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Cosmologia:Cosmologia:o que sabemos sobre o que sabemos sobre

a história do universo?a história do universo?

Miguel QuartinMiguel QuartinInstituto de Física, UFRJInstituto de Física, UFRJ

Grupo: Astrofísica, Relatividade e Cosmologia (ARCOS)Grupo: Astrofísica, Relatividade e Cosmologia (ARCOS)

Tópicos de Física Geral I – 2016Tópicos de Física Geral I – 2016

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Resumo do SeminárioResumo do Seminário

Panorama do que sabemosPanorama do que sabemos Expansão do universoExpansão do universo ““Big-bang”Big-bang”

Como descobrimos?Como descobrimos?

Componentes do universoComponentes do universo Matéria escuraMatéria escura Energia escuraEnergia escura

Instrumentos Instrumentos satélites, sondas e telescópios modernossatélites, sondas e telescópios modernos

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Panorama do que Panorama do que sabemossabemos

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O universo visívelO universo visível

O sol é uma das ~10O sol é uma das ~101111 estrelas da Via Láctea estrelas da Via Láctea 10101111 → 100 bilhões!!!→ 100 bilhões!!!

A Via Láctea é uma galáxia espiral “comum”A Via Láctea é uma galáxia espiral “comum” Pode ser vista facilmente à olho nu à noite em lugares escuros Pode ser vista facilmente à olho nu à noite em lugares escuros

(longe do Rio!)(longe do Rio!) O universo contém mais de 10O universo contém mais de 101111 galáxias galáxias

10101111 x 10 x 101111 ~ 10 ~ 102222 estrelas! estrelas!

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Via Láctea Via Láctea

Sol

100.00 0 ano s-luz

25.000 anos -luz

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O universo está em expansãoO universo está em expansão

Em médiaEm média, todas as galáxias se afastam das demais, todas as galáxias se afastam das demais A velocidade de expansão é proporcional à distânciaA velocidade de expansão é proporcional à distância

Lei de Hubble:Lei de Hubble:

7

O universo está em expansãoO universo está em expansão

88

A Lei de HubbleA Lei de Hubble

99

109 anos-luz 2 x 109 anos-luz

10

Big Bang!Big Bang!

Extrapolando a expansão para o passado... Extrapolando a expansão para o passado... Big Bang!Big Bang!

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História do Universo

Era de Planck

Inflação

Era Eletrofraca

Nucleosínteseprimordial

Desacoplamento matéria radiação

Formação de galáxias

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O universo está em expansãoO universo está em expansão

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Relatividade GeralRelatividade Geral

A teoria básica da cosmologia é a A teoria básica da cosmologia é a Relatividade GeralRelatividade Geral Gravitação Newtoniana → Rel. Geral de EinsteinGravitação Newtoniana → Rel. Geral de Einstein

Gravidade: força → Gravidade: força → deformaçãodeformação do “espaço-tempo” do “espaço-tempo”

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Relatividade GeralRelatividade Geral

A teoria básica da cosmologia é a A teoria básica da cosmologia é a Relatividade GeralRelatividade Geral Gravitação Newtoniana → Rel. Geral de EinsteinGravitação Newtoniana → Rel. Geral de Einstein

Gravidade: força → Gravidade: força → deformaçãodeformação do “espaço-tempo” do “espaço-tempo”

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Relatividade GeralRelatividade Geral

A teoria básica da cosmologia é a A teoria básica da cosmologia é a Relatividade GeralRelatividade Geral Gravitação Newtoniana → Rel. Geral de EinsteinGravitação Newtoniana → Rel. Geral de Einstein

Gravidade: força → Gravidade: força → deformaçãodeformação do “espaço-tempo” do “espaço-tempo”

Órbitas mais precisasÓrbitas mais precisas Expansão do universoExpansão do universo Formação de estruturasFormação de estruturas Buracos negrosBuracos negros Lentes gravitacionaisLentes gravitacionais Ondas gravitacionaisOndas gravitacionais GPS!!!GPS!!!

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Homogeneidade e IsotropiaHomogeneidade e Isotropia

O Universo é homogêneo e isotrópico nas grandes escalasO Universo é homogêneo e isotrópico nas grandes escalas Menor escala para tal: ~ 300 milhões de anos-luzMenor escala para tal: ~ 300 milhões de anos-luz

Isotropia e Homogeneidade Isotropia e Homogeneidade →→ 2 conceitos independentes 2 conceitos independentes Isotropia ao redor de todos pontos Isotropia ao redor de todos pontos →→ homogeneidade homogeneidade Princípio de Copérnico:Princípio de Copérnico:

não vivemos em um local não vivemos em um local especial do universoespecial do universo

Princípio Cosmológico:Princípio Cosmológico: em escalas grandes o em escalas grandes o suficiente o Universo é suficiente o Universo é o mesmo para todos os o mesmo para todos os observadoresobservadores

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Homogeneidade e Isotropia (2)Homogeneidade e Isotropia (2)

600 milhões de anos luz

6 milhões de anos luz

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Como descobrimos?Como descobrimos?

O problema das distânciasO problema das distâncias

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10 metros

100

2520 metros

O fluxo observado é inversamente proporcional ao quadrado da distância à fonte.

20

10 metros

100

2520 metros

O fluxo observado é inversamente proporcional ao quadrado da distância à fonte.

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Ferramentas ObservacionaisFerramentas Observacionais

Efeito de Paralaxe EstelarEfeito de Paralaxe Estelar

Espectro da luzEspectro da luz

O desvio para o vermelho O desvio para o vermelho (redshift)(redshift)

SupernovasSupernovas

Radiação Cósmica de FundoRadiação Cósmica de Fundo

22

Paralaxe EstelarParalaxe Estelar

23

O Espectro da LuzO Espectro da Luz

24

Espectro contínuo

Espectro contínuo +linhas de absorção

Lâmpada

Lâmpada

Prisma

Prisma

Tela

Tela

Gás frio

Fótons reemitidos

fenda

fenda

25

Lâmpada

Prisma

Prisma

Tela

Tela

vermelho

violeta

Espectro contínuo

linhas deemissão

verde

Hidrogênio aquecido

26Espectro de emissão de alguns elementos conhecidos

27

Efeito Doppler e Efeito Doppler e desvio para o vermelhodesvio para o vermelho

Desvio parao azul

Desvio parao vermelho

desvio para o vermelho

“z”

28

Efeito Doppler e Efeito Doppler e desvio para o vermelhodesvio para o vermelho

Espectro observado

Espectro “de referência”

desvio para o vermelho

29

km/seg3862v

008,08,6562

8,65626615

A6615 A8,6562oo

==

=-

=

==

cz

z

obsf ll

metro 010,00000000moAngstr 1 =&&

Comprimento de onda (angström)

Hidrogênio

Inte

nsid

ade

rela

tiva

Variação de l

3030

Anã Branca

Explosão resultante de uma detonação termonuclear de uma estrela Anã Branca que

acreta matéria de uma estrela companheira

Vela padrão:Vela padrão: supernova do tipo Ia supernova do tipo Ia

3131

SupernovaeSupernovaeSupernova do Tipo IaSupernova do Tipo Ia

3232

4 de abril de 1997 28 de abril de 1997

Uma das supernovas mais distante até hoje descobertas.Uma das supernovas mais distante até hoje descobertas. Afasta-se com ~ 60% da velocidade da luz (= 300.000 km/s)Afasta-se com ~ 60% da velocidade da luz (= 300.000 km/s) A luz dessa supernova leva 8 bilhões de anos para chegar a TerraA luz dessa supernova leva 8 bilhões de anos para chegar a Terra

Supernova “1997ck”Supernova “1997ck”

3333

3434

100

25

SN do Tipo Ia são Velas-PadrãoSN do Tipo Ia são Velas-Padrão

10 metros

20 metros

3535

Diagrama de HubbleDiagrama de HubbleddLumLum(z)(z)

3636

A Radiação Cósmica de FundoA Radiação Cósmica de Fundo

É uma radiação É uma radiação de corpo negro de corpo negro de microondas de microondas (T ~ 3K).(T ~ 3K).

Idade do Idade do universo na universo na emissão emissão →→ 380.000 anos380.000 anos

Isotrópica!Isotrópica!

T = 2,73 K

3737

A Radiação Cósmica de FundoA Radiação Cósmica de Fundo

É uma radiação É uma radiação de corpo negro de corpo negro de microondas de microondas (T ~ 3K).(T ~ 3K).

Idade do Idade do universo na universo na emissão emissão →→ 380.000 anos380.000 anos

Isotrópica!Isotrópica! ou quase...ou quase...

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39

Componentes do Componentes do UniversoUniverso

4040Energia Escura72% ± 2%

Matéria Escura24% ± 2%

Hidrogênio livre e Hélio

4%

Estrelas0,5%

Neutrinos0,3%

Elementos pesados0,03%Um universo muito Um universo muito

estranho!estranho!

4141Energia Escura72% ± 2%

Matéria Escura24% ± 2%

Hidrogênio livre e Hélio

4%

Estrelas0,5%

Neutrinos0,3%

Elementos pesados0,03%Um universo muito Um universo muito

estranho!estranho!

4242

Matéria EscuraMatéria Escura

Existem fortes evidências que há muito mais matéria no Existem fortes evidências que há muito mais matéria no Universo do que conseguimos enxergar diretamenteUniverso do que conseguimos enxergar diretamente

Essa matéria não EMITE nem ABSORVE luzEssa matéria não EMITE nem ABSORVE luz É chamada portanto de É chamada portanto de matéria escuramatéria escura Um nome mais apropriado seria Um nome mais apropriado seria matéria invisívelmatéria invisível

Matéria escura causa dois efeitos importantes:Matéria escura causa dois efeitos importantes: Altera a órbita das estrelas e fo gás ao redor da galáxiaAltera a órbita das estrelas e fo gás ao redor da galáxia

O sol orbita a Via Láctea com período de 200 milhões O sol orbita a Via Láctea com período de 200 milhões de anosde anos

Altera a trajetória da luz Altera a trajetória da luz →→ Lentes Gravitacionais Lentes Gravitacionais

4343

Matéria EscuraMatéria Escura

astro-ph/9909252

Matéria escuradisco

estelar

gás

Curvas de rotação de galáxiasCurvas de rotação de galáxias Estimativa “simples” aceleração centrípeta→Estimativa “simples” aceleração centrípeta→

Matéria escura é menos concentrada

4444

Energia EscuraEnergia Escura

velocidade constante desacelerado

acelerado

4545

Energia EscuraEnergia Escura

O universo está aceleradoacelerado!!!

velocidade constante desacelerado

acelerado

Observador

Galáxia lente

Imagem A

Imagem B

quasarLenteamento Gravitacional Forte

Lente

Galáxia 1-3

Grupo de Galáxias 5-10

Aglomerado >30

Lentes Gravitationais no Aglomerado de Galáxias Abell 2218

Formação de ArcosFormação de Arcos

Cruz de EinsteinCruz de Einstein

Anel de EinsteinAnel de Einstein

Micro-lenteamentoMicro-lenteamento

4949

Energia EscuraEnergia Escura

Algumas observações nas maiores escalas estão Algumas observações nas maiores escalas estão em em conflitoconflito com nosso modelo de universo com: com nosso modelo de universo com: matéria matéria convencional + luz + matéria escuraconvencional + luz + matéria escura As galáxias estão se afastando cada vez mais rápido As galáxias estão se afastando cada vez mais rápido

(aceleração cósmica)(aceleração cósmica) A distribuição de galáxias no universo está menos A distribuição de galáxias no universo está menos

concentrada do que esperávamosconcentrada do que esperávamos As galáxias mais antigas As galáxias mais antigas →→ estimamos > 11 bilhões de anos estimamos > 11 bilhões de anos Antigo modelo do Universo Antigo modelo do Universo →→ idade < 10 bilhões de anos idade < 10 bilhões de anos

É possível corrigir É possível corrigir todostodos esses problemas adicionando esses problemas adicionando um ingrediente ao nosso modelo um ingrediente ao nosso modelo →→ a a energia escuraenergia escura

50

Medidas de distância Medidas de distância ao longo do tempo ao longo do tempo permitem medir permitem medir velocidade e velocidade e aceleraçãoaceleração

Energia EscuraEnergia Escura é é o nome dado à o nome dado à componente componente (desconhecida) (desconhecida) responsável pela responsável pela aceleração observadaaceleração observada

Energia EscuraEnergia Escura

5151

O Futuro … ?O Futuro … ?

É muito importante aqui distinguir É muito importante aqui distinguir ciênciaciência da da filosofiafilosofia Isso é válido sempre, mas em cosmologia é mais comum a Isso é válido sempre, mas em cosmologia é mais comum a

confusãoconfusão

Nosso conhecimento sobre a dinâmica do universo ainda Nosso conhecimento sobre a dinâmica do universo ainda não está sólida o suficiente para termos confiança na sua não está sólida o suficiente para termos confiança na sua evolução futuraevolução futura Diferentes teorias prevêm diferentes “finais” Diferentes teorias prevêm diferentes “finais” É no momento mais filosofia do que ciência prever o É no momento mais filosofia do que ciência prever o

destino do universodestino do universo Popper Popper →→ teorias científicas tem que ser teorias científicas tem que ser falseáveisfalseáveis

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InstrumentosInstrumentos

53

Alguns TelescópiosAlguns TelescópiosCFHT - 4m Telescópios Keck – 2 x 8m

Hubble – 2.4mVery Large Telescope(VLT) – 4 x 8.2m

5454

Extremely Large Telescope (E-ELT)Extremely Large Telescope (E-ELT)39m – inauguração: 202439m – inauguração: 2024

5555

2020: Euclid Satellite & 2020: Euclid Satellite & Large Sinoptic Survey Telescope Large Sinoptic Survey Telescope

5656

COBE:US$ 600 M,

4 anos1989-1993

WMAP:US$ 200 M,

9 anos2001-2010

5757

5858

5959

Última geração: sonda Última geração: sonda PlanckPlanck (2009-2013) (2009-2013)

6060

Super-computadoresSuper-computadores

6161

Simulações HidrodinâmicasSimulações Hidrodinâmicas

6262

Do que eu não faleiDo que eu não falei

Candidatos para Energia Escura (+ cosmologia)Candidatos para Energia Escura (+ cosmologia) Candidatos para Matéria Escura (+ física de partículas)Candidatos para Matéria Escura (+ física de partículas) Ondas gravitacionais (próximo prêmio Nobel?)Ondas gravitacionais (próximo prêmio Nobel?) Nucleossíntese (formação dos átomos)Nucleossíntese (formação dos átomos) ““Oscilações Acústicas de Bárions”Oscilações Acústicas de Bárions” Possíveis modificações da teoria de gravitação Possíveis modificações da teoria de gravitação

(relatividade geral)(relatividade geral) ...... Muitas outras coisas!Muitas outras coisas!

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Cosmologia na UFRJCosmologia na UFRJ

Grupo de Astrofísica, Relatividade e Cosmologia (Grupo de Astrofísica, Relatividade e Cosmologia (ARCOSARCOS)) www.if.ufrj.br/~arcoswww.if.ufrj.br/~arcos

Integrantes:Integrantes: Ioav WagaIoav Waga Marcelo Byrro RibeiroMarcelo Byrro Ribeiro Mauricio CalvãoMauricio Calvão Miguel QuartinMiguel Quartin Ribamar ReisRibamar Reis Sergio JorásSergio Jorás + pos-docs e alunos+ pos-docs e alunos