Cosmologia

Laerte Sodré Jr.

IAG/USP14/09/2004

algumas observações relevantes

•a noite é escura!•o universo é homogêneo e isotrópico•...

homogeneidade e isotropia

O paradoxo de Olbers

O universo pode ser infinito. Mas, então, porque a noite é escura?

O modelo do Big Bang

• a expansão do universo•a radiação cósmica de fundo•a abundância dos elementos leves•a origem da estrutura em grandes escalas• ...

A expansão do Universo

Galáxias em todas as direções estão se afastando de nós com velocidades que aumentam com a distância

A expansão do universo

O espaço se expande, e todos os observadores observam o mesmo fenômeno.

O espaço se expande, e as galáxias acompanham a expansão!

A expansão faz com que o comprimento de onda da luz que viaja de uma galáxia para outra aumente (fique mais “vermelho”): é o redshift. A intensidade desse redshift depende de quanto tempo a luz viajou, isto é, de sua distância.

A expansão do universo

Visões do passado

Quando observamos galáxias cada vez mais distantes, em redshifts cada vez maiores, estamos observando-as cada vez mais no passado, devido à velocidade finita da luz.

O modelo do Big-Bang

• Einstein, 1916: Teoria da Relatividade Geral – a distribuição de matéria e energia produz uma curvatura no espaço

• Einstein, 1917: universo hiper-esférico estático• Sobral, 1919: observação da deflexão da luz das

estrelas pelo Sol• Friedmann, 1922: equações de um universo em

expansão• Hubble, 1929: expansão do universo• Lemaitre, 1930: “pai do modelo do BB”

modelos cosmológicos

as observações podem ajudar a determinar a forma do universo e como ele vai evoluir...

Geometrias:a soma dos ângulos de um triângulo

depende da curvatura

A quantidade de matéria e energia determina a evolução do universo.

• universo “aberto”: densidade menor que uma certa densidade crítica (k=-1)• universo “fechado”: densidade maior que a densidade crítica (k=+1)• universo “plano”: densidade igual à densidade crítica (k=0)

Proponho modelos de

universo

Testes observacionais dos modelos

Oi pessoal!

Observador

Vamos dar uma

olhada?

Probleminha? Galáxias evoluem!

complicado,

mas sem desanimar…

Será que o universo é

assim mesmo?

história do universo no modelo do Big-Bang

O Big Bang

• t=0: o BB – singularidade inicial

• t=10-43 s: tempo de Planck

“caos quântico”

e “antes” do Big-Bang?

→ o espaço e o tempo nascem juntos com o nosso universo

universos paralelos - multiversos???

mas após o BB...

• Criação da matéria a partir da radiação

XX

• Conforme o universo se resfria, diversos tipos de matéria vão se formando (e desaparecendo)

• Os protons se formam a partir de uma sopa de quarks, logo no começo do universo

Nucleosíntese primordial

• Durante os primeiros minutos a temperatura e a densidade eram suficientemente altas e permitiram a criação do deutério, hélio e uma pequena quantidade de lítio

• Mas como não há núcleos estáveis com peso atômico 5 ou 8, este processo parou por aqui!

• Os demais elementos seriam formados muito mais tarde, no interior das estrelas.

nucleosíntese primordial

As duas eras do universo

• Era da radiação• Era da matéria

• A densidade de energia e de matéria evoluem de forma diferente...

• Era radiativa: o universo era opaco aos fótons

• Era da matéria: o universo fica transparente aos fótons

centenas de milhares de anos depois do BB: a recombinação

Podemos detectar hoje a radiação remanescente do BB: a Radiação Cósmica de Fundo (RCF).

Vemos a RCF em qualquer direção que olhamos.

A radiação vai se resfriando enquanto viaja até nós.

A “superfície do último espalhamento” está muito longe, no redshift z~1000

O mapa da radiação cósmica de fundo

A RCF fo descoberta nos anos 60 por Penzias e Wilson. Seu espectro é o de um corpo negro com temperatura T = 2.73 K.

A radiação cósmica de fundo

Durante a era radiativa as estruturas não podiam se formar. Só depois que o universo se resfriou a ponto da matéria começar a dominar foi que as galáxias e outras estruturas puderam começar a se formar.

Formação de galáxias

As flutuações na RCF são as sementes das estuturas

• Flutuações de temperatura: 1 parte em 105!• Crescem pela ação da gravidade

Formação de galáxias

Condições iniciais

H

IR

poeira

poeira

UV

UV

IV

IV

Gás

Gás

SN

e-

e-

e-e-

Radio

poeiraUV

primeiras estrelas?

• z ~ 20...

The Trifid Nebula

• ~hoje: ~13 bilhões de anos depois do BB, em grandes escalas o universo visível é povoado por galáxias

mas... do que é feito o universo?

WMAP + outras observações recentes:

• k=0 (Ώ=1.02±0.02)

• (27±4)% de “matéria escura”

• (73±4)% de “energia escura”

• cosmologia de precisão

mas… do que é feito o universo?

• anos 30: Zwicky encontra as primeiras evidências de matéria escura

hoje: a maior parte da matéria no universo está numa componente que não emite nem absorve luz

• final dos anos 90: a observação de supernovas distantes indica que a expansão do universo está se acelerando, e não desacelerando, como se esperaria

evidência da ação da “energia escura”

mas... do que é feito o universo?

• Aglomerado de galáxias

• Efeito de lente gravitacional

determinação de massas por lentes

• Zwicky (~1930): há muito mais massa em aglomerados do que a que podemos associar a estrelas!

a maior parte da massa no universo é escura...

...e não bariônica!!!!!

não bariônica?

• bárions: protons, neutrons..• para explicar a abundância dos elementos

leves (nucleosíntese primordial), a fração da quantidade de matéria em bárions deve ser de ~5%

• mas o total de matéria é da ordem de 30% da densidade crítica

• o que constitui a matéria escura????????

energia escura

• supernovas: “velas padrão”• bons indicadores de distância• observação de SNs distantes:

parecem estar mais distantes do que se esperaria pelo seu redshift

→o universo parece estar sendo acelerado por uma energia escura!!!!!!!!

• O que constitui a energia escura????????????

o lado escuro da cosmologia atual

• O que constitui a matéria escura?

• O que constitui a energia escura?

• ?????????????????