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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