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Cosmologia 4 - Da origem ao fim do universo

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Módulo 4 do curso de cosmologia oferecido pelo Observatório Nacional

Text of Cosmologia 4 - Da origem ao fim do universo

  • Mdulo 4Os modelos cosmolgicos

    Ensino a DistnciacosmologiaDa origem ao fim do universo

    2015

  • Imagem que ilustra a hiptese de um "atalho" atravs do espao e do tempo, de acordo com a teoria da relatividade geral de Albert Einstein. Essa hiptese conhecida por Buraco de Minhoca no espao, pois tornaria mais curto o caminho entre dois pontos distantes. O termo Buraco de Minhoca foi criado pelo fsico John Archibald Wheeler em 1957, apesar desta ideia ter sido proposta em 1921 pelo matemtico Hermann Weyl.

    Crdito: Wormhole Anomalous criado por 3RDAXIS Design

    Esta publicao uma homenagem a Antares Cleber Crij (1948 - 2009) que dedicou boa parte da sua carreira cientfica divulgao e popularizao da cincia astronmica.

    Presidente da RepblicaDilma Vana Rousseff

    Ministro de Estado da Cincia, Tecnologia e InovaoJos Aldo Rebelo Figueiredo

    Secretrio-Executivo do Ministrio da Cincia, Tecnologia e Inovaolvaro Doubes Prata

    Subsecretrio de Coordenao de Unidades de PesquisasKayo Jlio Csar Pereira

    Diretor do Observatrio NacionalJoo Carlos Costa dos Anjos

    Observatrio Nacional/MCTI (Site: www.on.br)Rua General Jos Cristino, 77So Cristvo, Rio de Janeiro - RJCEP: 20921-400

    Criao, Produo e Desenvolvimento (Email: [email protected])

    Carlos Henrique VeigaCosme Ferreira da Ponte NetoRodrigo Cassaro ResendeSilvia da Cunha LimaVanessa Arajo SantosGiselle VerssimoCaio Siqueira da SilvaLuiz Felipe Gonalves de Souza

    2015 Todos os direitos reservados ao Observatrio Nacional.

    Equipe de realizao

    Contedo cientfico e textoCarlos Henrique Veiga

    Projeto grfico, editorao e capaVanessa Arajo Santos

    Web DesignGiselle VerssimoCaio Siqueira da Silva

    ColaboradoresAlexandra Pardo Policastro NatalenseNey Avelino B. SeixasAlex Sandro de Souza de Oliveira

  • Mdulo 4

    Ensino a DistnciacosmologiaDa origem ao fim do universo

    2015Os modelos cosmolgicos

  • 224 Mdulo 4 Os modelos cosmolgicos

    AS CONSEQUNCIAS DE UM UNIVERSO EM EXPANSO

    Entender o que significava a expresso universo em expanso foi a am-bio dos cientistas do sculo XX. Esta uma questo to sutil que ainda hoje aflige tambm muitas pessoas interessadas em cosmologia e sua explicao, muitas vezes, serve para afast-las de uma das partes mais elegantes da ci-ncia moderna. Vamos tentar simplificar o assunto baseando-nos no que j foi apresentado at agora, em particular o conceito de deslocamento para o vermelho das galxias.

    A frase universo em expanso , por si mesma, muito estranha. J dis-semos que a palavra universo engloba tudo: toda a energia, toda a matria, enfim tudo, absolutamente tudo que existe. Ao mesmo tempo, qualquer um de ns sabe bem o que significa expandir: crescer, aumentar, ocupar mais espao.

    Existe ento algo confuso na expresso universo em expanso. Se o uni-verso se expande, isso quer dizer que ele cresce, aumenta, ocupa mais espao. Mas como isso possvel? Se o universo representa tudo, como ele pode cres-cer? Como ele pode ocupar mais espao?

    Existem duas maneiras de explicar o significado de universo em expan-so. A primeira delas astrofsica e ser a nica abordada no momento.

    J vimos que a luz proveniente das galxias distantes est sofrendo um deslocamento para o vermelho ou redshift. Muitas tentativas foram fei-tas para mostrar que esse deslocamento era apenas algum efeito especial tal como o efeito de Sitter comentado anteriormente. Todas falharam. A nica explicao vivel que esse deslocamento das linhas espectrais para o ver-melho est revelando que todas as galxias esto se afastando de ns. Alm disso, a relao distncia-velocidade descoberta por Hubble e Humason nos diz que quanto mais afastadas esto duas galxias mais rpido elas continuam a se afastar.

    Esse afastamento no est ocorrendo por existir alguma coisa especial com a nossa Galxia. O que a astrofsica mostrou que, ao mesmo tempo em que todas as galxias esto se afastando de ns, elas tambm esto se afastando umas em relao s outras. Todas as galxias se afastam de todas as outras ao mesmo tempo. Na verdade no existe qualquer regio especial, em algum lugar entre as galxias onde essa expanso comeou. Os cosmlogos dizem que no so as galxias que esto se afastando como resultado de algum pro-cesso dinmico existente no universo, algum processo de interao que ocorre simultaneamente sobre todas elas. Para eles o que est se expandindo o es-pao-tempo que existe entre as galxias.

    importante que fique bem claro que as galxias no esto se expandindo dentro do Universo. No se trata de ocupar um espao que j existe. O Uni-verso no um grande balo onde, no seu interior, as galxias se afastam umas das outras. Quando falamos de Universo em expanso dizemos que o prprio Universo, o espao-tempo, o substrato dentro do qual esto as gal-xias e todas suas estruturas menores tais como as estrelas, o gs interestelar, os planetas e at mesmo ns, seres humanos, que esto se expandindo.

    Imediatamente os cosmlogos verificaram que o conceito de universo em expanso possua outras importantes consequncias. Se ele est se expandin-do agora isso significa que, em um futuro longnquo, as galxias podero estar incrivelmente afastadas uma das outras. Nosso universo ter um fim? Mais ainda, se o universo est se expandindo continuamente isso quer dizer que, olhando para trs no tempo, j houve uma poca em que as galxias estavam muito mais prximas umas das outras. Ao longo de todas as fases de maior aproximao entre as galxias o universo era muito mais denso do que vemos

    29 As consequncias de um universo em expanso

    Ilustrao sobre a expanso do Universo (singularidade).

  • Cosmologia - Da origem ao fim do universo 225

    hoje. Poderamos at mesmo pensar que, em algum momento toda a matria do universo estava agrupada em uma estrutura superdensa. Teria havido um incio para o universo? Teria havido um incio para o tempo?

    LEMATRE E SEU TOMO PRIMORDIAL

    J vimos que em 1922 o matemtico russo Alexander Alexandrovich Friedmann abriu caminho para a noo de que o Universo teria tido um incio ao propor uma soluo cosmolgica das equaes da teoria relativsti-ca da gravitao (ou teoria da relatividade geral) na qual o raio do Universo variava com o tempo, ou seja, havia a possibilidade do Universo sofrer uma expanso ou contrao. O termo contrao aponta para um modelo de Universo com um incio. O trabalho de Friedmann, entretanto, teve pouco impacto e suas ideias seriam novamente apresentadas por outros autores al-guns anos mais tarde.

    Em 1927 o padre catlico belga Georges Lematre publicou na revista cientfica Annales de la Socit Scientifique de Bruxelles um artigo com o ttulo Un Univers homogne de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nbuleuses extragalactiques (Um Universo homogneo de massa constante e raio crescente explicando a velo-cidade radial das nebulosas extragalcticas), no qual apresentava novamente a ideia j proposta anteriormente por Friedmann de que o raio do Universo variava com o tempo. Ambos os trabalhos foram muito pouco divulgados e, embora Einstein tivesse conhecimento de ambos, manteve-se fiel ideia de que o Universo era esttico ou melhor, tinha um raio constante no tempo.

    Em 1930 o astrofsico ingls Arthur Eddington publicou na revista cien-tfica inglesa Monthly Notices of the Royal Astronomical Society um longo comentrio sobre o artigo escrito por Lematre em 1927. Em 1931 o artigo ori-ginal de Lematre foi publicado, de forma resumida, na Inglaterra juntamente com a resposta de Lematre aos comentrios feitos por Eddington.

    Lematre foi ento convidado a participar, em Londres, de um encontro que debateria a possvel relao existente entre o Universo fsico e a espiri-tualidade (Lematre era padre). Foi nesse encontro que Lematre, ao apre-sentar a ideia de que o Universo se expandia, props que ele teria comeado a partir de um tomo primordial, que teria dado origem a tudo que existe hoje no Universo.

    30 Lematre e seu tomo Primordial

    George Lamatre (1894 - 1966).

  • 226 Mdulo 4 Os modelos cosmolgicos

    Logo em seguida a esse encontro, Lematre publicou na conceituada revista cientfica inglesa Nature um artigo (Lematre, G. The beginning of the world from the point of view of quantum theory., Nature (9 maio 1931) vol. 127, pg. 706) no qual desenvolvia sua teoria do tomo primordial. Nesse artigo Lematre propunha que um evento de criao do Universo deveria ter ocorri-do em um determinado momento. Segundo Lematre, o Universo primordial seria muitssimo denso, algo semelhante a um grande ncleo atmico radioa-tivo. Esse ncleo csmico, ou tomo primordial, teria explodido e lanado os fragmentos que mais tarde se tornaram as galxias. Em suas prprias palavras o Ovo Csmico explodindo no momento da criao.

    Por esse motivo, a origem csmica, que havia sido chamada inicialmente por Lematre de tomo primordial logo passou a ser conhecida por vrios outros nomes, entre eles ovo csmico e big squeeze (squeeze significa aperto, esmagamento, compresso).

    Vemos ento que foi o padre catlico belga George Lematre o primeiro cientista a propor o que mais tarde viria a ser chamado de Teoria do Big Bang da origem do Universo, embora sem usar esse ttulo para a sua teoria.

    GEORGE GAMOW

    George Gamow nasceu no dia 4 de maro de 1904 na cidade de Odessa, na poca pertencente ao Imprio Russo e hoje parte da Ucrnia. Seu nome original era Georgiy Antonovich Gamov.

    Gamow iniciou sua formao cientfica na Universidade de Leningrado sob a superviso do famoso cosmlogo Alexander Friedmann. Ele tambm es-tudou na Universidade de Gttingen, Alemanha, na poca um dos principais centros cientficos do mundo. Mais tarde Gamow trabalhou no Instituto de F-sica Terica da Universidade de Copenhagen, Dinamarca, e por um pequeno tempo com o fsico neozelands Ernest Rutherford no Cavendish Laborat