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COSMOLOGIA
• Modelos físicos para a estrutura, origem e evolução do Universo
baseados na OBSERVAÇÃO
• Desenvolvimento principal no século XX
teoria da relatividade geral (TRG) cosmologia newtoniana
Histórico da Cosmologia do século XX
• No início: distribução achatada, esferoidal e estática de estrelas : universo de Kaptein
mas “nebulosas espirais” (= galáxias) foraou dentro da distribuição de estrelas?
1915
gravitação = interação física dominate em escalas cosmológicas
na TRG uma manifestação da geometria espaço-tempo
relação entre matéria, energia e geometria
TRG de Einstein fundamental para o desenv. da cosmologia
1917
1o modelo cosmológico relativístivo (Einsten)
universo com espaço estático de curvatura K>0 e cte.+ matéria uniformemente distribuída
introdução da constante cosmológica para o equilíbriodo universo em relação à força gravitacional
1922
Modelos homogêneos e isotrópicos dinâmicos (Friedmann e Lemaître)
universo em expansão a partir de uma singularidade inicial (Big-Bang)
1924
HUBBLE
descoberta das variáveis cefeidas indicadores de distância
“nebulosas espirais” são extragalácticas
determinação da distância de Andrômeda
Universo formado por galáxias
1933
Análise do aglomerado de Virgo por Zwicky
1) gravitacionalmente ligado
2) massa total > > m em estrelas
matéria escura
1934
Milne e McCrea
Correspondência entre a dinâmica newtoniana de uma esfera gasosa e a teoria de Einstein
a escala de expansão satisfaz ambas as teorias (para p=0)
1935 Princípio Cosmológico:
Em escalas suficientemente grandes:universo isotrópico e homogêneo
1946Gamow
No começo da formação do universo:matéria quente e densa o suficiente para ocorrer
reações termonucleares
densidade de matéria e energia dominada pela radição
1948
Bondi, Gold e Hoyle modelo do estado estacionário
universo homogêneo no tempo + criação contínua de matéria
Alpher, Bethe e Gamow radiação quente do ínicio do Universo esfriou devido à expansão com Thoje ~ 25 K
Radiação cósmica de fundo (1965): T calculada de 2.726 ± 0.01 K
1963
Maarteen Schmidt quasares
1981Guth modelo inflacionário
Baseado na teoria de grande unificação das partículas elementarestenta resolver os problemas do modelo cosm. padrão (Big-Bang)
Nos seus instantes iniciais o universo teria sofrido uma transição de fase que teria provocado uma
expansão exponencial (esta expansão = inflação!!)
O modelo cosmológico padrão
• universo começou a formar-se a ~ 10 a 20 Ganos atrás através do Big-Bang
BB = singularidade nas equações que descrevem o universo:
1) T e inicialmente arbitrariamente elevadas
3) Universo se expande com T e diminuindo com t
2) Estágios iniciais do universo dominados pela radição
Conforme T diminui …
Formação das partículas elementares
E do campo de radição é convertido em pares partícula-antipartícula
Para T < 1010 K
nucleossíntese primordial: núcleos de He e D
(até 3 min de idade…)
T < 104 K (t ~ 500 mil anos)
Época da recombinação
<E> dos fótons < E de ionização do H: p e è se combinam Hprimeiros átomos no universo!
densidade da matéria > densidade da radiação
início da ERA DA MATÉRIA
Após a época da recombinação:
Formação dos corpos celestes
Flutuações de densidade = embriões dos corpos celestes
Modelo padrão explica bem:
A) expansão do universo
B) abundâncias do elementos leves H, D e He
C) radiação cósmica de fundo de T=2.7 K
D) Paradoxo de Olbers : porque a noite é escura??
ESTRUTURA DO UNIVERSO
Unidades: 1 M 2×1033 g 1 pc 3.1 × 1013 km 3.3 anos-luz
I. GALÁXIAS
Sistemas autogravitantes constituídos por :•estrelas•gás•poeira•matéria escura•raios cósmicos (90% p, 9% el. + pesados)
inventário da
MORFOLOGIA: CLASSIFICAÇÃO DE HUBBLE
4 tipos básicos:
elípticas espirais barradas
espirais
irregulares
PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS
ESPIRAIS
• disco em rotação, braços de espirais e bojo• densidade estelar maior no centro do bojo
Sa, Sb e Sc tamanho do bojo
Sc: estruturaespiral“indefinida”
ESTRUTURA DE ESPIRAIS VIA LÁCTEA
HALO : estrelasvelhas
DISCO: gás, poeira,estrelas velhas e jovens
BOJO: estrelas velhas e jovens, sem gás
ÓRBITAS DAS ESTRELAS
• DISCO: órbitas circulares aoredor do centro (v~2d/T) viz. solar v~ 220 km/sse d=8 kpc ~ 225 milhões de anos p/ fazer uma volta
rotação diferencial
• HALO: comp. randômica >> comp. “ordenada” alta excentricidade
• BOJO: comp. randômica < halo• mas ainda >> comp. “ordenada”
OS BRAÇOS DE ESPIRAIS
Esboço dos braços: emissão em rádio da linha de 21-cm do H pelo gás interestelar
Diâmetro do disco ~ 30 kpc
Espessura ~ 300 pc (estrelas) ~ 140 pc (gás)
viz. solar
MASSA DA GALÁXIA
Para discos de galáxias: gás e estrelas seguem leis de Kepler + Newton a vel. orbital em torno de umpotencial central cresce com a M central e decresce coma distância ao centro
M do volume contido na órbita do Solr ~ 8 kpc; T ~ 225 × 106 anos ~ 1011 M
Para medir a maiores distâncias observações em rádio do gás
velocidade de rotação em cada ponto da Galáxia
curva de rotação
RGMv
RGMm
Rmv
2
2
Região luminosa até 15 kpc ~ 2 x 1011 M
Mas até 40 kpc ~ 6 x 1011 M região luminosa cercada porum halo escuro
Se toda a massa estivesse concentrada na região luminosa:vel. orbital diminuiria a partir de 15 kpc (v2=GM/R)
Matéria escura:
MAssive Compact Halo Objects(anãs marrons, anãs brancas, etc)
Weakly Interating Massive Particles(partículas subatôminas com m, mas sem interação)
ELÍPTICAS
• sem estrutura espiral e sem disco (maior parte)
• E1…E7 elipticidade
• estrelas velhas, sem formação estelar, sem gás (frio) interestelar
• elípticas gigantes: diâm. ~ n Mpc anãs: diâm. ~ 1 kpc
Galáxia: diâm. ~ 30 kpc
mais comuns
órbitas randômicas
• gás quente (fig. c): T ~ n x 106 K
Massa de elípticas: TEOREMA DO VIRIAL
supondo que as estrelas dentro da galáxias tenham atingidouma situação de equilíbrio orbital, ou seja, as órbitas estão
virializadas
G2RvM
MvT,2RGMU
0U2T
2
221
2
V = dispersão de velocidadesR = raio da galáxia
LENTICULARES
• Entre E7 e Sa : S0 sem barra SB0 com barra
• Evidência de disco e bojo, pouco gás e sem estrutura espiral
constituído por estrelas velhas
IRREGULARES
• gás interestelar, estrelas jovens, sem estrutura definida
• Irr1 e Irr2(anãs irregulares : mais comuns)
intensa formação estelar
Observadas a distâncias bem maiores que as galáxias brilhantes:• rádio galáxias núcleos brilhantes que emitem em rádio, associados a galáxias elípticas • quasares (QSO) distâncias muito maiores (grande redshift)
quasar 3c 273
Normalmente galáxias agrupam-se em:• pares• grupos (~ 1 Mpc)• aglomerados ( ~ alguns Mpc) (10% das galáxias)• super aglomerados ( ~ 50-100 Mpc)
massas vão de 1015 a 1016 M (aglom. a super aglom.)
da mesma forma supõe-se aglomerados =sistemas virializados M=2Rv2/G, ondev = vel. média das galáxias e R= raio médio onde se mediu a v
Outra maneira: medir a v individual das gal. E supor que v < vescape
2GRVM
RGMmmv
22
21 v= maior v medida
R= distância ao centro do aglom.
II. GRUPO LOCAL
A nossa Galáxia forma um pequeno grupo com : Nuvens de Magalhães a algumas esferoidais anãs
Grupo Local: Galáxia + Andrômeda + dezenas de gal. menores
45 galáxias no total
Massa, diâmetro e distância de algumas galáxiasdo grupo local tabela 1 (pág 8)
IV. O SUPERAGLOMERADO LOCAL
• tamanho total ~ 40-50 Mpc (junto com Centaurus e Hydra)
Grupo local situa-se a18 Mpc do centro (centro ~ aglomerado de Virgo)
muitos superaglomerados apresentam estruturas filamentaresou paredes (assinalado em vermelho na fig.)
vazios ~ 50h-1 Mpc
similar ao tamanho dosaglomerados...
• mapas construídos atavés da lei de Hubble (vrec d)• survey com 1057 galáxias• distâncias são dadas assumindo-se h=65 km/s/Mpc
V. RADIAÇÃO DE FUNDO
• fontes distantes ou meio intergaláctico
• microondas é mais intenso ( entre 80 cm e 1 mm)
• espectro de corpo negro com T = 2.7 K
Detectada por Penzias e Wilson (1964) durante pesquisasobre a interferência nas comunicações via satélite
Modelo cosmológico padrão: supõe ser relíquia dos instantes iniciaisdo universo (radiação primordial) radiação de altíssimas energias
( ~ raios gamma) observado hoje com ~ rádio
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