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COSMOLOGIA II Daniele Benício

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COSMOLOGIA

II

Daniele Benício

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Relembrando da aula passada...

COSMOLOGIA: “É o ramo da Ciência que se dispõe a

estudar e propor teorias sobre a origem, estrutura e

evolução do Universo”

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Evidências do Big Bang

• Paradoxo de Olbers (1923)– Idade Finita do Universo

Se o Universo é infinito e existe desde sempre→ qualquer lugar no céu que olharmos

deverá haver uma estrela→ o céu deveria ser tão brilhante quanto a superfície de

uma estrela X o céu de noite é escuro→ tamanho ou idade do Universo deve ser

finito; neste caso a idade é finita;

Visualização: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d2/Olber%27s_Paradox_-_All_Points.gif/300px-Olber%27s_Paradox_-_All_Points.gif

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• Redshift

Os espectros de galáxias distantes são deslocados para comprimentos deonda maiores, ou seja, os comprimentos de onda são esticados pela

expansão do Universo.

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• Lei de Hubble

Hubble observou a expansão do Universo e criou uma lei que nos

fornecesse a distância de uma galáxia;

• Radiação Cósmica de Fundo

Prova de que ocorreu a recombinação dos átomos (núcleos de átomos

se unindo com elétrons);

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Matéria escura

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Matéria Escura

A matéria escura não emite luz e não pode ser detectada por telescópios - é

uma matéria invisível misteriosa que só pode ser detectada de modo indireto pela

força gravitacional que exerce.

Especialistas sugerem que ela é formada por partículas massivas que interagem

fracamente (WIMPs) - que praticamente nunca interagem com partículas normais

de matéria. Acredita-se que essa substância constitui mais de 80% de toda a

matéria do universo.

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Evidências da matéria escura

Dinâmica de estrelas da Via Láctea

As estrelas da Via Láctea, (por exemplo, o Sol) se movimentam em órbitas circulares

em torno do centro Galáctico.

A velocidade de rotação de uma estrela depende da massa da Via Láctea contida

no espaço no interior da sua órbita.

As velocidades medidas indicam que tem mais massa na Via Láctea, do que aquela

devida aos componentes observados.

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CDinâmica de estrelas da Via Láctea

O mesmo se observa em outras galáxias discos como a galáxia de Andrômeda.

O movimento inesperadamente rápido das estrelas é observado também em

galáxias de outros tipos (elípticas, irregulares).

Todas as galáxias tem mais massa do que a massa observada.

Evidências da matéria escura

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Massas de aglomerados de galáxias

• Dinâmica das galáxias

As galáxias em um aglomerado se movimentam também, com velocidades que

podem ser medidas através dos seus espectros, pelo efeito Doppler.

A dispersão de velocidades depende da massa do aglomerado, que pode, então,

ser calculada usando o teorema de virial.

• Massas de 1014 a 1015 M ๏ , onde M๏ = 2·1030 kg = massa solar

Evidências da matéria escura

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Radiação do gás inter-aglomerado

Os aglomerados contêm gás, de massa maior do que as galáxias, que irradia em

raios X devido à sua temperatura.

A pressão deste gás está em equilíbrio com a gravitação do aglomerado.

Medindo a radiação em raios X, pode se calcular a temperatura e a pressão do

gás inter-aglomerado, e a massa do aglomerado.

• Massas de 1014 a 1015 M๏

Evidências da matéria escura

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CEfeito de Lentes gravitacionais

Massas altas, como aglomerados de galáxias, desviam a luz, e distorcem a

imagem de objetos atrás da massa, como galáxias mais distantes.

Medindo a distorção das imagens destas galáxias “de fundo”, pode se

determinar a massa do objeto na frente (o aglomerado).

• Massas de 1014 a 1015 M๏

Evidências da matéria escura

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Os métodos concordam

Massas de aglomerados: 1014 a 1015 M๏

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Porém…

A soma das massas das estrelas nas galáxias é ~50 vezes menor.

Somando-se ainda o gás inter-aglomerado é 5 a 6 vezes menor.

Assim aglomerados contêm massa além da matéria conhecida

(bariônica).

Evidência para a matéria escura!!

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CAs sobredensidades na Radiação Cósmica de Fundo refletem as sobredensidades

na matéria bariônica (matéria visível) na época da recombinação.

Pode-se calcular pela Lei da Gravidade, pela Taxa de Expansão do Universo, que

estas sobredensidades eram pequenas demais para terem formado as estruturas

que se vê hoje (galáxias, aglomerados).

Assim, deve ter tido mais matéria que aquela visível na Radiação Cósmica.

Outra evidência de Matéria Escura

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CDo que consiste matéria escura?

Algo que quase não interage com materia “comum”

(só pela gravitação). Senão já teria sido vista.

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Duas Possibilidades

• Matéria Escura Quente (Hot Dark Matter):

Partículas de muito baixa massa e com altas velocidades.

• Matéria Escura Fria (Cold Dark Matter ):

Partículas ou até objetos com massa mais alta e velocidades baixas, como

WIMPs (“Weakly Interacting Massive Particles”, partículas massivas

interagindo fracamente), ou outras partículas hipotéticas.

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Como distinguir?

As partículas do Hot Dark Matter tem velocidades tão altas, que elas

escapam das concentrações de massa (galáxias, aglomerados, etc.)

- Elas não participam na formação destas estruturas.

As partículas do Cold Dark Matter ficam ligadas as estruturas pela

gravitação.

- Elas participam da formação das estruturas.

• A formação das estruturas se dá de forma diferente nas duas hipóteses.

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Simulações

Com Matéria Escura Distribuição Com Matéria Escura

Quente Observada Fria

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Simulação com matéria escura

Reproduz parfeitamente a distribuição observada.

A Matéria Escura é Fria (CDM)!!

Dark Matter Millenium SimulationComparação com uma

amostra de redshifts

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E que tipo de Matéria Escura Fria?

- WIMPs (chorão)

ou

- MACHOs (“Massive Compact Halo Objects”, objetos do halo massivos e

compactos, machões):

• anãs marrons

• estrelas comuns, mas de baixa luminosidade

• anãs brancas

• estrelas de néutrons

• buracos negros

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Como detectar os MACHOs?

Detecta-se pelo efeito lente (consequência da relatividade geral)

Quando um MACHO passa na frente de uma estrela de fundo, a luz da estrela é

focada na Terra parecendo mais brilhante por algumas horas do dia.

A partir da curva de luz da estrela é possível determinar a massa do MACHO.

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CO Projeto MACHO

Observaram 12 milhões de estrelas na Grande Nuvem de Magalhães de

1992 a 1998 com um telescópio no observatório Mt. Stromlo na Australia.

Detectaram o que seria uma estimativa do número total de MACHOs na

Via Láctea.

Determinando as massas destes MACHOs, consegue-se estimar a massa

total de MACHOs em nossa Galáxia.

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Vários MACHOs foram detectados, mas de longe não em

número suficiente para explicar a Matéria Escura na Via

Láctea.

Sendo assim…

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CA Matéria Escura consiste na maioria de WIMPs.

Os chorões derrotaram os machões!

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CVídeos: Matéria Escura

Parte 1: http://www.youtube.com/watch?v=F8nJyo4kSLs

Parte 2: http://www.youtube.com/watch?v=akxCff9g3ZQ

Parte 3: http://www.youtube.com/watch?v=C9BoucRx7Ec

Parte 4: http://www.youtube.com/watch?v=Izf66YVxIlI

Parte 5: http://www.youtube.com/watch?v=j4P61-_wwdM

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CEnergia Escura

Forma hipotética de energia que estaria por todo espaço e

tende a acelerar a expansão do Universo.

http://revistapesquisa.fapesp.br/2013/03/15/brian-schmidt-o-enigma-da-energia-

escura/

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Evidências Energia Escura

Luminosidades de Supernovas Ia

Supernovas (SN) são explosões de estrelas no final das suas “vidas”.

As supernovas Ia estas explosões sempre ocorrem com a mesma

luminosidade (velas padrão).

A luminosidade aparente (o brilho do objeto no céu) diminui com o

quadrado da distância. É possível determinar a distância de uma SN Ia e,

consequentemente, a distância da galáxia em que ocorre.

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Evidências Energia Escura

Luminosidades de Supernovas Ia

Em 1998, astrônomos descobriram que no passado distante, as distâncias

das SN Ia são maiores do que previsto pela Lei de Hubble, que se baseia

numa taxa constante de expansão do Universo.

A expansão era mais lenta e é acelerada.

• Evidência pra energia escura.

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CNo espaço inter-galáctico, há nuvens de gás que pouco mudaram desde

a sua formação.

Nestas nuvens, e no resto do Universo, 25 % (ou mais) dos átomos são de

hélio, que só podem ter sido formados na época da núcleossíntese

quando densidade e temperatura do Universo eram altas o suficiente

para tanto.

Além de hélio, foram formados montantes microscópicos de deutério,

hélio-3, lítio e berílio. Os outros 75 % dos átomos são de hidrogênio.

Abundância de elementos primordiais

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CAtravés do montante de hélio na composição primordial, é possívelcalcular:

- Duração da época da núcleossíntese, ~5 min

- Temperatura e densidade da matéria “comum” no final destes 5 min.

Os montantes de deutério, hélio-3 e lítio permitem cálculos mais

sofisticadas das condições nas primeiros 5 min do Universo.

Como prova da nucleossíntese primoridial, concluiu-se que 4 % dadensidade crítica é bariônica, em concordância com os resultados da

radiação de fundo.

Abundância de elementos primordiais

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Cerca de ~98 % dos átomos do Universo atual foram formados na época da

núcleossintese

Composição química primordial:

H (~75 %)

He (~25 %)

D (0.01 %)

Li (< 0.01 %)

Os outros 2%, ou seja todos os outros 105 elementos estáveis foram formados

mais tarde por fusão nuclear em Estrelas. (Aula de Estrelas)

Origem dos elementos

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O Futuro do Universo

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Se o modelo ΛCDM for certo as galáxias se afastarão cada vez mais

rapidamente uma da outra, até não haver mais contato entre elas.

Tudo dentro das galáxias resfriará e acabará em objetos “mortos” (Buracos

Negros, Anãs Brancas, Anãs Marrons).

Há teorias que afirmam que, num futuro mais distante ainda, tudo se

desintegra.

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Outros Modelos Cosmológicos

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• Estado Estacionário e Estado Quasi-Estacionário

• MOND ("Modification of Newtonian Dynamics" ou "Modificação da

Dinâmica Newtoniana")

• Luz cansada

• Cosmologia do plasma

• Multiversos

• Teoria das cordas

• Universo cíclico…

Mas…

- ou não são compatíveis com as observações.

- ou são mais complicados e menos plausíveis do que ΛCDM.

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Possibilidades de observações futuras

Como cerca de 96% do Universo ainda não foram identificados, estão sendo feitas,

ou serão feitos mais experimentos/observações cosmológicos:

- Com maior precisão;

- Gerar e detectar as partículas exóticas da matéria escura em aceleradores de

partículas.

- Elaboração de detectores para a detecção direta da matéria escura.

- Detectores de ondas gravitacionais (emitidas na época da inflação).

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OBRIGADA!!!

Próxima aula: Cosmologia III