Introdução à cosmologia observacional

Ribamar R. R. ReisIF - UFRJ

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5 – O modelo padrão e além.

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O modelo padrão● O modelo que descreve a gravitação é a relatividade geral;

● O universo primordial era muito denso e muito quente e, desde então se expandiu e esfriou até atingir o estado atual;

● Logo no início da sua evolução, o universo passou por um período de expansão acelerada chamado inflação;

● O universo é composto por bárions, fótons, neutrinos, matéria escura fria (não-relativística) e constante cosmológica;

● Quando o universo esfriou o suficiente os bárions se combinaram para formar elementos leves (nucleossíntese

primordial);● Quando o universo esfriou o suficiente os núcleos atômicos se

combinaram com os elétrons (recombinação) e o universo se tornou neutro.

● O universo neutro se tornou transparente, deixando a radiação que interagiu pela última vez com os núcleos e elétrons

(superfície de último espalhamento) livre para chegar a nós como a RCF.

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O problema do horizonte

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Como inflação resolve o problema do horizonte

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O problema da planura

Porque curvatura do universo parece ser tão pequena?Inflação fornece um meio natural de obter uma curvatura pequena hoje, independente da curvatura inicial.

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O problema dos monopolos magnéticos

● Teorias de grande unificação têm a pretensão de descrever todas as interações fundamentais como uma única interação quando a energia for suficientemente alta.

● Algumas dessas teorias previam o surgimento de monopolos magnéticos nos estágios iniciais da evolução do universo.

● Esses monopolos seriam objetos estáveis e, portanto, deveriam ter sobrevivido até os dias atuais em grande abundância.

● No entanto, nenhum experimento foi capaz de detectar sequer um desses objetos.

● A inflação foi proposta originalmente por Alan Guth para resolver esse problema.● A expansão quase exponencial teria diminuído a densidade desses objetos a um

nível abaixo da sensibilidade dos experimentos.

Skeptics about exotic physics might not be hugely impressed by a theoretical argument to explain the absence of particles that are themselves only hypothetical. Preventive medicine can readily seem 100 percent effective against a disease that doesn’t exist!

Martin Rees

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Mas o que causou a inflação?

● Já vimos que as partículas que conhecemos NÃO podem acelerar a expansão, por isso temos que postular um novo ingrediente, o inflaton;

● Vamos propor o objeto mais simples, um campo escalar;● Um exemplo de campo escalar na natureza é o Higgs que é o responsável pelas

massas das partículas no modelo padrão de partículas elementares;● Não, o Higgs não funciona bem como inflaton;

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● Se o campo tiver inicialmente um valor alto e diminuir lentamente, o potencial vai dominar sobre o termo cinético, levando a uma pressão negativa;

● Quando o campo atinge o mínimo do potencial começa a oscilar, decaindo em partículas do modelo padrão e reaquecendo o universo;

Rolamento lento:

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● As perturbações iniciais que posteriormente se transformariam nas galáxias que vemos hoje teriam origem em flutuações quânticas amplificadas pela inflação;

● Com isso, a forma exata como a inflação ocorreu afeta a distribuição de matéria no universo e o espectro das anisotropias da RCF;

● Em particular, a inflação geraria ondas gravitacionais que induziriam um tipo especial de polarização da RCF;

Mas se a inflação ocorreu antes da emissão da RCF como podemos testá-la?

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Nucleossíntese primordial

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Charbonnel, 2002

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Combinando nucleossíntese primordial com os resultados que vimos para a densidade atual da matéria, já podemos inferir que a maior parte da matéria não relativística não pode ser bariônica. Mas temos outras evidências.

Matéria escura

Curvas de rotação de galáxias espirais

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Distribuição de massa em aglomerados via lentes gravitacionais

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Estrutura em grande escala do universoAs estruturas bariônicas só podem crescer na era dominada pela matéria.A matéria escura pode se aglomerar mesmo na era da radiação. Matéria escura é importante para explicar a distribuição observada.

http://www.mpa-garching.mpg.de/mpa/research/current_research/hl2011-9/hl2011-9-en.html

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Neutrinos afetam a formação de estruturas no universo

https://physics.aps.org/articles/v3/57

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Neutrinos não podem ser toda a matéria escura porque são relativísticos (matéria escura quente)

http://ned.ipac.caltech.edu/level5/Kolb/Kolb4.html

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http://iopscience.iop.org/1475-7516/2007/08/004/fulltext/

A cosmologia impõe vínculos sobre a massa dos neutrinos.

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Problema da coincidência: porquê a constante cosmológica começou a dominar só recentemente?

Era

da

radi

ação

Era

da

mat

éria

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A constante cosmológica é a energia do vácuo?

● Em mecânica quântica “vácuo” tem um significado diferente do clássico. ● O vácuo é simplesmente o estado fundamental, de mais baixa energia de um

sistema. ● Para calcular a energia do vácuo do universo é preciso somar as contribuições de

todos campos para o estado de vácuo. ● Esse cálculo envolve uma integral no espaço de momentos que, se considerarmos

todos os valores possíveis para os momentos, diverge!!● A solução é truncar a integral em algum valor de momento.● Para todas as escolhas razoáveis, o valor obtido para a energia do vácuo é maior

que o valor observado para a constante cosmológica por dezenas de ordens de magnitude!!

● Uma maneira de encarar o problema é supondo que a constante cosmológica é zero e que alguma simetria cancela completamente a energia do vácuo.

● Nesse caso, algum outro campo induz a aceleração cósmica.● Esse componente extra é comumente chamado de energia escura.

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Alternativas à constante cosmológicaUma proposta para energia escura é análoga ao inflaton. Um campo escalar com uma pressão efetiva negativa

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● Uma abordagem fenomenológica consiste em postular uma dependência do parâmetro da equação de estado com o fator de escala ou o redshift.

● Na maior parte dos casos w é próximo de zero no passado e passa para um valor negativo com a evolução do universo.

● A razão disso é que um componente com pressão negativa e densidade apreciável no universo primordial poderia afetar a concordância da nucleossíntese primordial e o espectro da RCF.

Betoule et al. 2014

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Alternativa à energia escura: gravitação modificada

O príncipio da mínima ação estabelece que as equações de movimento de um sistema são tais que a ação do sistema é um extremo.A ação que dá origem às equações de Einstein é a ação de Einstein-Hilbert.

● Uma alternativa proposta é adicionar um termo que seja uma função de R.● Esses modelos, em geral, tem problemas para conciliar os vínculos

cosmológicos com requerimentos em pequena escala, como a estabilidade de estrelas.

● Os modelos viáveis têm uma evolução muito próxima do modelo padrão;

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Branas e dimensões extras!

● Nesses modelos apenas a gravidade poderia agir em todas as dimensões.

● As outras interações estariam confinadas a hipersuperfície 4D correspondente ao nosso espaço-tempo usual.

● O efeito das dimensões extras sobre a nossa “brana”, via gravitação, poderia induzir uma aceleração cósmica.

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Modelos de ricochete: o universo teve um início?

● Nesse cenário não houve uma singularidade marcando o início do universo.● Um universo infinitamente velho contraiu até um tamanho mínimo, diferente de

zero, para em seguida se expandir.● A idéia é que efeito de gravitação quântica impediriam que o universo tivessem

um tamanho menor, evitando a singularidade.● Esse ricochete poderia, em princípio, induzir uma inflação sem a necessidade

de incluir um inflaton.

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Modelos inomogêneos

É possível explicar algumas observações considerando uma métrica isotrópica mas inomogênea. A mais comum é a de Lemaître-Tolman-Bondi

Nesse caso podemos definir um “parâmetro de Hubble” na direção radial e outro na direção transversal. Supondo que estamos no centro, ou perto do centro, de uma bolha com densidade de matéria menor do que a média do universo, podemos reproduzir os dados de supernovas, por exemplo.

arXiv:1201.2790

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● Interessados em estudar algum dos assuntos apresentados aqui?

● No Rio de Janeiro existem pesquisadores trabalhando em quase todas essas áreas da

cosmologia.● As instituições incluem CBPF, UFRJ, UFF, UERJ

e ON.● Podem entrar em contato comigo através do

endereço ribamar@if.ufrj.br