Cosmologia 2

AGA 210 10 S / 2014Hubble Ultra Deep Field-HST/ACS

Agradecimentos: Prof. Gastão B. Lima Neto - IAG

singularidade

tempo

• Vimos no Roteiro 23 que o Universo está se expandindo a partir de um evento denominado “Big Bang”.

• Vamos ver neste Roteiro que conforme o Universo se expande a temperatura diminui, a densidade também, tendo como consequência uma evolução. Esta evolução resulta em diferentes fases, onde alguns eventos vão ocorrer caracterizando o que chamamos de Eras de evolução do Universo.

Evolução do Universo Visão Clássica – sem inflação...

Física desconhecida

Gravidade quântica

Forças forte, fraca e eletromagnéticas unificadas

Partículas pesadas e leves em equilíbrio térmico

Só leves em equilíbrio térmico neutrinos desacoplam

Deutério e He formados por fusão de prótons durante os primeiros 1000 seg.

A matéria começa a dominar. Átomos são formados. A radiação eletromagnética desacopla

Galáxias e estrutura de grande escala formam-se Todas galáxias se formaram. A formação estelar continua

Era

da

radi

ação

Era

da

mat

éria

Uma breve história

O Big-Bang (BB)...uma visão resumida e atual da evolução do Universo...

• 1973 Tryon propõe que a origem do BB está associada a flutuações quânticas do vácuo...! O vácuo# aqui seria associado a fonte de energia...

A expansão ocorreria devido a um processo de liberação de energia do calor latente da transição de fase prevista na Teoria da Grande Unificação, onde a força gravitacional seria separada das outras forças da natureza ( eletromagnética, forte e fraca) que reconhecemos hoje, mas eram unificadas no que chamamos de Tempo de Planck.

Segundo a TRG o vácuo teria a propriedade de acelerar o Universo, exercendo pressão negativa, tendo portanto a gravidade um carater repulsivo.

-> Tempo de Planck: 0 até 10–43 segundos que equivale a 1,6 x 10-43 centímetros. -> Na época de Planck, o Universo estava MUITO quente e denso. # PS: Para uma maior compreensão sugiro texto de Mario Livio, “A Energia Escura e o Destino do Universo”, que se encontra no site da disciplina....

O Big-Bang (BB)...uma visão resumida e atual da evolução do Universo...

• Assim, neste início de evolução do Universo a física que conhecemos hoje não consegue explicar esta fase de evolução, já que para tanto seria necessário unificar a Teoria da Relatividade e a Física Quântica – um processo em gestão...denominado Teoria de Tudo.

• Em relação ao destino desta evolução, 2 possibilidades são contempladas:

1- Expandirá para sempre, indefinidamente, caracterizando o que se denomina Universo Plano (E=0) ou Universo Aberto (E>0 –> energia da expansão > energia potencial gravitacional) 2- Expansão é interrompida, ocorreria um colapso e novamente se expandiria, caracterizando o que chamamos de Universo Fechado. Este caso ocorreria caso a atração da gravidade da matéria-energia fosse suficientemente grande para interromper a expansão (E<0)

0,00000000000000000000000000000000000000001 segundos(tem 40 zeros depois da vírgula)

Representação do espaço-tempo extremamente caótico logo após o BB

Conteúdo do Universo...pode então oferecer um caminho para verificar esta questão da expansão...

energia escura70%

matéria escura26%

átomos, 4%

• Matéria escura + Energia Escura correspondem a 96% da energia total.

• O Universo parece estar se expandindo com velocidade (v) = velocidade de escape (ve) , implicando em uma interpretação de que continuará se expandindo para sempre....!

Até aqui estaríamos vendo a fase inicial da evolução do Universo....Vamos ver agora a fase logo a seguir, definida como sendo o período de Inflação...

AGA 210 10 S / 2014Hubble Ultra Deep Field-HST/ACS

Agradecimentos: Prof. Gastão B. Lima Neto - IAG

fase inicial

A Era da Inflação• Nos anos 70 e 80 os físicos teóricos tentaram unificar as três forças não-gravitacionais

do Universo: - o eletromagnetismo, - a força "forte" (estabilidade do núcleo atômico) e - a força "fraca" (aquela que tem um papel importante nos decaimentos

radioativos), em uma superforça generalizada.

• Uma previsão geral das teorias de unificação que descrevem as superforças é que as três forças são unificadas e não distinguíveis em regimes de energias altíssimas, correspondendo a temperaturas maiores que 1028 K.

• A temperaturas baixas a superforça se divide em três, revelando o caráter de forca eletromagnética, forte ou fraca.

• No começo dos anos 80 os cosmologistas descobriram que as teorias de unificação tinham uma implicação extraordinária se aplicadas ao começo do Universo.

• Aproximadamente 10-34 s após o Big Bang, as temperaturas caem abaixo de 1028 K e as forças básicas da natureza se reorganizam: o Universo, por um período de tempo muito curto, entra em um estado instável, de alta densidade de energia, que os físicos chamam de "falso vácuo".

• Por um tempo curtíssimo, o espaço vazio adquiriu uma pressão enorme, que temporariamente foi maior que a gravidade e acelerou a expansão do Universo a uma taxa altíssima.

• Este período de grande expansão cósmica foi conhecido como a Época da Inflação.

A Era da Inflação

Eventualmente, o Universo retornou para o estado de "vácuo verdadeiro" e a inflação parou.

A Teoria da Iinflação propõe que as galáxias teriam sido formadas a partir de sementes geradas no período inflacionário.

O episódio inteiro durou somente 10-32 s, mas durante este tempo o Universo aumentou em tamanhopor um fator de 1050 (ver próximo slide).

O vácuo então retoma a normalidade e o Universo retomo também sua expansão relativamente lenta, tendo seu movimento desacelerado pela gravidade.

Infl ação

Época de Planck

Tempo desde o Big Bang

Tam

anho

do

univ

erso

(m

)

A Era da Inflação

Inflação

• Em 0,0000000000000000000000000000000001 segundos(tem 33 zeros depois da vírgula)

• Universo ainda é MUITO quente e denso• Ocorreria um aumento exponencial no tamanho do Universo

Infl ação

Época de Planck

Tempo desde o Big Bang

Tam

anho

do

univ

erso

(m

)

• O que teria causado a inflação?

• Imagina-se que poderia ter ocorrido pelo que se chama de transição de fase.

• Por exemplo, a transformação da água em gelo (transição líquido-sólido) é uma transição de fase que libera energia latente da água.

• Da mesma forma, uma transição de fase no Big Bang teria liberado energia latente, responsável pela expansão súbita do Universo.

A Era da Inflação

Inflação

1- Universo plano:

• Hoje, observamos que o universo é plano (ou praticamente plano).

• Sem a inflação a teoria do Big Bang clássica não consegue explicar satisfatoriamente este nivelamento do universo.

– o universo expande tanto que, na região onde vivemos, ele é efetivamente plano.

– semelhante a descrever a curvatura da Terra dentro da sala de aula.

Problemas com o modelo cosmológico clássico (pré 1980):

Inflação

2- Problema do Horizonte

– 2 pontos separados por mais de ~2° não estariam em contato causal. – Como o Universo pode ser tão uniforme em toda esfera celeste como mostra a

Radiação Cósmica de Fundo?

– A Radiação Cósmica de Fundo é um sinal eletromagnético proveniente das regiões mais distantes do Universo, remanescente do estado quente em que o Universo se encontrava....

Problemas com o modelo cosmológico clássico (pré 1980):

RCF

Inflação

• 2- Problema do Horizonte

Problemas com o modelo cosmológico clássico (pré 1980):

• A Inflação nos permite entender como o material que hoje está fora do nosso horizonte causal , pode ainda ter as mesmas propriedades físicas, como se infere a partir da radiação cósmica de fundo

Aniquilação da Anti-matéria

• 0,00000000001 segundos(tem 9 zeros depois da vírgula)

• Universo ainda é MUITO quente e denso

• Quando o universo esfria o equilíbrio se perde e ocorre uma assimetria cujo resultado é que a antimatéria é virtualmente erradicada.

• 1 em cada bilhão de partículas sobrevive.

• Após a fase de inflação, o Universo continuou a expandir e a resfriar, mas em ritmo mais lento.

• Quando o universo era muito quente e denso, os fótons podiam produzir um par de partículas de matéria e antimatéria que se aniquilavam e eram produzidos continuamente e tudo estava em equilíbrio.

Bariogênese...formação dos protons e neutrons via quarks

• T= 0,00001 segundos (tem 4 zeros depois da vírgula)• Universo ainda é MUITO quente e denso

Léptons

Quarks

• Grupos de 3 quarks formam bárions. Os dois bárions mais conhecidos são: nêutrons e prótons. Esta época é chamada de Bariogênese (formação de bárions – partículas massivas).

• Quarks são partículas fundamentais da Natureza e formam todos os hádrons (partículas compostas por quarks).

Exemplo de Lépton: o elétron

Nucleossíntese Primordial

• Ocorre entre 1 segundo e 5 minutos

• Termina quando T ~ 1 bilhão de graus, densidade ~ água

• Formam-se os elementos leves: deutério, hélio, lítio, berílio e boro.

núm

ero

de p

róto

ns

número de nêutrons

• Nucleossíntese significa produção de núcleos atômicos a partir da fusão termonuclear de núcleos mais leves.

Nucleossíntese Primordial

Medidas independentes daabundância de 4He, Deutério, 3He, e Lítio concordam entre si (ou quase…)

Previsão teóricaX

observação

Apenas a nucleossíntese primordial pode produzir ~24% (em massa) de He. densidade de prótons e nêutrons

abun

dânc

ia r

elat

iva

Formação dos Átomos Neutros

• 400.000 anos• T ~ 3000 graus,

• densidade ~ 10.000 átomos/cm3

• Enquanto os átomos estão ionizados, o universo é opaco à radiação.• Quando o universo se esfria, ele se torna transparente.• Origem da radiação cósmica de fundo, hoje, com 3K.

• Prevista desde os anos 1950.

Observada em 1964:

Prêmio Nobel em 1978 para Arno Penzias e Robert Wilson

passagem do tempo

Recombinação

Formação dos Átomos Neutros

• A radiação cósmica de fundo se forma com 3000K, mas hoje medimos com 2,725 K devido a expansão do Universo.

(Wayne Hu)

• A esta temperatura não há mais fótons com energia suficiente para manter a matéria ionizada então os núcleos começam a capturar e reter os elétrons.

• Os átomos se tornaram neutros e o Universo ficou transparente para a radiaçãoeste momento é chamado de Era da Recombinação.

• Ocorre em t=400.000 anos

• T ~ 3000 graus, densidade ~ 10.000 átomos/cm3

valor que coincide com o valor esperado pela Teoria do Big Bang.

Redshift Cosmológico

(Wayne Hu)

• O comprimento de onda da radiação eletromagnética aumenta proporcionalmente à expansão do Universo.

• Este fenômeno dá origem ao desvio para o vermelho cosmológico.

Idade das trevas

• Fim da idade das trevas: T ~ 30 K, densidade ~ 10 átomos/m3

• Há apenas a radiação cósmica de fundo, no infravermelho

idade das trevas

• Passada a época da Recombinação, o Universo entrou em uma fase em que não havia qualquer fonte de luz, a chamada Idade das Trevas.

Foi nessa época que se formou a teia cósmica traçada pela matéria escura.

entre 400 mil e 400 milhões de anos

Formação das estrelas, galáxias, planetas…

• entre 400 milhões de anos até hoje

• T ~ 2,725 K, densidade ~ 1 átomo/ 1000 litros

• Universo volta a se iluminar• Radiação cósmica de fundo, em micro-ondas (200 GHz)

Formação das estrelas, galáxias, planetas…

Campo profundodo Hubble

Quinteto de Stefan,Gemini

Aglomerado de Coma,CFHTSol, SOHO NGC6751

Do Big Bang até hoje

• Radiação cósmica de fundo se forma.

• Quasares e galáxias conhecidos mais distantes.

Big Bang

Recombinação400 mil de anos após o Big Bang

“Idade das trevas”

1as estrelas e Quasares 400 milhões de anos

“Renascimento” cósmico

Fim da idade das trevasuniverso reionizado 1 bilhão de anos

Galáxias evoluem

Sistema Solar se forma 9 bilhões de anos

Nós, hoje 13,6 bilhões de anos

Evolução da densidade (ρ) das três principais componentes do Universo: radiação, matéria (escura e bariônica), e energia escura. As Eras são definidas pela intersecção da reta representando a densidade de matéria com a densidade de radiação e a densidade de energia escura.

Uma Breve história do Universo

SN: permitem testar a geometria do Universo a grandes distânciasOs dados de distâncias de SN indicam que o Universo está se acelerando, ao

contrário do que se previa considerando a gravidade...

Uma Breve história do Universo

Então já conhecemos a origem e destino do universo?...só uma boa noção

• O que acontece no Big Bang?• Pode haver algo antes do Big Bang?• Porque o universo é como ele é?• Como se formaram e onde estão as primeiras estrelas?• Como se formaram as galáxias?• Qual será o destino do universo?• O que é “matéria escura”?• O que é “energia escura”?

Não !

Antes do Big Bang?A Teoria de Tudo precisa combinar a teoria de Relatividade Geral (gravitação)com a teoria quântica. A mais promissora teoria no momento é a de supercordas (superstrings), proposta originalmente pelo fíısico inglês Walter Bannerman Kibble (1933-)

– Necessita 10 dimensões espaciais.

– Descreve as partículas elementares como modos de vibração, cordas unidimensionais fechadas que vibram. O conjunto de cordas formam os quarks, elétrons, neutrinos, etc.

• Nosso universo estaria confinado em uma membrana (“brana”) .

• Big Bang seria o resultado de uma colisão de branas.Extremamente especulativo ainda…

Fim