Ioav Waga Instituto de Física GEA /Observatório do Valongo UFRJ De Onde Viemos? O Universo...

Ioav WagaInstituto de Física

GEA /Observatório do Valongo

UFRJ

De Onde Viemos?

O Universo Primitivo

Astronomia Para Poetas

“Omnibus ex nihil ducendis sufficit unum”Leibniz

Uma visão do Universo por volta de 2000 a.C.Uma visão do Universo por volta de 2000 a.C.

O deus-sol Ra criou a si mesmo, juntou-se a sua sombra e tornou-se pai de gêmeos, Shu, o deus do ar, e Telnut, a deusa da chuva. Shu e Telnut uniram-se e também tiveram gêmeos, o deus-terra Geb e a deusa-céu Nut. Geb e Nut por sua vez uniram-se, mas o avô, Ra, zangado e ciumento ordenou que Shu os separasse e que mantivesse Nut bem acima da Terra, como convém a uma deusa-céu. Desde então, Nut toca a Terra somente com as pontas de seus dedos das mãos e dos pés. Sua barriga, coberta de estrelas, que são seus filhos, formam o arco do firmamento.

Uma visão do Universo por volta de 1000 d.C.Uma visão do Universo por volta de 1000 d.C.

Nessa época os modelos de Universo consideravam que a Terra estava no centro de tudo e que o céu era uma tampa com buracos. A luz proveniente de fogos ardendo no lado de fora brilharia através dos buracos e alcançaria a Terra como a luz das estrelas.

Uma visão do Universo por volta de 1500 d.C.Uma visão do Universo por volta de 1500 d.C.

Niclas Kopernik(1473 – 1543)

Uma visão do Universo por volta de 1900 d.C.Uma visão do Universo por volta de 1900 d.C.

30,000 anos luz

Sistema SolarComposição: estrelas Organização:

Origem: ?William Herschel

(1738-1822)

Uma visão do Universo por volta de 2000 d.C.

Preliminares

-12

-9

-6

-3

-2

-1

3

6

9

12

prefixo potencia de 10

Pico 10

Nano 10

Micro 10

Mili 10

centi 10

Deci 10

Kilo 10

Mega 10

Giga 10

Tera 10

Notação científica

Diâmetro do núcleo atômico = 10-13 cm

Distância Terra - Sol = 1.5 x 1013 cm

Distância Sol- Andrômeda = 2.2 x 1023 cm

1023 = 100000000000000000000000

1 parsec = 3,26 anos-luz = 3,09 x 1013 Km

1 Giga = 109 = 10000000001 Mega = 106 = 10000001 Kilo = 103 = 10001 Mili = 10-3 = 0,0011 Micro = 10-6 = 0,000001

PreliminaresGrandes Números

Nossa galáxia possui 100 bilhões (1011) de estrelas.No Universo observável há 100 bilhões (1011) de galáxias.No Universo observável há portanto 1022 estrelasUm balde cheio de areia possui 1 bilhão de grãos de areia.Cem baldes cheios de areia terão 100 bilhões (1011) de grãos de areia que é igual o número de estrelas na galáxia.Em todas as praias do mundo há em torno de 1023 grãos de areia.

Número de células no corpo humano – 1014

Número de átomos em um grama – 6 x 1023

Número de átomos no corpo humano – 6 x 1023 x (60 x 103 g) = 4x1028

Número de prótons no Universo observável - 1078

Preliminares Um dos objetivos da Cosmologia é estudo da

estrutura do Universo em grandes escalas.

Estruturas encontradas no Universo:

EstrelasGaláxiasAglomerados de galáxias

Vazios e Filamentos

Preliminares Quando olhamos para o espaço estamos vendo o Universo em seu passado.

A luz de Andromeda, por exemplo, leva 2.3 x 106 anos para chegar até nós.

O Universo tem uma história. Existe uma evolução no Universo. É também objetivo da Cosmologia entender esta evolução.

100 bilhões Em todo o céu

3000 galáxiasaqui

Hubble

Deep

Field

Uma visão do universo por volta de 2000 d.C.Uma visão do universo por volta de 2000 d.C.

Edwin Powel Hubble: 20/11/1889 - 28/9/1953

Observatório do Monte Wilson

• 1923 - Hubble observa 2 novas e uma estrela variável em Andrômeda.

• A estrela variável foi uma descoberta fundamental!

• Por que?

• Após uma sequência de observações Hubble concluiu que a estrela variável era uma Cefeida.

Andrômeda

ANDRÔMEDA

Um esquema de nossa galáxia

1kpc = 1000 pc = 3260 anos luz

Grupo Local

Distância ou tamanho Simbolo Valor Valor Relativo

Raio da Terrra RT 6371 Km Raio do Sol RS 696000 Km 100 RT

Distância Terra - Sol AU 150 x 106 Km 200 RS

1 parsec pc 3.09 x 1013Km 200000 AU

Estrela + próxima R* 1.275 pc 7 x 107 RS

Distância Sol - centro da galáxia

RG 10 kpc 8000 R*

Raio do grupo local (Andrômeda)

RA 670 kpc 70RG

Aglomerado + próximo (Virgem)

RV 11 h-1 Mpc 30RA

Raio do Universo observável RU 3000 h-1Mpc 300RV

Idade• Universo – ~ 14 bilhões de anos• Terra – 4,5 bilhões de anos (45 anos)• Primeiras formas de vida (35 anos atrás)• A vida nos oceanos florece abundantemente (6 anos atrás)• Plantas e animais na terra (4 anos atrás)• Dinossauros atingem o máximo 1 ano atrás e desaparecem a ~

4 meses• Os primeiros humanoides aparecem na última semana.• A nossa espécie (homo sapiens) só surge a 4 horas atrás.• A agricultura foi inventada na última hora.• O Brasil foi descoberto a 3 minutos atrás.

O modelo padrão da O modelo padrão da CosmologiaCosmologia

• A cosmologia moderna parte de algumas hipóteses de trabalho.

As leis da física, válidas no sistema solar valem também para o resto do Universo.

As leis da física, podem também ser extrapoladas para o passado.Principio de Copérnico: não ocupamos um lugar privilegiado -

somos observadores típicos.Princípio Cosmológico: o Universo é espacialmente homogêneo e

isotrópico.isotropia local + homogeneidade = isotropia global

Gravitação é dominante em grandes escalas.Alcance das interações fraca e forte ~ 10-13 cm. Embora

e2/GMp2 >>1, os grandes agregados são eletricamente neutros.

A. A. Friedmann

Os 3 pilares básicos da Cosmologia

1. A expansão do universo

1

A expansão do Universo A expansão do Universo

Hubbledistância

recessão

de

velocidade

H

A lei de Hubble

Não há centro do Universo

Para onde estão as galáxias se expandindo?

Sim

Não

Curvatura espacial nula

Curvatura espacial positiva

Curvatura espacial negativa

A expansão do Universo

tempo

Sep

araç

ão e

ntr

e g

aláx

ias

Desacelerado sem recolapso

Desacelerado com recolapso

Acelerado

Kolb

Os 3 pilares básicos da Cosmologia

2. A existência de uma radiação cósmica de fundo de microondas

2

A Radiação Cósmica de FundoEm 1964, os rádio-astrônomos Arno Allan Penzias (1933-) e Robert Woodrow Wilson (1936-) do Bell Laboratories descobriram acidentalmente a radiação cósmica de fundo de microondas. Essa descoberta é uma enorme confirmação do chamado modelo padrão da Cosmologia e por essa descoberta eles receberam o prêmio Nobel em 1978. A radiação cósmica de fundo havia sido predita nos anos 40 por George Gamow (1904-1968) e seus estudantes Ralph Asher Alpher e Robert Herman, como a radiação remanescente do estado inicial do Universo, ou mais precisamente, de quando ele ficou transparente à radiação, isto é, quando o Universo tinha ~300000 anos.

Penzias e Wilson

Superfície de último espalhamento (z ~1000)

Universoopaco

Núcleos e elétrons livres

Terra

Universo transparente

Átomos

• Características principais:

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

• A radiação é, altamente isotrópica T/T ~ 1.2 x 10-5 .

• Contudo ela possui uma anisotropia dipolar, T/T ~ 1.2 x 10-3 , que decorre da nossa velocidade em relação ao referencial da radiação de fundo; v ~ 360 km/seg

A Radiação Cósmica de Fundo

COBE1989

RadiaçãoIsotrópica

Sem desvio

Sem desvio

Desvio para o azul

Desvio parao vermelho

Terra

Universo Observável

Problema de horizonte ou isotropiaLimite de influência < 2˚As 2 regiões não possuem conexão causal entre elas.

Tam

anho

do

Uni

vers

o ob

serv

ável

(m

)

Tempo (Segundos)

10-40 10-30 10-20 10-10 1 1010

10-6

0

10-4

0 1

0-20

1

10

20

10

40

Expansão Usual

Período Inflacionário

Hoje

A. Guth

O cenário Inflacionário

Os 3 pilares básicos da Cosmologia

3. A formação de elementos leves

3

A formação de elementos leves

Em 1946, Alpher, Bethe e Gamov sugeriram a possibilidade de que todos os elementos químicos teriam sido gerados através de uma longa cadeia de captura de nucleons em 1 Universo primordial em expansão e que estaria esfriando-se. O esquema falha pois não há elementos leves estáveis com número de massa 5 e 8.

Alpher Bethe Gamov

A formação de elementos levesNucleosíntese Primordial

p

n 2H

p 3He

4Hen

2H

4He 3He

6Li 7Li

9Be

1HA=5

A=8

+2He(Raro)

Predições estão basseadas em física bem conhecida

Predições da teoria:– Forma, essencialmente,

Hydrogênio & 4Hélio– Também forma 2H, 3He, Li.– Depende da razão entre

prótons e neutrons na época e da taxa de decaimento do neutron.

• Razão (p:n) = 7:1– Abundância (por massa) de

hélio = 25% do total.

A formação de elementos levesNucleosíntese Primordial

He

D

LiA

bu

nd

ânci

a R

elat

iva

1

10-3

10-6

10-9

Densidade Atual de Bárions Bh2

0.01 0.020.005

Regiãopermitid

a

~25%

Valor Observado Valor Predito

As observações estão em excelente acordo com as previsões teóricas.

Forte suporte ao modelo padrão da Cosmologia

3

10

; hoje 10 prótons/m

1 0 /

0

BB cr

cr

H h km seg Mpc

GlashowEletromagnetismo

Salam

Weinberg

EletrofracFraca

a

O modelo padrão da Física de O modelo padrão da Física de PartículasPartículasA BUSCA DA UNIFICAÇÃO

Mecânica CelesteNewton

Mecânica Terrestre

EletricidadeMaxwell Eletromagnetismo

Magnetismo

Georgi Eletrofraca Grande Unificação (?)

Glashow Forte

E A GRAVITAÇÃO ?

SUPERCORDAS, TEORIA M ???

Por que a busca da unificação?

1) Fenômenos sem relação aparente surgem como tendo a mesma origem.2)Parâmetros arbitrários passam a ter uma explicação.3)Simplicidade (razão estética).

O modelo padrão da Física de O modelo padrão da Física de PartículasPartículas

(3) (2) (1)C L YSU SU U

• Excelente base experimental .

• Contudo, os físicos de partículas não estão satisfeitos e não acreditam que essa seja a última teoria.

Algumas razões:1. Estrutura de grupo complexa.2. 21 parâmetros livres.3. Por que a carga elétrica do próton é igual, em valor absoluto,

a do elétron ?4. Por que os férmions repetem-se em famílias ?5. Não há uma explicação para a origem da matéria escura.

O modelo padrão da Física de PartículasO modelo padrão da Física de Partículas

1. Interação Eletromagnética (QED)

A força esta associada a carga elétrica

ESPAÇO

TEMPO Elétron

Fóton

As partículas elementares

3

FAMÍLIAS

SABORMASSA

GeVCARGA

ELÉTRICA SABORMASSA

GeVCARGA

ELÉTRICA

O modelo padrão da Física de PartículasO modelo padrão da Física de Partículas

• Os quarks possuem outra propriedade além da carga elétrica. Os

quarks possuem COR

Eles apresentam-se em 3 cores Verd

Verm

e

Azul

e R

A

V

lho

• Os léptons não possuem cor. Eles não sofrem a interação forte.

Antipartículascarga elétrica oposta

cor oposta

2. A Interação Forte

Cromodinânica Quântica - QCD

O modelo padrão da Física de PartículasO modelo padrão da Física de Partículas

Os quarks estão confinados em hádrons

Só existem 2 possibilidades:1. 3 quarks com cores distintas2. Quark e antiquark com cores e anticores

correspondentes.

Próton Neutron

u d

d

u

d u

+Méson u

d

O modelo padrão da Física de PartículasO modelo padrão da Física de Partículas2. A Interação Forte – Cromodinânica Quântica - QCD

Cromo – A força atua não sobre a carga elétrica mas sobre a carga de cor. A força é também proporcional ao produto das cargas.QCD possui os mesmos princípios que a QED, porém é mais complexa.

QED – 1 carga (elétrica)QCD – 3 cargas (cor)

QED – 1 mediador (fóton)

QCD – 8 mediadores (gluons)

Interação Forte

Méson +

spin

L - esquerdo

O modelo padrão da Física de PartículasO modelo padrão da Física de Partículas3. A Interação Fraca

Direção do movimento

spin

R - direito

Direção do movimento

•A interação fraca distingue se a partícula é direita ou esquerda. • Somente partículas direitas e antipartículas esquerdas possuem carga fraca. A interação fraca praticamente dobra o número de partículas Primeira geração: 2 léptons e 6 (2x3) quarks = 8 partículas8 partículas + 8 antipartículas => 16 x 2 (R , L) = 32 partículasSó são encontradas na natureza neutrinos esquerdos e antineutrinosdireitos => 32 – 2 = 30 partículas

A interação fraca possui 3 mediadores

+

-

0

CF CE

W +1 +1

W -1 -1

W 0 0

Neutron

Próton

A Interação Fraca

Decaimeto do Neutron

Mediador

Atua sobre

Gráviton

Todas

Gravidade

W+ W- Z0

Quarks Léptons

Fraca Eletromagnética

Fóton

Quarks Léptons

carregados

Eletrofraca Forte

Gluon

Quarks Gluons

110-210-510-39Intensidade

Tempo Temperatura do

Universo Energia

hoje

Gra

vid

ade

Ele

trom

agn

etis

mo

For

ça F

raca

For

ça F

orte

O Universo Primitivo

1. T < 1 GeV ~ 1.2 x 1013 oK – física bem conhecida

2. 1 GeV < T < 1016 GeV – até 100 GeV a física é razoavelmente conhecida ; para T > 100 GeV as predições dependem de modelos.

3. 1016 GeV < T < 1019 GeV – bastante especulativo. Para T > 1019 GeV a gravitação deve ser quantizada.

História do Universo

Era GUT

Era Planck

Inflação

Era EletrofracaT. Fase Eletrofraca

T. Fase Quark-Hádron

Nucleosínteseprimordial

Desacoplamento matéria radiação

Formação de galáxias

Futuro PossívelFuturo Possível

dodo

UniversoUniverso

t

bilh

ões d

e b

ilhõ

es de an

os

Fim do Universo

Botafogo volta aPrimeira Divisão

Cen

tenas d

e B

ilhõ

es de an

os

Até o Inferno congela

Cen

tenas d

e b

ilhô

es ano

s

Sol torna-se uma gigante

vermelha

19 bilh

ões

de an

oss

14 bilh

ões

de an

os

Hoje

Kolb

Maiores avanços teóricos e sucessos da Cosmologia no século XX

Relatividade Geral como teoria de gravitação ; existência de um quadro auto-consistente.

Expansão do Universo e a lei de Hubble (1929) .Alpher, Herman e Gamov fazem a previsão da existência de uma RCF de 3oK.Descoberta da RCF por Penzias e Wilson (1964).Previsão da nucleosíntese primordial (Alpher, Bethe e Gamov - 1948).

Concordância da teoria com as observações.Previsão da existência de matéria escura (não bariônica) e seu papel na

formação de estruturas.Inflação e o problema das condições iniciais no Universo (Guth – 1980). Origem

das flutuações de densidade para formação de estruturas.Bariogênese e assimetria matéria e antimatéria.Energia escura e a aceleração da expansão (1998).

Grandes questões abertas

Natureza da matéria e da energia escura.Gravitação quântica e a origem do Universo.Quadro mais completo para a formação de galáxias e aglomerados.

• Cosmology: The Science of the Universe - E. R. Harrisson

• Astronomy Today – Chaisson & McMillan

• Uma biografia do Universo – F. Adams e G. Laughlin

• A Short History of the Universe - J. Silk

• Os 3 Primeiros Minutos – S. Weinberg

• Dobras no Tempo – G. Smmot & K. Davidson

• A expansão do Universo: Notas didáticas do IF/UFRJ - I. Waga

http://www.if.ufrj.br/~ioav/nota.html

O conceito de elementos

Para Aristóteles existiam4 elementos

Dalton (1808) listou, vários elementos que hoje reconhecemos.Terra

ÁguaFogo

Ar

A Tabela Periódica

Mendeleev (1869) introduziu a tabela periódica.

A estrutura dos átomos

Rutherford (1912)mostrou que os átomos contem um núcleo central.

Elétrons giram em torno do núcleo

10-10

m

A estrutura do núcleo

Os núcleos possuemprótons com carga+e e neutrons sem carga elétrica.

10-14

m

10-15

m

A estrutura dos nucleons

Neutrons e prótons são formados por quarks

<10-18

m

Estrutura dos quarks?

Não há evidência de outras estruturas

?

Antimatéria

P A M Dirac previu a existência do pósitron em 1928.

A equação de Dirac implica:

massa do pósitron = massa do elétron

carga do pósitron = + e

Descoberta de antimatéria

Anderson (1932) descobriu o pósitron

Produção de pares Aniquilação de pares