)

trabalho anterior nos Laboratrios Bell:E. A. Ohm (1961); interpretao errnea por A. G. Doroshkevich, I. D. Novikov & Ya. B. Zeldovich

descoberta: A. A. Penzias e R. W. Wilson, em 1964, dos Laboratrios Bell

Prmio Nobel de Fsica de 1978, compartilhado com P. Kapitsa

2.3. A DESCOBERTA EM SI

A. A. Penzias (1933-) R. W. Wilson (1936-)

W P

interpretao:R. H. Dicke, P. J. E. Peebles, P. G. Roll e D. T. Wilkinson, em 1964, da Universidade de Princeton

R. H. Dicke (1916-1997) P.J.E.Peebles (1935-)

D. T. Wilkinson (1935-2002)P. G. Roll (?-?)

Exerccio!

3. RADIAO

3.1. FUNO DE DISTRIBUIO

nmero de ocupao

Exerccio!

Exerccio!

3.2. DISTRIBUIO DE PLANCK

Exerccio!

PW

Exerccio!

lei do deslocamento de Wien:

lei de Stefan-Boltzmann:

regime clssico de Rayleigh-Jeans (catstrofe do ultravioleta): baixas freqncias

regime de Wien: altas freqncias

Exerccio!

Exerccio!

Exerccio!

Exerccio!

4. O CARTER TRMICO DA RCF

4.1. TERMALIZAO

Processos de termalizao exigem a no conservao do nmerode ftons: espalhamento Compton duplo e Bremsstrahlung

Os processos principais de interao da radiao com a matrianas primeiras centenas de milhares de anos so:

espalhamento Compton:

espalhamento Compton duplo(ou radiativo):

espalhamento de Coulomb (ou livre-livre ou Bremsstrahlung):

[G. Smoot (1997)]

4.2. PROPRIEDADES FUNDAMENTAIS

O satlite COBE (Cosmic Microwave Background Explorer):

Custo: US$ 600 M Massa: 2265 kgTamanho: 5,49 m de comprimento

2,44 m de dimetroLanamento: 18 de novembro de 1989 Atividade: ~ 4 anos

Instrumentos: FIRAS (Far Infrared Absolute Spectrometer): DMRs (Differential Microwave Radiometers): DIRBE (Diffuse Infrared Background Experiment): procura daradiao csmica de fundo em infravermelho; 10 bandasfotomtricas, de 1,25 at 240

J. C. Mather (1946-)

Prmio Nobel de Fsica de 2006, compartilhado com G. F. Smoot III

FIRAS (Far Infrared Absolute Spectrometer):comparao do espectro da RCF com um corpo negro preciso; observao de emissoem poeira e linha [interfermetro polarizantede Michelson]

[Smoot (1999)]

9 minutos de observao!

[apud E. L. Wright (1998)]

medies de UBC

medies de FIRAS

medies de LBNL/Itlia

Todas as outras medies

Penzias e Wilson

[G. F. Smoot (1999)]

dados do FIRAS com barras de erro de 10dados de balo e solodados de CN e ARCADEcorpo negro de 2,725 K

[E. L. Wright (2005)]

Penzias e Wilson

5. AS ANISOTROPIAS DA RCF

cone de luzdo passado

(agora,aqui)

tima camada de espalhamento

[F. R. Bouchet & R. Gispert]

5.1. CLASSIFICAO CRONOLGICA

[M. Tegmark (1995)]

1. Ftons espalhados pela ltima vez a partir de um poo de potencialexperimentam um desvio para o vermelho gravitacional , conformesobem para fora do poo:

5.2. EQUAO BSICA CARICATURAL DAS ANISOTROPIAS

2. Ftons espalhados pela ltima vez por matria cuja velocidade peculiar aponta para longe de ns sofrem um desvio para o vermelhocinemtico :

3. Ftons que emergem de uma regio sobredensa, portanto intrinsecamentemais quentes , tm uma temperatura observada maior :

[W. Hu (1997)]

4. No regime linear, durante a dominao da matria, supondoque a curvatura espacial possa ser desprezada, o sobrepotencial estacionrio e o chamado efeito Sachs-Wolfe integrado se anula. Caso contrrio, se o poo de potencial se aprofunda com o tempo , obviamentehaver um deslocamento efetivo para o para o vermelho

:

aproximao linear

5.3. ESPECTRO DE POTNCIA

Exerccio!

ANALOGIA: SRIE DE FOURIER (EM UM CRCULO)

MAPAS ESPECTROS DE POTNCIA

[C. Lineweaver (1997)]

Plateau de Sachs-Wolfe (super-Hubble)

Picos acsticos Cauda de atenuao

5.4. OBSERVAES

6 DMRs (Differential Microwave Radiometers):mapeamento, a resoluo angular de (FWHM), da radiao csmica de fundo emmicroondas, nas freqncias de 31.5, 53 e 90 GHz [cornetas separadas de ]

G. F. Smoot III (1945-)

Prmio Nobel de Fsica de 2006, compartilhado com J. C. Mather

O satlite COBE (Cosmic Microwave Background Explorer) [cont.]:

Exerccio!

[E. L. Wright]

O satlite WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe):

Custo: US$ 150 M Massa: 840 kgLanamento: 30 de junho de 2001Atividade:Faixas de observao: 22 (13,6), 30 (10,0), 40 (7,5), 60 (5,0), 90 GHz (3,0 mm)Resoluo (FWHM):

[E. L. Wright]

[WMAP: C. L. Bennett et alii (2003)]

[CBI: A. C. S. Redhead et alii (2004)]

6. EQUAES DE EINSTEIN-BOLTZMANN PERTURBADAS

espao (de fundo) chato:

perturbaes escalares no calibre conforme newtoniano:

6.1. CONTEXTO

6.2. EQUAO DE BOLTZMANN

ftons:

6.3. CONTEDO MATERIAL

equaes dos multipolos:

Exerccio!

neutrinos:

brions (eltrons, prtons, ncleos):

matria escura fria (CDM):(CDM):

constante cosmolgica

6.4. CAMPO GRAVITACIONAL

7. OSCILAES ACSTICAS

7.1. EQUAES BSICAS

hipteses adicionais:

7.2. SOLUO PARA E

Exerccio!

7.3. ANLISE FSICA (W. HU)

A compresso do fluido, atravs da queda gravitacional, sofre a oposio da presso dos ftons, estabelecendo oscilaes acsticas. Sem brions, o desvio para o azul dos ftons durante a queda igual e oposto ao desvio para o vermelho na sada do poo, levando a oscilaessimtricas em torno do zero, com um efeito Doppler (cinemtico) de igual magnitude masdefasado de 90 graus.

Os brions aumentam a massa do fluido, causando um deslocamento do ponto zero dasoscilaes. Alm disso, a velocidade do som diminui. Isto tem dois efeitos: os brions fazem com que as oscilaes procedam mais lentamente e tambm reduzem a contribuio Doppler (cinemtica) para , em relao s contribuies intrnseca e de Sachs-Wolfe.

9. O FUTURO

O satlite Planck:

Massa: 1500 kgTamanho: 4,5 m de comprimento

e 4,0 m de larguraLanamento: 31 de julho de 2008Durao nominal: 15 mesesTelescpio: 1,5 m

A radiao csmica de fundo ouo palimpsesto csmico*1. HISTRIA DO UNIVERSO2. A DESCOBERTA DA RCF3. RADIAO 4. O CARTER TRMICO DA RCF5. AS ANISOTROPIAS DA RCF6. EQUAES DE EINSTEIN-BOLTZMANN PERTURBADAS 7. OSCILAES ACSTICAS9. O FUTURO