apresentação do powerpoint · composição química primordial: h (~75 %) he (~25 %) d (0.01 %)...
TRANSCRIPT
COSMOLOGIA
II
Daniele Benício
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
C
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”
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
C
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
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
C
• Redshift
Os espectros de galáxias distantes são deslocados para comprimentos deonda maiores, ou seja, os comprimentos de onda são esticados pela
expansão do Universo.
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
C
• 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);
Matéria escura
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
C
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.
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
C
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.
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
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
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
C
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
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
C
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
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
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
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
C
Os métodos concordam
Massas de aglomerados: 1014 a 1015 M๏
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
C
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!!
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
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
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
CDo que consiste matéria escura?
Algo que quase não interage com materia “comum”
(só pela gravitação). Senão já teria sido vista.
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
C
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.
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
C
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.
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
C
Simulações
Com Matéria Escura Distribuição Com Matéria Escura
Quente Observada Fria
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
C
Simulação com matéria escura
Reproduz parfeitamente a distribuição observada.
A Matéria Escura é Fria (CDM)!!
Dark Matter Millenium SimulationComparação com uma
amostra de redshifts
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
C
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
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
C
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.
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
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.
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
C
Vários MACHOs foram detectados, mas de longe não em
número suficiente para explicar a Matéria Escura na Via
Láctea.
Sendo assim…
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
CA Matéria Escura consiste na maioria de WIMPs.
Os chorões derrotaram os machões!
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
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
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
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/
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
C
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.
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
C
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.
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
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
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
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
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
C
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
O Futuro do Universo
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
C
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.
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
C
Outros Modelos Cosmológicos
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
C
• 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.
Un
iver
sid
ade
Fed
eral
do
AB
C
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).
OBRIGADA!!!
Próxima aula: Cosmologia III