Cosmologia

O que estuda?

Teoria do Big Bang

Evidências:

Lei de Hubble e a idade do Universo

Paradoxo de Olbers

Radiação de Fundo

Modelos Cosmológicos

Evolução do Universo

Eras: Planck, Inflação, Bariogênese, Elementos leves, pesados, etc...

Destino do Universo

O que está sendo desenvolvido.....

Vimos até aquí aspectos observacionais que ajudaram a construir modelos físicos que explicam, total ou parcialmente, as observações em vários temas abordados no curso.

Este foi o “traçado” do curso desde o Sistema Solar até Galáxias e Aglomerados de Galáxias.

Nesta aula veremos muito brevemente alguns aspectos de uma teoria de evolução do Universo que explica boa parte das observações que temos hoje.

Veremos as linhas gerais que envolvem uma impressionante lógica e síntese de processos físicos que devem ter ocorrido desde a formação do Universo e que envolvem conceitos de Relatividade e Física Quantica – uma “teoria" batizada com o nome de Big - Bang!

A descoberta da expansão do Universo deu a primeira real evidência de que o Universo muda com o tempo e que pode ter tido um começo.....

Vamos inicialmente caracterizar qual é o objeto de estudo da Cosmologia...e posteriormente verificar as evidências que indicam que pode ter ocorrido o Big Bang e as previsões de sua evolução...

Estudo em Grande Escala da Estrutura e Evolução do Universo

Cosmologia se destina a descrever o efeito da “expansão” de energia - do nascimento do Universo até como ele é hoje.

Cosmogonia é o termo utilizado para o estudo da formação e evolução do Universo.

Histórico: vimos no vídeo ("THC O Universo - Episódio 01 Além Do Big Bang") disponibilizado no site da disciplina, a construção de idéias e evidências desde a época de Copérnico, até a visão atual que desemboca na Teoria do Big Bang.

A Cosmologia tem como base teorica a relatividade geral e outras leis da natureza que envolvem, por exemplo, a mecânica quantica. Considera que as Leis da Física são sempre as mesmas em qualquer parte do Universo.

Lembrar que… até início do séc. XX, o que existia eram especulações filosóficas (pouca base em modelos matemáticos e evidências observacionais).

1a evidência observacional

Deslocamento de linhas espectrais e Lei de Hubble

A descoberta da expansão do Universo forneceu a 1a evidencia real, observacional, de que o Universo muda com o tempo e que pode ter havido um começo...

O gráfico abaixo (esq. ) mostra que a velocidade com que as galáxias estão se afastando da Via-Láctea é proporcional a sua distância. O desvio espectral observado na comparação dos espectros observado e de laboratório (fig. dir.) é, portanto, o resultado da expansão do Universo.

Vr (Km/s) = H0 . D (Mpc)

Constante de Hubble (71 km/s/Mpc)

A análise dimensional das unidades desta equação, mostra que Ho-1 tem unidade de tempo....e que Mpc pode ser expresso em termos de km, como a seguir

Ho = km . 1 = 1 = T0 Tempo de Hubble

s Km s T

0 =

1 = H0

-1 = 13,7 bilhões de anos

H0

Consequências da Lei de Hubble

Aos pontos que representam as galáxias pode-se ajustar uma reta, uma equação matemática, que expressa o comportamento da velocidade de afastamento das galáxias ser diretamente proporcional a distância (grafico abaixo). Tal expressão analítica é conhecida como Lei de Hubble. Esta Lei representa, portanto, uma medida de como esta expansão ocorre e a inclinação da reta corresponde ao valor de H

0

Lei de Hubble

A constatação de desvios espectrais (redshift) em galáxias nos induz a considerar que o Universo está em expansão. A interpretação imediata desta constatação é de que o Universo está se modificando e, portanto, evoluindo.

O gráfico abaixo mostra que a Lei de Hubble nos permite considerar uma visão sobre a história de evolução do Universo.

Se considerarmos que o movimento de recessão das galáxias esteve constante durante todo o tempo (13,7 bilhões de anos) e que com a expansão a distância entre as galáxias foi gradativamente aumentando, podemos deduzir que houve uma época no passado em que as galáxias estavam cada vez mais próximas, e houve um momento em que elas estavam todas juntas.

Este seria então o momento onde tudo que existe hoje no Universo estaria concentrado. Um “ponto" que teria densidade e temperatura infinitas, a partir do qual começa a expandir...este evento inicial seria considerado então o Big Bang e representaria o início da expansão do espaço-tempo e da criação da matéria e energia e das 4 forças da natureza, entre elas a gravidade..

O Big Bang representaria o início da expansão do espaço-tempo, da criação da matéria e energia e das 4 forças da natureza, entre elas a gravidade...

...não foi uma explosão...! pois para isto já precisaria existir o espaço para que o evento se propagasse.....

2a Evidência: O Paradoxo de Olbers: Porque o céu é escuro a noite?

...é um indicativo de que o Universo teve um começo

O volume de uma esfera com centro nele aumentara com o quadrado do raio dessa esfera (dV = 4ΠR2dr).

Portanto, a medida que se olha mais longe, vê-se um número de estrelas que cresce com o quadrado da distância. Como resultado, sua linha de visada sempre interceptará uma estrela, seja lá qual for a direção em que ele olhe.

Porque ?

Possíveis explicações para o Paradoxo

4. O Universo não existiu por todo o sempre. É a hipotese que parece correta!....Pq?

A idade do Universo limita a distância que podemos ver. Como a luz tem uma velocidade finita, o que significa que ela leva um tempo para ir de um lugar a outro, vemos tudo no passado, e quanto maior a distância a que olhamos, mais remoto o passado que vemos.

1. A poeira interestelar absorve a luz das estrelas;Foi a solução proposta por Olbers, mas tem um problema... Com o passar do tempo, a medida que fosse absorvendo radiação, a poeira entraria em equilíbrio térmico com as estrelas e passaria a brilhar tanto quanto elas. ...Não ajuda, portanto, na solução.

2. A expansão do universo degrada a energia, de forma que a luz de objetos muito distantes chega muito desviada para o vermelho e, portanto, muito fraca.O desvio para o vermelho ajuda na solução, pois o desvio é proporcional ao “raio do Universo observável", mas os cálculos mostram que a degradação da energia pela expansão do Universo não é suficiente para resolver o paradoxo.

3. Estrelas são finitas...;mesmo assim existem em número suficiente para fazer todo o céu brilhar

Possíveis explicações para o Paradoxo

. A escuridão da noite seria um indício de que o Universo teve um início

Como o Universo tem idade finita e a luz tem uma velocidade finita, a luz das estrelas mais distantes ainda não teve tempo de chegar até nós.

Portanto, o Universo que enxergamos é limitado no espaço, por ser finito no tempo.

A velocidade da luz, aliada à idade finita do Universo, limita a porção do Universo que podemos ver, pois nós não podemos ver mais longe do que a distância que a luz pode percorrer no tempo igual à idade do universo.

Se o Universo tem 13,7 bilhões de anos de idade então a luz de galáxias mais distantes do que 13,7 bilhões de anos-luz não teve tempo de nos alcançar. .....

Universo que enxergamos é limitado no espaço.....

Vejam o vídeo onde se mostra claramente:

1- O conceito de Universo Observável......

2- Comparação do Universo observável x Universo ”total”

3- O Universo tem um limite no espaço? No tempo?

4- Tem um centro?

5- Está ficando maior?

6- Como a expansão afeta estas dimensões ?

https://www.youtube.com/watch?v=x1n00r2X0OQ

Extensão – 93 bilhões de a.l

Idade ~ 13,7 bilhões de anos

Universo observável tem limite

Universo não observável não tem limite

Que tipo de interação física poderia explicar o que podemos observar e deduzir sobre a expansão e evolução do Universo? ....somente uma em escala astronômica....a gravidade!

A Teoria de Gravitação de Einstein é utilizada para a construção de Modelos Cosmológicos, já que estes modelos estabelecem vínculos entre funções que caracterizam o Universo e apresentam dependencias temporais como o caso da Densidade Média da Matéria e o Fator de Escala, como veremos mais adiante.

Vamos dar uma olhada nos Modelos Cosmológicos do ponto de vista qualitativo, uma vez que o formalismo matemático não caberia no contexto deste curso. As soluções para estas equações de campo é que geram os diferentes Modelos Cosmológicos. desenvolver um modelo matemático do universo tornou-se uma das soluções para as equações de campo

Einstein (1910-1955) Teoria da Relatividade Especial

Em 1905, Albert Einstein (1879-1955) havia proposto a teoria da relatividade especial.

Essa teoria propõe que:

1-velocidade da luz no vácuo é constante, independente da velocidade da fonte 2-massa depende da velocidade, que há dilatação do tempo durante movimento em alta velocidade 3- massa e energia são equivalentes 4- nenhuma informação ou matéria pode se mover mais rápido do que a luz.

http://astro.if.ufrgs.br/livro.pdf pag. 641

Einstein (1910-1955) Teoria da Relatividade Geral

Gravidade é vista como um efeito geométrico. O espaço se curva na presença da massa ! (não existe o conceito de força....!)

Desenvolve descrição matemática da natureza considerando este efeito.

representa curvatura representa a matéria

do espaço-tempo

Usando este formalismo matemático

para descrever a gravidade, desenvolve uma série de eqs, denominadas equações de campo, que descrevem a interação da matéria, energia e gravidade no Universo.

Gµν = α Τµν

Postula que a luz sempre percorrerá o caminho mais curto entre 2 pontos e que seguirá a curvatura do espaço causada pela presença de um corpo massivo.

Equações de Campo de Einstein...são a base da formulação matemática da Relatividade Geral

“gμυ” um tensor simétrico 4 x 4, que tem 10 componentes independentes. Dada a liberdade de escolha das quatro coordenadas do espaço-tempo, as equações independentes se reduzem em número a 6.

Tensores são entidades geométricas introduzidas na matemática e na física para generalizar a noção de escalares, vetores e matrizes.

As diferentes soluções das equações de campo levam a diferentes modelos (descrições) matemáticos da evolução do Universo.

Algumas hipóteses fundamentais consideradas nos modelos:

1- Universo é homogêneo, ou seja, parece o mesmo para um viajante cósmico (todos os lugares devem ser iguais) e não existe localização privilegiada. Esta hipótese deve ser considerada para escalas suficientemente grandes, ou seja, maiores do que as escalas de dimensão de aglomerados de galáxias.

2 – Universo é isotrópico, ou seja, para um observador imóvel, em qualquer direção ele parece o mesmo em tds as direções.

1 + 2 → Estas 2 afirmações são conhecidas como Princípio Cosmológico

Equações de Campo e Hipóteses para os Modelos

1o Modelo Cosmológico Moderno Cosmologia Relativistica

Einstein (1917)

Alemão

…visão anterior a descoberta de Hubble...

→ Universo estacionário, estático, sem expansão

→ Introduz uma força artificial conhecida como “constante cosmológica”

cujo efeito seria o de contrabalançar a força gravitacional, força esta que

teria o efeito de agrupar a matéria e, portanto, contrair/colapsar o Universo

→ O Universo seria então finito, fechado e esférico

Universo de de Sitter (1872-1935)Cosmologia Relativística

Derivado da Teoria da Relatividade, mostra que não existe um único modelo relativístico possível e propõe um universo plano (geometria Euclidiana) e em expansão, porém vazio!

de Sitter (1917)Holandes

Universos de Friedmann (1888-1925)modelos-padrão de Universo

Friedmann (1922-1924)

Russo

Descobre que se a Constante Cosmológica introduzida por Einstein fosse ignorada, os modelos resultavam em movimento, ou seja, poderiam estar em expansão ou contração

…neste período aparecem as primeiras evidencias observacionais da expansão do Universo…(Hubble)

Friedmann entende que a força de gravidade desacelera o Universo, portanto, todos os modelos que propõe são de expansão desacelerada

Formula os modelos que hoje são conhecidos como modelos-padrão do Universo, pois como dito anteriormente, nesta época descobriu-se que o Universo estava de fato em expansão....

Em todos os modelos de Friedmann a expansão é desacelerada com o tempo, ao qual ele atribui a força de gravidade. A taxa de desaceleração poderia cessar e o Universo então seguiria um processo de contração.

A desaceleração vai depender da densidade média do Universo, gerando modelos diferentes para cada situação de geometria e curvaturas....que á luz da Relatividade Geral podem ser de curvatura positiva e negativa....(ver slides )

A geração destes modelos está fundamentada em um raciocínio muito simples, como veremos a seguir....

Universo de Lemaitre ( 1894-1966) Padre e Cientista

Lemaitre – 1920 Belga

Desenvolve uma solução para as equações de campo de Einstein/Friedmann, nas quais o Universo se expande a partir de um estado inicial de alta densidade e temperatura para a matéria: ….e se torna conhecida como sendo a “Teoria do Big-Bang” (→ átomo primordial -- “fissão”)

Este modelo permite 3 possíveis destinos:

A expansão pode continuar para sempre, lentamente e nunca parando= Modelo Aberto

A expansão pode eventualmente parar e reverter, iniciando uma contração = Modelo Fechado.

A expansão pode continuar lentamente a uma taxa que que se aproxima infinitamente no tempo de uma parada = Modelo Plano

Outras Contribuições...que acabaram sendo vencidas...

Outros modelos foram formulados, baseados nos modelos de Friedmann-Lemaitre, com excessão daqueles propostos por Hoyle, Bondi e Gold que propõe um Universo estacionário, sem Big Bang, e com matéria sendo continuamente criada para compensar a expansão observada, permanecendo a densidade constante

Demonstra que com a expansão, desde sua fase inicial até o volume atual, a radiação havia em grande parte se transformado em energia através da famosa equação da relatividade que correlaciona (E) e (m) através de: E=mc2

Previu que, parte da radiação inicial do BBang permaneceria na forma de energia, permeando todo o Universo. Os calculos levaram em conta que nem toda energia inicial foi transformada em matéria, havendo uma sobra. A famosa radiação de fundo de 3 graus Kelvin

Além disto, leva em conta a taxa de expansão do Universo

Gamov (1904-1968): Russo naturalizado americano

Prevê a Radiação Cósmica de Fundo (1948)

1948

Na década de 1960, Dicke previu, independentemente, que o Universo deveria ter sido preenchido com radiação remanescente oriundo dos estágios iniciais do BBang e inicia a construção de instrumentos capaz de detetar a radiação.....Porém, em 1965 os radioastronomos Pensias e Wilson....

Os modelos propostos por Friedmann e Lemaitre podem ser testados a partir dos parâmetros cosmológicos observáveis abaixo

Constante de Hubble (Ho): introduzida por Hubble para reproduzir o fato observacional de que galáxias próximas se afastam com velocidades crescentes com a distancia que nos separam delas. Valores atuais indicam que esta constante seja da ordem de (65-72 Km.s-1.Mpc-1).

Desvio Espectral (Δλ) : mede a expansão do Universo e é obtida via velocidade de recessão - V

rec das galáxias

Parâmetro de Densidade (Ω): Razão entre a densidade de matéria-energia do Universo e o valor necessário para que se tenha curvatura nula (densidade crítica - dc), correspondendo ao modelo plano.

Parâmetro de Desaceleração (q): parâmetro cosmológico que mede a taxa de desaceleração do Universo. Um modelo apenas contendo matéria, seja escura ou bariônica, a radiação sempre resulta em um parâmetro de desaceleração positivo. Pesquisas atuais mostram que é negativo, o que implica em um Universo acelerado, necessitando a inclusão de uma componente extra – a energia escura

Vamos entender melhor o papel destes parâmetros observaveis e a relação entre eles que são fundamentais para o destino do Universo.

O papel da gravidade na Cosmologia Newtoniana

A gravitação tem enorme influência na desaceleração da expansão cosmológica do Universo. A compreensão deste fenômeno é difícil de ser abordada na teoria newtoniana, já que nesta teoria o Princípio Cosmológico, em um Universo finito e newtoniano, seria rompido devido a presença de observadores nos limites da distribuição de massa.

Entretanto, é usual fazer uso de uma analogia que veremos a seguir e que pode nos ajudar na compreensão de algumas consequências deste fenômeno.

O processo de expansão pode ser determinado pela energia total (E) do sistema, na ausência de criação de massa, e é dado pela soma da energia cinética com a energia potencial gravitacional

Se considerarmos uma galáxia de massa m a uma distância r do centro, qualquer que seja ele, esta será atraída pela massa interior M ao volume considerado,

M = 4π ρ0 r3 , onde ρ0 é a densidade de massa atual

3

Energia cinetica = Energia potencial

Dependendo do valor de energia, teremos um Universo fechado (E<0), aberto (E>0), ou crítico E=0. Vamos analisar o que acontece nestas 3 situações,

mM

O processo de expansão é então determinado unicamente pela energia total, E,

Onde v seria a velocidade de expansão do volume, que é dada pela Lei de Hubble, v = H0 x d

> 0 → > → Universo aberto

E = 0 → = → Universo crítico < 0 → < → Universo fechado

No Universo aberto a expansão se processa indefinidamente e a velocidade terminal tende a um valor não nulo quando o raio tende a infinito.

No Universo crítico a expansão ocorre indefinitivamente mas a velocidade terminal é nula.

No caso de Universo fechado a expansão prossegue até um certo ponto e depois temos um colapso gravitacional do sistema.

Os termos “aberto” e “fechado” são usados para caracterizar a densidade de energia, ou o parâmetro de densidade total, do Universo.

Parâmetro de Densidade (Ω = dm/dc) . . . decisivo para o destino da evolução do Universo

As relações obtidas anteriormente podem ser testadas a partir de medidas da densidade de massa atual e a constante de Hubble.

O parâmetro de densidade Ω é definido como sendo a razão entre a densidade de massa média atual (dm) do Universo em relação densidade crítica (dc – densidade de massa necessária para tornar nulo o termo de curvatura na equação de Friedmann. (Ω = dm/dc)

Mas, dc = 3H0 / 8πG: → dc = 1,8788x10-29 h2.g.cm-3 (≈ 11 atms H/cm3 )

Se dm = dc; Ω = 1 modelo plano → se expande indefinidamente, com v

terminal nula

Se dm < dc; Ω < 1 modelo aberto → atração gravitacional é pna para impedir expansão Se dm > dc; Ω > 1 modelo fechado → atração gde e impede a expansão

-> retorna -> continua

Uma analogia do dia-a-dia que pode ser utilizada para entender melhor este fenômeno, dentro da perspectiva Newtoniana, se encontra a seguir.

Ao lançarmos uma pedra da Terra para o espaço, a energia (Ec) que ela deve ter para escapar do campo de gravidade da Terra deve ser maior do que a energia da atração gravitacional (Ep) exercida sobre este objeto, sem ajuda de um empuxo, ou sofrendo a resistência da fricção, ou seja, Ec > Ep. A pedra deve, portanto, atingir uma velocidade que é definida como sendo a velocidade de escape. Veja fig. Abaixo e a interpretação....

Se a velocidade de lançamento (Ec) for menor do que a velocidade de escape (Ep), a pedra retorna a Terra. Se a velocidade de lançamento (Ec) for maior ou igual a de escape (Ep), a pedra sairá da atuação do campo gravitacional da Terra e irá continuar seu movimento no espaço.

Caso contrário, ser for menor ou igual, continuaria se expandindo indefinidamente e o Universo seria aberto ou plano, então, Ep ≤ Ec. Neste caso a velocidade terminal de expansão tenderia a zero (Ep=Ec), ou a velocidade terminal de expansão (Ep < Ec) seria diferente de zero...

Um cuidado que se deve ter nesta comparação é que os termos “aberto, fechado e plano” são usados para caracterizar a densidade de energia do Universo (ou o parâmetro de densidade) e não uma interpretação topológica, como muitas vezes difundido!

Para detalhes sobre este tema, recomendo livro “ Introdução a Cosmologia “, Ronaldo E. De Souza - Cap. 2, ed. Edusp

Podemos usar esta analogia no caso da expansão do Universo. Se a energia potencial (Ep), representada pela densidade de massa-energia contida no Universo, for maior do que a energia cinética da expansão do Universo , este então colapsaria e seria fechado e Ep > Ec

Podemos então agora apreciar graficamente o comportamento da evolução dos Modelos de Friedmann considerando somente a expansão

Fechado ou de curvatura positiva (k = 1)

Aberto ou de curvatura negativa (k = -1)

Plano ou de curvatura nula (k=0)

É uma variável que entra nos Modelos

O Modelo Fechado: onde a densidade média de massa observada hoje supera a densidade crítica, a expansão é interrompida, ocorre o colapso, um novo Big Bang ocorre e assim por diante...

1- Modelo Plano → Se expande indefinidamente com vterminal

tendendo a um valor

nulo, … pois é como se ocorresse um equilíbrio entre a Ep = Ec Não tem curvatura. (análogo a plano) Este modelo parece ser o mais realista ! 2- Modelo Aberto → Atração gravitacional é pequena para impedir a expansão. … pois é como se a Ep < Ec Então, a expansão continua indefinidamente, com vterminal

tendendo a um valor não nulo. A curvatura é negativa.

(análogo a uma sela de cavalo) 3- Modelo Fechado → Atração gravitacional é grande e impede a expansão . … pois é como se a Ep > Ec Ocorre então uma contração, e reinicia-se a uma nova expansão. A expansão é finita e com curvatura positiva. (análogo a uma esfera)

A Cosmologia Moderna se dedica a determinar qual destes modelos é o mais realista

E=o; dm=dc; Ω =1

E > 0; dm < dc; Ω < 1

E < 0; dm > dc; Ω > 1

Existe alguma forma de verificar do ponto de vista observacional qual dos modelos é o mais realista?

Em princípio, um dos caminhos seria medir flutuações da Radiação Cósmica de Fundo de Microondas (RCFM) – uma radiação eletromagnética que seria remanescente da fase de inicial de evolução do Universo, dentro da perspectiva do Modelo do BB.

Vamos então explorar o que se prevê ter ocorrido nesta fase inicial, que explicaria a RCFM que observamos hoje, e posteriormente analisar como estas flutuações poderiam ajudar a decidir entre os modelos de evolução do Universo disponíveis até o momento.

Aos 380 mil anos após o Big Bang, em um Universo ainda muito quente e denso, os átomos não conseguiam se manter intactos, pois os fotons possuiam energia elevada o suficiente para remover os elétrons mantendo neste ambiente uma mistura de fótons, elétrons e protons convivendo neste meio, independentemente. Como os fótons não conseguiam viajar livremente devido a colisões com este meio denso, o Universo seria opaco.

É importante ressaltar que a descoberta da RCFM, em 1964, representa uma das maiores evidências do Big Bang.

O que se prevê teoricamente é que esta radiação gerada na fase de Recombinação, chegaria até nós com temperatura de corpo negro da ordem de 3 K....após viajar 13,7 bilhões de anos, a RCFM

Esta radiação foi de fato observada em 1964, descoberta por Penzias e Wilson (Prêmio Nobel).

Thoje= 13,7 bilhões de anos

Créditos: Ronaldo E. de Souza

Estes fótons menos energético não conseguem mais arrancar os elétrons dos átomos, e passam então a viajar livremente pelo Universo, que agora seria transparente, caracterizando assim uma fase conhecida como Era da Recombinação.

Como o Universo continua a se expandir, os fótons continuam perdendo energia e viajando livremente pelo Universo...Assim sendo, após 13,7 bilhoes de anos viajando, chegam na Terra com pouquíssima energia....

Com a expansão do Universo, a temperatura diminui e os elétrons conseguem se unir ao próton formando o hidrogênio, em equilíbrio estatístico..., uma vez que os fotóns ainda possuem energia elevada para eventualmente remover o elétron recém unido ao proton. A expansão também aumenta o comprimento de onda dos fótons, e consequentemente reduz sua frequência resultando em perda de energia.

Experimentos recentes que tentam decodificar os sinais impressos na RCFM, que representariam o “eco” dos primeiros instantes da formação do Universo, e medidas de intensidade da radiação em diferentes frequências mais precisas, fora da atmosfera, foram relizadas pelos satélites Cobe (1992), Wmap (2003) e Planck (2013)...

O espectro do fundo de microondas medido pelos Satélites é muito bem descrito por corpo negro com T ~ 2,726 ± 0,01 K.

Radiação Cósmica de Fundo de Microondas- RCFM

A RCFM é uma impressão digital do Universo há 13,7 bilhões de anos. As flutuações observadas mostram regiões mais, ou menos, densas que a média. São muito pequenas da ordem de uma parte em cem mil.

Comparação: uma bola perfeitamente lisa com 1 metro de diâmetro. Se imaginarmos imperfeições na mesma escala que a RCFM, na superfície teremos elevações ou depressões com cerca de 0,01 milímetro.

Como verificar a previsão da Geometria do Universo com dados observacionais do Wmap?

Fechado

Aberto

Plano

aberto plano fechado

A geometria do Universo determina a tamanho angular das

flutuações

O tamanho físico das flutuações é o tamanho

do horizonte da superfície de último

espalhamento – onde os fótons se desacoplam da

matéria

Universo Plano...!!

Radiação Cósmica de Fundo de Microondas

∆T/T ~ 10-5 Flutuações de

densidade

Mapa de todo o céu da variação da temperatura da Radiação Cósmica de Fundo em Micro-ondas (RCFM).

Wmap mostra que as flutuações são mínimas e compatíveis com um Universo Plano

singularidade

tempo

Esta singularidade seria responsável pelo início do espaço-tempo, da transformação da energia inicial em criação da matéria e que ocorreu a uns 13,7 bilhões de anos.

Desde então o Universo estaria se expandindo, criando matéria, radiação, gravidade e o próprio espaço-tempo.

Como vimos anteriormente a detecção da Radiação Cósmica de Fundo representa uma das maiores evidências do Big Bang e nos remete a um cenário que descreveria a evolução do Universo seguindo o raciocínio que segue....

No Modelo do Big Bang, a origem do Universo esta associada a uma Singularidade, uma previsão matemática que resulta das equações da Relatividade Geral de Einstein, onde o volume do Universo seria zero e condições físicas extremas tais como densidade e temperatura seriam infinitas.

E=mc2

Cenário da História de Evolução do Universo

Conforme o Universo se expande a temperatura diminui e a densidade também. Como consequência, vão ocorrer fenômenos que estão diretamente relacionados com a diminuição da temperatura, caracterizando assim uma história térmica do universo, uma evolução, portanto, que resulta em diferentes fases, caracterizando as 4 Eras de Evolução do Universo que veremos a seguir

Uma das consequências da expansão do Universo → Efeito Doppler

Galáxias “fixas” em um sistema de coordenadas

Deslocamento p/ vermelho- redshift – z, se deve à expansão do Universo que modifica sistematicamente o comprimento de onda da radiação enquanto esta se movimenta pelo espaço

Redshift Cosmológico

(Wayne Hu)

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

Este fenômeno dá origem ao desvio para o vermelho cosmológico.

Resumo dos principais eventos na evolução do Universo.

Resumo dos principais eventos

na evolução do Universo

Fonte: Maria de Fátima Oliveira Saraiva, Kepler de Souza Oliveira Filho & Alexei

Machado Müller

Grandes Eras na Evolução do Universo

O Big-Bang (BB)...a origem

1973 Tryon propõe que a origem do BB poderia estar associada a flutuações quânticas do vácuo...!

→ O vácuo# aqui seria associado a fonte mínima de energia...

→ A matéria se origina de flutuações do vácuo quântico. → Seria uma combinação de matéria-antimatéria; partícula-anti-partícula

--------------------------------------------------------------------------------------------------------#É possível que corpos celestes extremos possam atuar diretamente sobre o vácuo quântico, produzindo energias capazes de interferir até com fenômenos astrofísicos. Um exemplo poderia ser estrela de nêutrons, que “acordariam” o vácuo quântico.

Uma equipe de físicos afirma ter conseguido gerar coisas desse "nada" quântico. Eles fizeram com que um vácuo quântico gerasse fótons reais, ou seja, no senso comum, que eles emitissem luz do nada.

Representação do espaço-tempo extremamente caótico logo após o BB

t = 0,00000000000000000000000000000000000000001 segundos (tem 40 zeros depois da vírgula...!)

O vácuo quantico é um estado com a menor energia possível, uma espécie de sopa de campos e ondas de todas as frequências, de onde partículas virtuais saltam continuamente entre a existência e a inexistência. [Imagem: Lee Brain] -

Era de Planck

0 até 10-43 segundos

Fase conhecida do Universo onde se encontrava MUITO quente e densa

Não sabemos muito sobre esta Era

A Teoria da Grande Unificação prevê uma fase de transição onde ocorreria um processo de liberação de energia do calor latente, 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. A história do universo começa aos

10–43 segundos após o Big Bang, o instante chamado tempo de Planck

Segundo a TRG o vácuo teria a propriedade de acelerar o Universo, exercendo pressão negativa, onde a gravidade teria nesta fase um carater repulsivo!

Tempo de Planck: 10–43 segundos, o Universo teria 1,6 x 10-43 cm

Até aqui estaríamos descrevendo a fase inicial da evolução do Universo....Vamos tentar entender agora as outras fases...

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

Agradecimentos: Prof. Gastão B. Lima Neto - IAG

fase inicial

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

A Era da Inflação

No começo dos anos 80 os cosmologistas descobriram que as teorias de unificação, que previam que existia uma superforça, onde as forças fracas, forte e eletromagnéticas coexistiam, 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.

A temperaturas baixas, a superforça se divide em três, revelando o caráter de força eletromagnética,da força “forte" (responsável pela estabilidade do núcleo atômico) e a força "fraca" (aquela que tem um papel importante nos decaimentos radioativos).

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

A Teoria da Inflação 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 tamanho por um fator de 1050

(ver próximo slide).

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

Inflação

Época de Planck

Tempo desde o Big Bang

Ta

ma

nh

o d

o u

ni

ve

rs

o (

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

Aniquilação da Anti-matéria

T = 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 de partículas massivas : protons e neutrons, via quarks

T= 0,00001 segundos (tem 4 zeros depois da vírgula)

Universo ainda é MUITO quente e denso

Lé

pt

on

sQ

ua

rk

s

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 que formam todos os hádrons (partículas compostas por quarks).

Exemplo de Lépton: o elétron

Nucleossíntese Primordial

Ocorre entre 1 segundo e 5 minutosTermina quando T ~ 1 bilhão de graus, densidade ~ água

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

número de nêutrons

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

n0 d

e próton

s

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

Ab

un

dâ

nc

ia

re

la

ti

va

Formação dos Átomos Neutros

t ~ 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

Era da Recombinação...formação dos atomos neutros

A radiação cósmica de fundo se forma com 3000K, mas hoje medimos com 2,725 K devido a expansão do Universo. Lembrem-se que o Gamov previu este valor no Modelo dele....

(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 radiação

este momento é chamado de Era da Recombinação.

Ocorre em t = 400.000 anos

T ~ 3000 graus, densidade ~ 10.000 átomos/cm3

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 hojeT ~ 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

• 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

Mas recentemente descobriu-se que o Universo está em “Expansão Acelerada" ...!

Supernovas de tipo Ia são eventos relacionados com explosão de uma anã branca em sistemas binários resultando em uma luminosidade razoavelmente constante e poderoso como indicador de distância cosmológica. A fig abaixo mostra os resultados das medidas e a comparação com modelos de Universo em expansão desacelerada e acelerada, indicando que este último se ajusta melhor aos dados

As previsões do futuro da expansão do Universo são alteradas comparadas aquelas que vimos no slide 42...e agora já com previsão de expansão acelerada

Assim, contabilizando a contribuição de cada componente esboçada anteriormente, temos no total, segundo o atual modelo de concordância cósmica,

Ω0M

+ Ω0R

+ Ω0Λ

= Ω0 = 1

A densidade atual da energia escura é usualmente Representada pela chamada constante cosmológica Λ e a sua contribuição Ω0Λ ~ 0,7.

Valores representados percentualmente das contribuições de densidade de átomos, matéria escura e energia escura

A densidade de matéria-energia pode ser dividida em três grandes categorias: matéria, radiação e energia escura.

A densidade atual total de matéria, ρ0M, é composta da matéria bariônica usual e

da matéria escura e a sua contribuição para o parâmetro de densidade atual é Ω0M=ρ0M/ρ0c ~ 0,3.

A densidade atual contida na radiação ρ0R é praticamente desprezível assim como a

de seu correspondente parâmetro de densidade Ω0R=ρ0R/ρ0c ~ 0,04 --> Ω0R= 0

Conteúdo do Universo

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 (v

e) ,

implicando em uma interpretação de que continuará se expandindo para sempre....!

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.

Domínios da densidade de radiação, matéria e energia escura

A densidade da radiação depende da quarta potência da temperatura da radiação (T0R~3 K). Como no passado a temperatura de radiação era muito maior,

concluímos que próximo ao Big-Bang o termo de radiação era responsável pela contribuição dominante naquele período.

História Térmica do Universo...mais detalhado

Teoria da Relatividade Geral . . .espaço-tempo

...gravitação como deformação do espaço-tempo….Buracos negros

,,,Ondas gravitacionais...e outras previsões

para Max Born....,

“o maior feito do pensamento humano sobre a natureza, a mais impressionante combinação de penetração filosófica, intuição

física e habilidade matemática”...

Hoje temos acesso a evolução do Universo via radiação eletromagnética, até o limite do Universo observável. Isto implica em termos acesso a evolução do Universo até o limite de 380 mil anos de idade. Não temos acesso ao que aconteceu antes, desde o big bang até a formação das primeiras partículas, e as fases iniciais de evolução. As ondas gravitacionais podem nos dar acesso além do nosso Universo observável, e em princípio, não tem nada que nos impeça de chegar a estes limites pelas ondas gravitacionais. Teríamos então a possibilidade de ter acesso ao início de formação e evolução do Universo. É uma nova Era!

Como as ondas gravitacionais podem contribuir para melhor entendimento 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?...e aí já estaríamos fora da proposta da cosmologia....

Como se formaram e onde estão as primeiras estrelas?

Como se formaram as galáxias?

Qual será o destino do universo?...energia do vácuo? Quintessência?

O que é “matéria escura”? O que é “energia escura”?

Ondas gravitacionais primordiais ?

Não !

...mas até aqui sabemos que....

….moléculas e átomos destas moléculas em nosso corpo podem ser rastreadas até o núcleo incandescente das estrelas que explodiram e lançaram os elementos para a Galáxia, enriquecendo nuvens gasosas primitivas com a química da vida....

….estamos conectados entre nós biologicamente...,à Terra químicamente..., e ao Universo atomicamente …

Tyson

Outras visões...ainda especulativas

A mais promissora teoria no momento é a de supercordas (superstrings), proposta originalmente pelo fíısico inglês Walter Bannerman Kibble (1933-)

A Teoria de Tudo precisa combinar a teoria de Relatividade Geral (gravitação) com a teoria quântica.

– 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”) .

O Big Bang seria o resultado de uma colisão de branas.

Partículas elementares como modos de vibração, cordas

Bibliografia

“Introdução À Cosmologia” - Ronaldo E. de Souza (ed. Edusp)

“Astronomia e Astrofísica” - Kepler & Maria de Fátima

Recomendo ver o vídeo que consta no site da disciplina intitulado :

“Radiação Cósmica de Fundo”

Recomendo também o artigo

“A energia escura e o destino do Universo” – Mário Lívio

http://ife.org.br/energia-escura-destino-universo-mario-livio/?print=pdf

Matéria e anti-matéria podem ser criadas do Nada

Luz é gerada é partir do nada Todas as ref. podem ser encontradas no site da disciplina....

Fim