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MATÉRIA ESCURA E FORMAÇÃO DE ESTRUTURAS NO UNIVERSO Inverno Astrofísico 2019 Hermano Velten Universidade Federal de Ouro Preto ([email protected])

MATÉRIA ESCURA E FORMAÇÃO DE ESTRUTURAS NO UNIVERSO · Aula III •Qual sistema ... Matéria escura e Energia Escura correspondem a cerca de 95% do conteúdo do universo Não há

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MATÉRIA ESCURA E

FORMAÇÃO DE ESTRUTURAS

NO UNIVERSO

Inverno Astrofísico

2019

Hermano VeltenUniversidade Federal de Ouro Preto

([email protected])

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Ilya Shapiro

Hermano Velten

Saulo Carneiro

Júlio Fabris

Humberto Belich

Davi Rodrigues

Oliver Piattella

Valerio Marra

Wiliam Ricaldi

Nelson PintoNeto

Marc Casals

Martin Makler

Felipe Falciano

Ricardo Sturani

Hermano Velten

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Luca AmendolaScott Dodelson

David Wands

José Antônio de Freitas Pacheco

Hermano Velten

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Ouro Preto possui um dos primeiros

observatórios do Brasil.

Ensino de astronomia desde 1891 na

Escola de Minas (criada em1876).

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Aula I•O que conhecemos de todo o

cosmo?

Hermano Velten

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Aula II

• E o que NÃO conhecemos...

• Quais são as evidências sobre a existência de matéria escura?

• Quais são as evidências sobre a existência de energia escura?

Hermano Velten

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Aula III

•Qual sistema queremos estudar? Universo (como um todo) como sistema físico e suas componentes.

•Quais são as estruturas que estamos querendo entender? Galáxias e aglomerados de galáxias e sua distribuição em grande escala.

Hermano Velten

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Aula IV

•Entender como pequenas

perturbações existentes na

distribuição quase homogênea de

densidade de matéria no universo

primordial evoluem até o ponto de

formar uma estrutura como galáxias

e aglomerados de galáxias.

Hermano Velten

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Aula V

• Efeito Mészaros -> Bônus: Precisamos de

matéria escura

• Estágio não-linear de formação de

estruturas. Entender o porquê de um

excesso de densidade na distribuição de

matéria se desacopla do fluxo de Hubble e

colapsa para formar um objeto

astronômico.

Hermano Velten

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Aula I

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Primeiro passo:

COMO OBSERVAMOS?

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Como diferentes partes do espectro atravessam a atmosfera

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Fontes observacionais

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Passado distante

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Distribuição da Radiação Cósmica de Fundo em Microondas

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Satélite

PLANCK

Lançado em 2009.

Coletou dados até 2013.

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Estratégia de observação:

Satélite PLANCK - ESA

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Radiação gama

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O sol visto em diferentes frequências

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Astronomia multi-espectralHermano Velten

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PRECISAMOS DE UMA TEORIA PARA

A INTERAÇÃO GRAVITACIONAL

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Relatividade Geral

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Testes da Relatividade Geral• Einstein propôs 3 testes (ditos Clássicos) :

1) Precessão do perihélio da órbita de Mercúrio;

2) A deflexão de um feixe de luz em um campo gravitacinal ;

3) O desvio para o vermelho de fótons ao viajar em um campo

gravitacional.

Erwin Shapiro mediu, em 1970, o atraso temporal (de origem

relativística) em sinais de radar que viajavam perto do Sol.

Hulse e Taylor mediram o decaimento do período orbital de uma

pulsar binário.

Em 2016 a colaboração LIGO anuncia a detecção direta das

Ondas Gravitacionais.

Hermano Velten

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Como e onde testar a Relatividade Geral

quase-estacionário/ CAMPO FRACO

Quase-estacionário/CAMPO FORTE

Altamente dinâmico/CAMPO FORTE

Regime Radiativo (ONDAS GRAVITACIONAIS)

Hermano Velten

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A expansão do Universo

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O que seria o Universo?

Que objeto estamos estudando?

Só é possível construir esta figura sabendo da

existência de matéria e energia escuras.

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Do que é feito tudo isso?

A origem dos elementos no início do universo.

Nucleossíntese Primordial. Primeiros 3 minutos!

Fim:

1) Inexistência de

núcleos estáveis

5<A<8

2) Expansão do universo

amortecida,

temperatura menor,

não é possível fazer

fusão dos Z>5

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Do que é feito tudo isso?

A origem dos elementos nas estrelas. Nucleosíntese estelar

10 Bilhões

7 Milhões

Duração

do ciclo

evolutivo

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Do que é feito tudo isso?

A origem dos elementos nas estrelas.

Nucleosíntese estelar:

Ciclo próton-próton

Ciclo CNO

Ciclo Triplo alpha

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Produção dos elementos mais pesados que o Fe 56

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Supernovas e a formação dos elementos pesados

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Processos “S”

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A origem dos elementos

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E o que NÃO

conhecemos de

todo o Cosmos?

Hermano Velten

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Aula II• O SETOR ESCURO DO UNIVERSO:

• Matéria Escura e Energia Escura

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Matéria Escura

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Evidências de Matéria Escura

• Evidências Astrofísicas:

• - Ocorrem em sistemas isolados como galáxias e

aglomerados;

• - Próximos slides.

• Evidências Cosmológicas:

• - Levam em conta a expansão do Universo.

• - Matéria escura surge como elemento imprescindível

• - Tema das aulas V e VI.

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Fritz Zwicky 1898-1974: Primeira evidência sobre matéria escura

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Aplicando o teorema do Virial (2K+W=0) ao aglomerado

de galáxias de COMA

Resultado: a razão entre sua massa e luminosidade é

M/L ~180 em unidades solares

Sistema Newtoniano!

Hermano Velten

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Curva de rotação de galáxias espirais

Vera Rubin ~1980

Qual o perfil de velocidade das estrelas e gases nesse sistema?

Hermano Velten

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Uma alternativa Clássica à Matéria Escura

MOND – Modified Newtonian dynamics

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Velocidade de rotação de uma partícula

teste ao redor de uma esfera de raio R,

massa M e densidade constante

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Fenômeno de lenteamento gravitacional•

Medindo o ângulo de deflexão da luz de uma estrela distante é possível obter a massa do objeto de interesse

Hermano Velten

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Imagens reais e muito interessantes

Anéis de Einstein

Hermano Velten

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Aglomerado da bala (2005)

Hermano Velten

Vídeo !!!!!!!

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Qual partícula representaria a Matéria escura?

Se existe uma partícula para a Matéria escura seus requisitos mínimos:

1) Interagir gravitacionalmente;

2) Não possuir carga. Caso contrário já teria sido detectada;

3) Seção de choque com núcleons muito pequena;

Qual a massa essa partícula deveria ter?

Matéria escura quente: leve e rápida!

Matéria escura fria: pesada e lenta!

Matéria escura morna: Algo entre quente e frio!

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ENERGIA

ESCURA

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Supernovas e a expansão acelerada do Universo:

o fenômeno ENERGIA ESCURA

Hermano Velten

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Astronomia oriental:Chineses observaram uma supernova em 1054C

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"for the discovery of the

accelerating expansion of the

Universe through observations of

distant supernovae"

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O conteúdo material do Universo• Descrição padrão:

● Matéria Bariônica (~5%)

● Neutrinos & Fótons (~0.08%)

Matéria Escura(~25%)

● Energia Escura (~70%)

Hermano Velten

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Os resultados da sonda PLANCK (2015)

confirmam esse modelo padrão

https://www.astro.virginia.edu/class/whittle/astr553/Topic01/t1_cos_combined.gif

ENERGIA ESCURA

A necessidade de explicar a

expansão acelerada do

Universo

Hermano Velten

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Matéria escura e Energia Escura correspondem a

cerca de 95% do conteúdo do universo

Não há evidência dessas partículas!

Hermano Velten

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Alguns modelos de energia escura:

Em um universo com Matéria (Bárions + Matéria

escura) e energia escura:

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Alguns modelos de energia escura:

Equação de estado:

Equação da continuidade:

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Parâmetro de desaceleração

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Aula III

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Princípio cosmológico

vs

Escala de homogeneidade do universo

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Hermano Velten

Superfície de último espalhamento

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Partículas: Neutrinos

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Partículas: Matéria Escura

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Fritz Zwicky (~1930)

Anos de 1970

Aglomerados de Galáxias: Mais massa do que se podia ver

Rotação de Galáxias:

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Energia: Energia escura

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Reionização do hidrogênio cósmico

pelas primeiras estrelas

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Aula IV

•Entender como pequenasperturbações existentes nadistribuição quase homogênea dedensidade de matéria no universoprimordial evoluem até o ponto deformar uma estrutura comogaláxias e aglomerados degaláxias.

Hermano Velten

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Perturbações cosmológicas• 1) Perturbações Newtonianas

• 1.a) Modos escalares (Foco dos próximos slides)

• 1.b) Modos vetoriais

• 2) Perturbações relativísticas

• 2.a) Modos escalares

• 2.b) Modos vetoriais

• 2.c) Modos tensoriais -> Ondas gravitacionais

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Efeito da energia escura no efeito Sachs-

Wolfe integrado

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Aula V

• Efeito Mészaros -> Bônus: Precisamos de

matéria escura

• Estágio não-linear de formação de

estruturas. Entender o porquê de um

excesso de densidade na distribuição de

matéria se desacopla do fluxo de Hubble e

colapsa para formar um objeto

astronômico.

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Evolução das perturbações na matéria

escura e bárions

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As perturbações lineares finalmente

chegaram ao estágio não-linear.

E agora?

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Simulações numéricas

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O que as simulações revelam?

Existem problemas com nosso

modelo padrão para a matéria

escura?

• Distribuição da matéria ao longo do halo:

Core/cusp

• Muitos satélites preditos! Mas não vemos

todos eles.

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