NASCIMENTO E ESTRUTURA DO UNIVERSOUnidade 1 – Das Estrelas ao Átomo

O esforço para a compreensão do Universo é uma das muito poucas coisasque elevam a existência humana um pouco acima do nível da farsa e lhe dão algo do encanto da tragédia.

Steven Weinberg, físico americano,Prémio Nobel da Física em 1979

Objecto de ensino• Breve história do Universo

• Escalas de tempo, comprimento e temperatura

• Aglomerados de estrelas, nebulosas, poeiras interestelares,

buracos negros e sistemas solares.

• Processo de formação de alguns elementos químicos no

Universo

• As estrelas como "autênticas fábricas" nucleares

• Algumas reacções nucleares e sua aplicações

• Distribuição actual dos elementos no Universo

O nascimento do Universo

Versão em português

• Parte 1 de 5

• Parte 2 de 5

• Parte 3 de 5

• Parte 4 de 5

• Parte 5 de 5

Versão original

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Questões orientadorasPartes 1 e 2

• Como é que os átomos que temos no nosso planeta chegaram até aqui?

• O que havia no início?

• O que originou o Big Bang?

• O que observou Hubble?

• O que conclui com base nas suas observações?

• Quais são as limitações da teoria do Big Bang?

Questões orientadorasPartes 1 e 2

• Após o Big Bang, nas primeiras fracções de segundo, o que existe no Universo?

• Quais as primeiras partículas elementares formadas e que idade tinha o Universo nessa altura?

• Qual o acontecimento importante no instante t = 3 minutos?

• Que idade tinha o Universo quando surgiram os primeiros elementos químicos? Quais foram?

• Qual a importância das observações de Penzias e Wilson?

Teoria do Big Bang

- De acordo com a Teoria do Big Bang, o Universo surgiu de um estado de grande compressão e de temperatura e densidade muito elevadas (praticamente infinitas).

- O Universo entrou em expansão, muito rápida inicialmente (período de inflação) e mais lenta posteriormente.

O nascimento do Universo

Na realidade, não houve um “Bang”, mas sim um período de expansão extremamente rápido, mais rápido que a velocidade da luz.

Teoria do Big Bang

Big Bang

O nascimento do Universo

Universo de• Tempo• Espaço• Energia

origina

Teoria do Big BangO nascimento do Universo

- Com a expansão diminuiu a temperatura.

Big Bang : Expansão → Arrefecimento

-Aos t = 10-5 s e a T = 1013 K forma-se o “caldo inicial”, isto é, matéria e radiação, as duas formas de energia do Universo, que se interconvertem constantemente uma na outra.

E = m c2

Teoria do Big BangO nascimento do Universo

Teoria do Big BangO nascimento do Universo

Hipóteses:• universo é homogéneo e isotrópico (princípio cosmológico)• as leis da física são universais• validade da teoria da relatividade geral (Einstein, 1915)

Previsões teóricas:• universo está em expansão• radiação cósmica de fundo em microondas• abundância dos elementos primordiais: H, He, Li (nucleossíntese primordial)

Teoria do Big Bangcomprovação observacional

O nascimento do Universo

Lei de Hubble: existe uma relação linear entre a velocidade de recessão das galáxias e a distância às mesmas.

- Hubble verificou que as galáxias se estavam a afastar umas das outras e quanto mais longe estavam mais rápido pareciam mover-se.

- Hubble concluiu que o universo está em expansão. Mas, se o universo está em expansão, então em algum ponto no passado deveria ter sido infinitamente pequeno .

Previsão: Universo em expansãoComprovado: Lei de Hubble (1929)

Teoria do Big Bangcomprovação observacional

O nascimento do Universo

- Penzias e Wilson descobrem, acidentalmente, um “ruído rádio” provenientes de todas as direcções do cosmos na gama de microondas (T=2,7 K).

- Esta é a radiação existente no Universo primitivo que, após os electrões se unirem aos núcleos existentes para formar os primeiros átomos, ficou a vaguear livremente pelo espaço.

Previsão: Radiação cósmica de fundoComprovado: Penzias & Wilson (1964

Teoria do Big Bangcomprovação observacional

O nascimento do Universo

Previsão: Radiação cósmica de fundoComprovado: Penzias & Wilson (1964

Teoria do Big Bangcomprovação observacional

O nascimento do Universo

Previsão: Radiação cósmica de fundoComprovado: Penzias & Wilson (1964

- Gamow, Alpher e Herman, em 1948, previram a existência dessa radiação cósmica de fundo.

- Estes determinaram que o desacoplamento entre matéria e energia ocorreu quando o universo atingiu um T = 3000 K e os electrões se combinaram com os primeiros núcleos atómicos, enquanto a radiação , agora menos energética devido à expansão do universo, evoluiria isoladamente da matéria.

Teoria do Big Bangcomprovação observacional

O nascimento do Universo

Previsão: Radiação cósmica de fundoObservações mais recentes: COBE (1992) WMAP (2003 - …)

COBE – Cosmic Background Explorer

WMAP – Wilkinson Microwave anisotropy Probe

Teoria do Big Bangcomprovação observacional

O nascimento do Universo

Previsão: abundância dos elementos primordiais: H, He, Li (nucleossíntese primordial)Comprovado: cálculos teóricos estão de acordo com os dados observacionais

- A descoberta da radiação cósmica de fundo de microondas permitiu o cálculo da produção cosmológica de hélio, com base no modelo teórico do Big Bang, apontando valores ente 22% a 28% de hélio ( em massa). O restante é praticamente hidrogénio.

Teoria do Big Bang

A favor…

• Expansão do Universo

• Radiação cósmica de microondas

• Abundância relativa de elementos leves no universo

Limitações…

Não consegue dar resposta a questões como:

• Por que ocorreu o Big Bang?

• Como ocorreu?

• O que havia antes?

• Qual o destino do Universo?

O nascimento do Universo

Qual será o destino do Universo?

© Lynn Cominsky

Teoria do Universo oscilante ou PulsátilQual o destino do Universo?

Verificar-se-á um retardamento progressivo da expansão até à situação extrema de se inverter o sentido de movimento das galáxias

Iniciar-se-á uma contracção do Universo, que culminará com um novo Big Bang, recomeçando tudo de novo.

Teoria da Expansão permanenteQual o destino do Universo?

Defende que o Universo irá expandir-se para sempre, com as galáxias a afastarem-se continuadamente uma das outras

Teoria da Expansão permanenteQual o destino do Universo?

Defende que o Universo irá expandir-se quase indefinidamente, ou seja, acabará por desintegrar-se.

Teoria do Estado EstacionárioQual o destino do Universo?

Enquanto as galáxias se afastam uma das outras, formam-se novas galáxias nos intervalos, a partir de nova matéria e formação continua.

Em 1948, Hoyle publicou a "Teoria do Universo Estacionário", que rejeita a teoria do Big Bang.

Segundo Hoyle, o Universo não teria tido um início e a matéria é criada continuamente. Segundo o Big Bang, matéria teria sido formada toda de uma vez, no início do Universo.