o que sÃo o big-bang, a energia e a matÉria escuras? nelson pinto neto icra-cbpf
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O QUE SÃO O BIG-BANG, A ENERGIA E A MATÉRIA ESCURAS?
NELSON PINTO NETO ICRA-CBPF
COSMOLOGIA
• Descrição da totalidade do mundo físico
pelo método científico.
- Objeto de estudo é tudo que existe, incluindo observadores.
- É único: não temos outras amostras para manipular:
PROBLEMAS COM A MECÂNICA QUÂNTICA!
- O único ponto de vista é do observador na Terra através de
ondas eletromagnéticas - ondas gravitacionais: outra janela.
• Hoje o universo é observado em todos os comprimentos de onda.
Espectro Eletromagnético
Aglomerados de Galáxias
Mgás ~ 20 x Mestrelas
Gás é distribuido mais suavemente
Hydra A no ótico
Hydra A em raios x
DISTÂNCIAS DAS GALÁXIAS
Distâncias muito grandes: medidas em ano-luz
Velocidade da luz: 300.000 km/s
A luz dá 8 voltas ao mundo em 1 segundo!
Um ano-luz: distância percorrida pela luz em
1 ano: 9.460.800.000.000 km!
1 parsec: distância para a qual paralaxe vale
1 segundo de arco ~ 3 anos-luz.
PARALAXE
Natureza das Galáxias
• Henrietta Leavitt (1912): relação entre período de estrelas variáveis cefeidas e sua luminosidade intrínseca
• Edwin Hubble (1923): determina a distância da “nebulosa” de Andrômeda (M31), usando uma estrela cefeida
O Desvio para o Vermelho• Efeito Doppler
Desvio parao azul
Desvio parao vermelho
A Expansão do Universo
• Vesto Slipher (1917): desvio para o vermelho de galáxias (13 de 15)
• Hubble (1929): descobre a expansão do universo
O Diagrama de Hubble (Versão Atual)
Distância (Mpc)
Velo
cid
ad
e
(km
/s)
Dados do Hubble
0.72 0.08h
A RELATIVIDADE GERAL DE EINSTEIN
Gravitação não é uma força!
Uma grande massa curva o espaço-tempo!
A gravidade atua em tudo!
Todas as partículas caem da mesma forma!
Os corpos livres também seguem todos a mesma
trajetória.
ESPAÇO CURVO DE UMA ESTRELA
Geometria Cosmológica
Esférica Hiperbólica Plana
Analogia 2D:
Ângulos:
A EXPANSÃO DO UNIVERSO
A Expansão do Universo I
Não é explosão! Não possui centro!
Relação linear: 0v H dO Parâmetro de Hubble:
H0 = 24 km/s /milhão de anos-luz
Há quanto tempo começou a expansão?
T = 1/H0 = 14 bilhões de anos
Evolução do Universo
Fator de
escala
sela
plano
esfera
tempoagora
Nomenclatura: “Big-Bang”:
Extrapolação para d 0d
ρC
ρ>ρC
ρ<ρC
Breve História Térmica do Universo
A MATÉRIA-ENERGIA CONHECIDA DO UNIVERSO
AS FORÇAS DA NATUREZA
Recombinação
plasma
matéria neutra
Recombinação• Quando a temperatura cai abaixo dos 3.000C
os elétrons ficam presos aos núcleos O Universo passa a ser trasparente
A luz se propaga livremente: 380.000 anos!
380.000 anos após início da expansão
A Radiação Cósmica de Fundo
Região a partir da qual nadapodemos ver
Temperatura hoje
T = - 270 C
O Espectro da Radiação Cósmica de Fundo
Freqüência [cm-1]Inte
nsid
ade
[10-4
erg
s cm
-2 s
-1 sr
-1 c
m]
dados com erros x 100
espectro térmico com T = 2.725 ± 0.002 K
Nucleossíntese: Alquimia no Universo Primordial
Produção de 7Li, 3He, D, 4He
T ~ 1010 C - 109 C, 1s a 3min “DBB”
Abundância de Elementos Leves
Produção de 7Li, 3He, D, 4He
Todos com o mesmo ηB/ηF!D é o melhor “bariômetro”
ρB / ρC =0,04
Alguns Marcos da História do Universo
T (radiação) Evento
-270 C, 13,7 109
anosHoje
-263 C, 109 anos Formação das Galáxias
104 C, 400.000 anos
Recombinação do H, radiação de fundo
105 C, 40.000 anos Dominação pela matéria
107 C, 1 a 200 s Formação dos elementos leves (He4, He3, D e Li)
1012 C, 10 –3 s Formação dos prótons e nêutrons.
1028 C, 10 –34 s Grande Unificação?
1032 C, 10 –43 s Cosmologia quântica?
Evolução do Universo
Fator de
escala
sela
plano
esfera
tempoagora
Nomenclatura: “Big-Bang”:
Extrapolação para d 0d
Outubro de 2008Dezembro de 2008
Diferenças de Temperatura na Radiação Cósmica de Fundo
1 1 1,T
2 2 2,T
T
T 10 5
A OBSERVAÇÃO DESTAS
DIFERENÇAS PERMITE SABER
COMO ERA O UNIVERSO A 14
BILHÕES DE ANOS!
Prêmio Nobel 2006
John Matter e
George Smoot
Espectro de Potência Segundo WMAP
ρ=ρC
Satélite Planck: 2011
Composição do Universo
Blocos fundamentais: Galáxias
Galáxias no UHDF
Lei de Hubble
Mapa 3D do Universo
0v H d
Estruturas complexas: Filamentos, paredes e bolhas,
contendo 80% da matéria luminosa
Mais de 220.000
galáxias
Mapa do Two Degree Field
As escalas no Universo
Existem cerca de 60 bilhões de galáxias no Universo!
60.000.000.000
Velocidades de rotação das estrelas em torno dos centros das galáxias.
G
M r
r
V r
r
( ) ( )2
2
Perto do centro:
ρ = const M(r) r3 V(r) r
Na periferia:
ρ = 0 M(r) = const. V(r) 1/r1/2
A Matéria Escura
Curvas de rotação de galáxias
G
M r
r
V r
r
( ) ( )2
2
Estimativa simples:
3 10Halo VisivelM M
Matéria escura é menos concentrada
Matéria Escura no UniversoEvidências:• Curvas de rotação de galáxias • Movimentos de galáxias e aglomerados• Lentes gravitacionais• Anisotropias da CMBR...
Há ~10x mais matéria escura que matéria usual!Interage muito fracamente (não dissipa nem emite luz), fria.Não pode ser bariônica (gás, planetas, BN): nucleossíntese.Axions, WIMPS (partículas supersimétricas?)Energia provável da ordem do Tev: LHC.
A matéria escura é a componente - que se aglomera - dominante na densidade de massa do Universo
MATÉRIA ESCURA
Desvantagens:• Eventos raros e aleatórios
• Duração curta
Solução:
• Busca automatizada • (SCP, High-z team)
Supernovas do Tipo Ia e Cosmologia
Vantagens:• Luminosidade Extrema
(10109 9 - 10 - 1010 10 LL)
• Altamente homogêneas
Vela padrão
O Universo Acelerado
Diagrama para grandes distâncias com boa precisão
Energia escura: gravidade repulsiva!
Þ O Universo está em expansão acelerada.
Þ Mas
Gravidade é
atrativa!
Energia Escura2/3 da densidade do universo estão sob a forma de Energia
Escura!Evidências:• Expansão acelerada de galáxias distantes• Idade do Universo• Espaço quase plano• Análise combinada de diversos observáveis cosmológicos
Candidatos (Taxonomia da Energia Escura):– Constante cosmológica: energia do vazio quânticoProblema : ρTQC = 1062 ρOBS
– Força (campo) extra:• Quintessência, phantom.
Nova teoria da gravitação!
DARK ENERGY SURVEY: possibilidade de distinguirsobre estas possibilidades.
COMPOSIÇÃO DO COSMOS
Questões Cosmológicas
Isto poderá ser decidido pela observação das pequenas
diferenças de temperatura da radiação de fundo.
1) O que é o Big-Bang?
Se entendido como uma fase quente primordial, quase um fato.
Se entendido como o início de tudo: UM MITO.Nenhuma evidência observacional indica que o Universo teve um começo!
Possibilidade concreta de o Universo não ter tido um começo.
Não conhecemos 97% dos constituintes do Universo!
2) O que é a matéria escura?WIMPS, pode ser encontrada no LHC.
Determina as estruturas do Universo.
3) O que é a energia escura?
Energia do vácuo, novo campo, campo fantasma.
Pode ser determinado no DES.
Determina o futuro do Universo: terá este um fim?
Não (supernovas) se energia escura for a energia do
vazio quântico.
• Sucessos importantes da Cosmologia científica: previsão da expansão do Universo, da radiação de fundo cósmica e suas pequenas anisotropias, da abundância dos elementos leves. Pode-se explicar inúmeras observações com uma teoria simples.
• Avanços notáveis na cosmologia observacional: talvez seja possível testar idéias sobre como era o Universo há muito tempo atrás.
• Entretanto, apenas 4% da matéria do Universo é conhecida. Serão as teorias que estamos usando realmente válidas?
Estes mistérios da Cosmologia podem revelar novos conhecimentos sobre a Natureza!
Assimetria Matéria/Anti-Matéria• No universo primordial: equilíbrio entre
partículas e anti-partículas (equipartição)
• Aniquilação produz fótons:
Assimetria de 1 parte em 109!
106 10n n
n
A Expansão do Universo I
A B C
v-vEm relação a B
2v-2v
A B C
v-v
Em relação a A
Homogênea e aumenta linearmente com a distância
BURACOS NEGROS
UM POSSÍVEL BURACO NEGRO
BURACOS DE MINHOCA