O COMEÇO DO UNIVERSO

O BIG-BANG

Parte II

RESUMO DA HISTÓRIA DO UNIVERSO

Época Tempo

(após o Big-

Bang)

Densidade

(kg/m3)

Temperatura

(K)

Característica principal

Planck 0 - 10-43 s - 1095 - 1032 Física desconhecida

Gravitação quântica

4 forças unificadas

GUT 10-43 – 10-35 s 1095 - 1075 1032 - 1027 Separação da força

gravitacional

3 forças unificadas

Matéria GUT

Final da era GUT: separação da

força forte da eletrofraca

Hadrônica 10-35 – 10-4 s 1075- 1016 1027 - 1012 4 forças separadas

Formação dos léptons, quarks

e prótons e nêutrons (por

produção de pares ou

confinamento de quarks).

T grande o suficiente para

formar partículas de maior

massa.

Leptônica 10-4 - 102 s 1016 - 104 1012 - 109 Somente partículas leves

(léptons) formam-se por

produção de pares.

Neutrinos desacoplam.

Era da radiação

t ~15 s depois do Big-bang (T~108 K)

Matéria no universo consiste em prótons + nêutrons + elétrons, com prótons ~ 5 nêutrons

Começam as reações de fusão nuclear: formação do deutério

n + p D +

D + D 3He + n T + p 3He + n T + p T + D 4He + n

Transformação do deutério em elementos + pesados

D = 1 próton + 1 nêutron T = 1 próton + 2 nêutrons 3He = 2 prótons + 1 nêutron 4He = 2 prótons + 2 nêutrons

Mesmo elemento = mesmo número atômico (no de prótons) Pode ter diferente número de massa (no de prótons e de nêutrons)

ERA NUCLEAR

t > 1 min T < 107 K

Formação principalmente de deutério D e Hélio He

cadeia de reações:

n + p D +

D + D 3He + n

T + p 3He + n T + p

T + D 4He + n

reações ocorrem até ~ 4 min

Nota: o He formado em estrelas não explica a abundância de He observada atualmente uma quantidade significativa de He foi formado na época radiativa do universo (He primordial).

Após ~ 4 min não há energia suficiente para formar núcleos

mais pesados

O 4He calculado é ~ 24% da massa dos elementos formados

no universo (próximo ao observado), o 76% restante é de H.

A maior parte do He formado nas estrelas ainda está no seus

interiores.

os 25% de He observados no gás interestelar e atmosferas

de estrelas foram necessariamente formados no Big-Bang

Sucesso do modelo cosmológico padrão (Big-Bang)

previsão da nucleossíntese primordial

Matéria no universo encontrada em ~ 4 minutos após o Big-Bang:

• elétrons • prótons (deutério) • núcleos de He •dark matter

T ~ 3000 K e t ~ 500,000 anos

elétrons começam a se recombinar com os núcleos

formando os átomos neutros

Universo transparente aos fótons = fótons não

interagem mais com a matéria

FIM DA ERA RADIATIVA

A radiação (fótons) interage com os elétrons livres

Até t ~ 500,000 anos e T ~ 3000 K

ERA DA RECOMBINAÇÃO

Fótons não interagem

mais com a matéria

Radiação cósmica de fundo observada hoje!

Voltando a

RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO (RCF)

fótons da RCF raios gamma

Fotóns visíveis em t~500 000 anos do big-bang desacoplamento

RCF também se “expande com o universo”

Flutuações da RCF

Mapas da RCF:

1 vermelho = + quente

azul = + frio

aparência de dipolo:

movimento da Galáxia

numa dada direção

redshift / blueshift

da RCF

corrigindo ...

emissão no

far-IR pelo

gás no plano

galáctico

correção:

assumindo uma certa distribuição de matéria na Galáxia

2

corrigindo ...

resultado flutuações na temperatura dos fótons da RCF

flutuações na densidade do gás no momento da recombinação

3

Isotrópica > 1 parte em ~ 105

Cosmic Background Explorer (COBE)

Resolução = 7o

WMAP: mais alta resolução: 25´ Wilkinson Microwave Anosotropy Probe

para criar as nuvens protogalácticas:

É necessário crescimento de algumas flutuações de densidade

As flutuações da RCF são a ligação entre o BB e a estrutura em

larga escala de galáxias no universo e suas distribuições em

termos de aglomerados de galáxias e filamentos.

universo aberto

flutuações menores

universo fechado: distorção do espaço magnifica as flutuações

Simulação de formação e evolução

de estruturas, começando com uma

mistura de 4% de matéria bariônica,

com 23% de matéria escura fria e

73% de energia escura.

1 min após o Big-Bang

Matéria escura não interage com matéria normal e radiação, logo o seu agrupamento independe da radiação de fundo.

Provavelmente a matéria escura começou a agrupar-se bem antes da era do desacoplamento dos fótons em z~6000 (um pouco antes

do universo ser dominado pela matéria).

1 min após o Big-Bang

A formação de estruturas no universo depende crucialmente da matéria escura!

PROBLEMAS COM O MODELO COSMOLÓGICO PADRÃO

Medimos hoje uma RCF ~isótropica sua

temperatura é ~ constante (T=2.7 K)

A RCF medida hoje corresponde a uma radiação vinda de uma distância de 14 Gpc, o que dá um redshift z=1500.

O PROBLEMA DO HORIZONTE

o universo é considerado homogêneo e isotrópico

em grandes escalas

Mas …. os dois limites do universo A e B

que observamos hoje foi em

z=1500. Nesta época o tamanho

do horizonte observável era

menor. A e B estavam fora do

horizonte observável, logo fora

de conexão desde o big-bang.

Então não há razão para que os dois extremos que não possuiam contato causal entre si sejam parecidos!!

O PROBLEMA DA CURVATURA

grupos e aglomerados de galáxias (+ matéria escura): M ~ 0.2-0.3

Energia escura = 0.7-0.75

O valor de o é próximo a 1, o que caracteriza um universo de geometria plana…

Para que hoje em dia tenhamos um valor de O tão próximo a 1, no passado O deve ter sido 0.999999999999999 ( 1 parte em 1015)

Ou seja deve-se provar no modelo do Big-Bang que

é exatamente 1…

O MODELO INFLACIONÁRIO DA

EXPANSÃO DO UNIVERSO

Harvey Guth e modificado por Steinhardt e Linde (1981)

aplicação de idéias provenientes dos GUTs

Vimos que em t tGUT ~ 10-35 s

há a separação das forças

forte e eletrofraca

T~ 1028 k (de acordo com o modelo padrão)

há uma quebra de simetria neste instante

Quando há a quebra de simetria no final da era GUT resultando na separação da força forte da eletrofraca (t=10-35 s) há uma mudança significativa na expansão do universo!

INFLAÇÃO

Quebra de simetria = transição de fase

transições de fase ocorrem nos pontos de unificação das

forças fundamentais desacoplamento de uma das forças

causa uma mudança no universo como um todo.

Em tGUT a transição de fase (separação da força forte)

leva a um estado meta-estável durante um certo t

ESTADO DE VÁCUO FALSO

(força repulsiva torna-se muito maior que a atrativa (gravidade)

como o super-resfriamento

de um líquido...

Nesta época o universo aumenta o seu tamanho cerca de 1050 vezes !!!

Após, o universo continua com a sua expansão normal.

expansão ocorre a v > c?! SIM!

expansão na geometria (E-T) do universo e não da matéria e radiação! não há violação da TRG…

Consequências:

a) Antes da inflação: pontos A e B em contato b) Imediatamente após a inflação: expansão com velocidade acima da

luz, A e B não estão mais em contato nem conosco. Um pequeno pedaço do universo é observável.

c) expansão “normal” até hoje: nosso horizonte se expande mais

rápido do que o universo se expande. Voltamos a observar A e B, que são regiões homogêneas pois estiveram em contato antes da inflação.

Consequências:

Inflação:

somente uma partedo BB

original está dentro no

nosso horizonte

nosso universo

Resolução do problema do horizonte: nosso universo é um

pequeno pedaço isotrópico de um universo maior

todo o pedaço sempre esteve em contato causal antes

da época da inflação, então têm as mesmas propriedades

físicas

Universo de “bolhas”

Nosso universo visível é uma “bolha” de um universo maior

Outras bolhas não são fisicamente reais, pois estão fora do nosso

horizonte (“bolhas teóricas”) não há comunicação entre elas

Após a inflação…

Toda a região dentro da nossa “bolha” é homogênea pq sempre esteve em contato na

época pré-inflacionária.

Resolução do problema da curvatura: inflação = zoom de uma muito

pequena seção do universo (deverá ser localmente plano!)

Qualquer geometria que o universo tivesse para nós antes da inflação, com o crescimento de 1050 vezes o

universo observável torna-se plano…

Quantidade de estruturas em diferentes escalas angulares

Linha azul: modelo teórico para um universo plano o=1 73% de dark energy, 27% de matéria.