COSMOLOGIA Modelos físicos para a estrutura, origem e evolução do Universo baseados na...

COSMOLOGIA

• Modelos físicos para a estrutura, origem e evolução do Universo

baseados na OBSERVAÇÃO

• Desenvolvimento principal no século XX

teoria da relatividade geral (TRG) cosmologia newtoniana

Histórico da Cosmologia do século XX

• No início: distribução achatada, esferoidal e estática de estrelas : universo de Kaptein

mas “nebulosas espirais” (= galáxias) foraou dentro da distribuição de estrelas?

1915

gravitação = interação física dominate em escalas cosmológicas

na TRG uma manifestação da geometria espaço-tempo

relação entre matéria, energia e geometria

TRG de Einstein fundamental para o desenv. da cosmologia

1917

1o modelo cosmológico relativístivo (Einsten)

universo com espaço estático de curvatura K>0 e cte.+ matéria uniformemente distribuída

introdução da constante cosmológica para o equilíbriodo universo em relação à força gravitacional

1922

Modelos homogêneos e isotrópicos dinâmicos (Friedmann e Lemaître)

universo em expansão a partir de uma singularidade inicial (Big-Bang)

1924

HUBBLE

descoberta das variáveis cefeidas indicadores de distância

“nebulosas espirais” são extragalácticas

determinação da distância de Andrômeda

Universo formado por galáxias

1929

A velocidade de uma galáxia distância

LEI DE HUBBLE

evidência do universo em expansão

1933

Análise do aglomerado de Virgo por Zwicky

1) gravitacionalmente ligado

2) massa total > > m em estrelas

matéria escura

1934

Milne e McCrea

Correspondência entre a dinâmica newtoniana de uma esfera gasosa e a teoria de Einstein

a escala de expansão satisfaz ambas as teorias (para p=0)

1935 Princípio Cosmológico:

Em escalas suficientemente grandes:universo isotrópico e homogêneo

1946Gamow

No começo da formação do universo:matéria quente e densa o suficiente para ocorrer

reações termonucleares

densidade de matéria e energia dominada pela radição

1948

Bondi, Gold e Hoyle modelo do estado estacionário

universo homogêneo no tempo + criação contínua de matéria

Alpher, Bethe e Gamow radiação quente do ínicio do Universo esfriou devido à expansão com Thoje ~ 25 K

Radiação cósmica de fundo (1965): T calculada de 2.726 ± 0.01 K

1963

Maarteen Schmidt quasares

1981Guth modelo inflacionário

Baseado na teoria de grande unificação das partículas elementares

tenta resolver os problemas do modelo cosm. padrão (Big-Bang)

Nos seus instantes iniciais o universo teria sofrido uma transição de fase que teria provocado uma

expansão exponencial (esta expansão = inflação!!)

O modelo cosmológico padrão

• universo começou a formar-se a ~ 10 a 20 Ganos atrás através do Big-Bang

BB = singularidade nas equações que descrevem o universo:

1) T e inicialmente arbitrariamente elevadas

3) Universo se expande com T e diminuindo com t

2) Estágios iniciais do universo dominados pela radição

Conforme T diminui …

Formação das partículas elementares

E do campo de radição é convertido em pares partícula-antipartícula

Para T < 1010 K

nucleossíntese primordial: núcleos de He e D

(até 3 min de idade…)

T < 104 K (t ~ 500 mil anos)

Época da recombinação

<E> dos fótons < E de ionização do H: p e è se combinam Hprimeiros átomos no universo!

densidade da matéria > densidade da radiação

início da ERA DA MATÉRIA

Após a época da recombinação:

Formação dos corpos celestes

Flutuações de densidade = embriões dos corpos celestes

Modelo padrão explica bem:

A) expansão do universo

B) abundâncias do elementos leves H, D e He

C) radiação cósmica de fundo de T=2.7 K

D) Paradoxo de Olbers : porque a noite é escura??

ESTRUTURA DO UNIVERSO

Unidades: 1 M 2×1033 g 1 pc 3.1 × 1013 km 3.3 anos-luz

I. GALÁXIAS

Sistemas autogravitantes constituídos por :•estrelas•gás•poeira•matéria escura•raios cósmicos (90% p, 9% el. + pesados)

inventário da

MORFOLOGIA: CLASSIFICAÇÃO DE HUBBLE

4 tipos básicos:

elípticas espirais barradas

espirais

irregulares

PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS

ESPIRAIS

• disco em rotação, braços de espirais e bojo

• densidade estelar maior no centro do bojo

Sa, Sb e Sc tamanho do bojo

Sc: estruturaespiral“indefinida”

ESTRUTURA DE ESPIRAIS VIA LÁCTEA

HALO : estrelasvelhas

DISCO: gás, poeira,estrelas velhas e jovens

BOJO: estrelas velhas e jovens, sem gás

ÓRBITAS DAS ESTRELAS

• DISCO: órbitas circulares aoredor do centro (v~2d/T)

viz. solar v~ 220 km/sse d=8 kpc ~ 225 milhões de anos p/ fazer uma volta

rotação diferencial

• HALO: comp. randômica >> comp. “ordenada” alta excentricidade

• BOJO: comp. randômica < halo• mas ainda >> comp. “ordenada”

OS BRAÇOS DE ESPIRAIS

Esboço dos braços: emissão em rádio da linha de 21-cm do H pelo gás interestelar

Diâmetro do disco ~ 30 kpc

Espessura ~ 300 pc (estrelas) ~ 140 pc (gás)

viz. solar

MASSA DA GALÁXIA

Para discos de galáxias: gás e estrelas seguem leis de Kepler + Newton a vel. orbital em torno de umpotencial central cresce com a M central e decresce coma distância ao centro

M do volume contido na órbita do Solr ~ 8 kpc; T ~ 225 × 106 anos ~ 1011 M

Para medir a maiores distâncias observações em rádio do gás

velocidade de rotação em cada ponto da Galáxia

curva de rotação

R

GMv

R

GMm

R

mv2

2

Região luminosa até 15 kpc ~ 2 x 1011 M

Mas até 40 kpc ~ 6 x 1011 M região luminosa cercada porum halo escuro

Se toda a massa estivesse concentrada na região luminosa:vel. orbital diminuiria a partir de 15 kpc (v2=GM/R)

Matéria escura:

MAssive Compact Halo Objects(anãs marrons, anãs brancas, etc)

Weakly Interating Massive Particles(partículas subatôminas com m, mas sem interação)

ESPIRAIS BARRADAS

ELÍPTICAS

• sem estrutura espiral e sem disco (maior parte)

• E1…E7 elipticidade

• estrelas velhas, sem formação estelar, sem gás (frio) interestelar

• elípticas gigantes: diâm. ~ n Mpc anãs: diâm. ~ 1 kpc

Galáxia: diâm. ~ 30 kpc

mais comuns

órbitas randômicas

• gás quente (fig. c): T ~ n x 106 K

Massa de elípticas: TEOREMA DO VIRIAL

supondo que as estrelas dentro da galáxias tenham atingidouma situação de equilíbrio orbital, ou seja, as órbitas estão

virializadas

G

2RvM

MvT,2R

GMU

0U2T

2

221

2

V = dispersão de velocidadesR = raio da galáxia

LENTICULARES

• Entre E7 e Sa : S0 sem barra SB0 com barra

• Evidência de disco e bojo, pouco gás e sem estrutura espiral

constituído por estrelas velhas

IRREGULARES

• gás interestelar, estrelas jovens, sem estrutura definida

• Irr1 e Irr2(anãs irregulares : mais comuns)

intensa formação estelar

Observadas a distâncias bem maiores que as galáxias brilhantes:• rádio galáxias núcleos brilhantes que emitem em rádio, associados a galáxias elípticas • quasares (QSO) distâncias muito maiores (grande redshift)

quasar 3c 273

Normalmente galáxias agrupam-se em:• pares• grupos (~ 1 Mpc)• aglomerados ( ~ alguns Mpc) (10% das galáxias)• super aglomerados ( ~ 50-100 Mpc)

massas vão de 1015 a 1016 M (aglom. a super aglom.)

da mesma forma supõe-se aglomerados =sistemas virializados M=2Rv2/G, ondev = vel. média das galáxias e R= raio médio onde se mediu a v

Outra maneira: medir a v individual das gal. E supor que v < vescape

2G

RVM

R

GMmmv

22

21 v= maior v medida

R= distância ao centro do aglom.

II. GRUPO LOCAL

A nossa Galáxia forma um pequeno grupo com : Nuvens de Magalhães a algumas esferoidais anãs

Grupo Local: Galáxia + Andrômeda + dezenas de gal. menores

45 galáxias no total

Massa, diâmetro e distância de algumas galáxiasdo grupo local tabela 1 (pág 8)

vermelho: elípticas azul: espirais branco: irregulares

Andrômeda Galáxia : 800 kpc

III. AGLOMERADO DE VIRGO

M87

M86

• Contém 2500 galáxias

• 3 Mpc de dimensão

IV. O SUPERAGLOMERADO LOCAL

• tamanho total ~ 40-50 Mpc (junto com Centaurus e Hydra)

Grupo local situa-se a18 Mpc do centro (centro ~ aglomerado de Virgo)

muitos superaglomerados apresentam estruturas filamentaresou paredes (assinalado em vermelho na fig.)

vazios ~ 50h-1 Mpc

similar ao tamanho dosaglomerados...

• mapas construídos atavés da lei de Hubble (vrec d)• survey com 1057 galáxias• distâncias são dadas assumindo-se h=65 km/s/Mpc

distâncias estimadas com h=65 km/s/Mpc

V. RADIAÇÃO DE FUNDO

• fontes distantes ou meio intergaláctico

• microondas é mais intenso ( entre 80 cm e 1 mm)

• espectro de corpo negro com T = 2.7 K

Detectada por Penzias e Wilson (1964) durante pesquisasobre a interferência nas comunicações via satélite

Modelo cosmológico padrão: supõe ser relíquia dos instantes iniciaisdo universo (radiação primordial) radiação de altíssimas energias

( ~ raios gamma) observado hoje com ~ rádio

• rad. Homogênea, contendo anisotropias de amplitude T/T ~ 10-5

Satélite COBE = Cosmic Background Explorer (1989)

+ tarde serão discutido os resultados do COBE

Mediu a radiação de fundo em vários s

corpo negro de 2.735 K