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O UNIVERSO E A HISTÓRIA DO COSMOS
COSMOLOGIA (do grego κοσμολογία, κόσμος="cosmos"/"ordem"/"mundo"
+-‐λογία="discurso"/"estudo") é o ramo da astronomia que estuda a origem,
estrutura e evolução do Universo a partir da aplicação de métodos científicos.
COSMOLOGIA ≠ ASTROFÍSICA
A astrofísica é um ramo da Astronomia que estuda a estrutura e as
propriedades dos objetos celestes e o Universo como um todo através da
física teórica.
O BIG BANG
O Big Bang, teoria mais aceita por astrônomos e astrofísicos, relata que o Universo emergiu de um estado extremamente quente e denso há cerca de 13,7 bilhões de anos.
O termo “Big Bang” na verdade é uma ironia, pois o Universo teria emergido de uma singularidade inicial (estado de densidade e temperatura infinita) e, como não havia um meio para a propagação de ondas sonoras, não teria ocorrido a “explosão”.
O BIG BANG
Fred Hoyle, astrônomo britânico, foi o criador deste termo pejorativo. Ele defendia um modelo cosmológico altenativo chamado “Teoria do Estado Estacionário”.
A LEI DE HUBBLE Em 1929, o astrônomo Edwin Hubble publicou uma série de observações feitas através de um telescópio, onde mostrou que a luz de várias galáxias são desviadas para o vermelho no espectro eletromagnético (Redshift). Assim, sua maior descoberta foi que as galáxias distantes se afastavam de nós e que todas as galáxias, simultaneamente, se afastavam uma das outras. Como resultado, temos a relação linear:
v = H0d, onde v é a velocidade com que as galáxias se afastam de nós; d é a distância das galáxias até nós e H0 é a constante de Hubble. A Lei de Hubble marca o início da cosmologia moderna observacional.
A LEI DE HUBBLE
Gráfico da Lei de Hubble, mostra a relação entre distância e velocidade para diversos aglomerados de galáxias. O quadrado no canto inferior esquerdo representa a região em que se encontravam as galáxias observadas por Hubble na década de 20.
A LEI DE HUBBLE
Extrapolando a Lei de Hubble para o passado, vemos que as
distâncias devem ter sido zero em algum momento no passado.
Naquele momento, o Universo era concentrado em um ponto
(singularidade), que pode ser considerado o começo do Universo
(Big-‐Bang).
Supondo que o Universo está expandindo à taxa atual desde o
seu começo, conseguimos estimar a sua idade: tH = d/ v = 1/ H0 = Tempo de Hubble = 13,8 bilhões de anos.
A LEI DE HUBBLE OBS:
Na verdade, a taxa de expansão não é constante, ou seja, ela varia com o tempo. Logo, o correto é chamarmos de parâmetro de Hubble H(t), onde H0 é o valor atual do parâmetro do Hubble.
Cálculos recentes que levam em conta a variação da taxa de expansão, chegam que o Universo possui 13,7 bilhões de anos, quase o valor estimado usando uma taxa constante.
PRINCÍPIO COSMOLÓGICO
Estamos no centro do Universo? Em grandes escalas o Universo é:
• Isotrópico: todas as direções são equivalentes, ou seja, não há uma posição/direção privilegiada.
• Homogêneo: possui as mesmas propriedades físicas ponto a ponto.
PARTÍCULAS ELEMENTARES � Na natureza existem 12 tipos de partículas elementares que constituem a matéria. � Elas são divididas em dois grupos chamados de Quarks e Leptons. � Toda partícula elementar possui uma anti-‐partícula, que possui as mesmas propriedades físicas da partícula, porém com carga oposta.
PARTÍCULAS ELEMENTARES
OBS: Quase todas as partículas elementares são instáveis; Este fato dificulta a detecção delas è (Acelerador de partículas).
PARTÍCULAS ELEMENTARES
Quarks e Leptons são diferenciados pela maneira em que cada um interage com as quatro forças fundamentais.
FORÇAS FUNDAMENTAIS
Na Natureza, existem quatro forças fundamentais que agem através de PARTÍCULAS MEDIADORAS. � Força Gravitacional (gráviton); � Força Eletromagnética (fóton); � Força Nuclear Forte (glúon); � Força Nuclear Fraca (bósons);
-‐ Quarks sentem a força forte, Leptons não; -‐ Ambos (Quarks e Leptons) sentem as outras três forças;
OBS: talvez a força gravitacional não seja uma força e o gráviton não exista.
O BIG-‐BANG 0: O começo do tempo ocorre com o Big Bang . O Universo
emerge de uma singularidade inicial de um estado
extremamente quente e denso. Desde então o Universo
expande e diminui sua temperatura;
Até ~5.10ˆ(-44) sec (T ≥ 10^33 K): Era de Planck (ou Era da Gravitação Quântica): densidade e
temperatura altas demais para serem tratadas pela física que
conhecemos hoje em dia. Unificação das quatro forças
fundamentais;
O BIG BANG 10ˆ(-43) s – 10ˆ(-36) s (T ≥ 10ˆ28 K): Época da GUT (Grand Unified Theory, “Grande Teoria Unificada”): As forças eletromagnética, nuclear forte e fraca eram unificadas em uma. O Universo consistia de uma “sopa” primordial de quarks (os constituentes dos prótons e dos nêutrons. Matéria e anti-‐matéria se formavam e se aniquilavam constantemente. 10ˆ(-36) s - 10ˆ(-34) s (T ~ 10ˆ28 K): Era da Inflação: aumento exponencial do tamanho do Universo por um fator ≥ 10^43 em menos 10ˆ34 s. A “sopa” primordial prevalecia, mas parte das partículas virtuais (aquelas que estavam se formando e aniquilando) se tornaram reais.
O BIG BANG 10ˆ(-34) s – 10ˆ(-11) s, 10ˆ28 K ≥ T ≥ 10ˆ15 K: Época eletrofraca: As forças eletromagnética e fraca ainda eram unificadas em uma, porém bem distintas da força forte . A “sopa” primordial continuou. Esta época também é chamada de “grande deserto”, por que não houve a formação de partículas novas. 10ˆ(-11) s – 1 ms, 10ˆ15 K ≥ T ≥ 10ˆ12 K: Época das partículas: As forças eletromagnética e fraca se “desacoplaram”, e se tornaram duas forças distintas. A “sopa” primordial se transformou em prótons e nêutrons (sobrando de um pequeno desequilíbrio entre matéria e anti-‐matéria). Estes, são os mesmos prótons e nêutrons que constituem a matéria hoje.
O BIG BANG 1 ms – ~5 min, 10ˆ12 K ≥ T ≥ 10ˆ9 K: Época da nucleossíntese: Fusão nuclear dos prótons e nêutrons, formam núcleos de hélio e uma pequena quantidade de deutério, lítio e berílio. => Composição química primordial do Universo: H (~76 %), He (23 a 24 %), D (0.01 %), Li (< 0.01 %). ~98 % dos átomos de hoje. 4 min – ~379.000 anos: 10ˆ9 K ≥ T ≥ 3000 K: Época dos núcleos: Núcleos e elétrons interagindo constantemente com fótons (“partículas de luz”).
O BIG BANG ~379.000 anos, T ~3000 K: Final da época dos núcleos; “Recombinação” (é um termo ruim): núcleos e elétrons formando átomos elétricamente neutros: => Não interagiam mais com os fótons; ⇒ Desde então, a luz pode viajar livremente pelo espaço e o Universo se torna
"transparente”. A luz emitida pouco antes, na “superfície de última difusão” ainda está permeando o Universo e pode ser observada como Radiação cósmica de fundo.
O BIG BANG
500.000.000 anos, T ~100 K Formação das primeiras estrelas. 1 bilhão anos, T~20K Era das galáxias: formação de protoaglomerados de galáxias e de galáxias. 10 bilhões anos, T~3K Era presente. Formação do Sistema Solar e o desenvolvimento da vida. As estruturas se formam “de baixo para cima”.
O BIG BANG • Universo continua se expandindo e se resfriando! As distâncias
entre as galáxias e entre os aglomerados de galáxias aumentam com o tempo.
• O Universo irá se expandir para sempre? • Qual o futuro do Universo?
GEOMETRIA DO ESPAÇO
O Big Bang, como vimos, não criou somente a matéria e a radiação, mas o próprio espaço e o tempo. A Relatividade Geral afirma que o Espaço-‐Tempo é curvo na presença de massa/energia. Assim, qual seria a formato do Universo? Como a massa/energia poderia deformá-‐lo? Porque isto é importante para determinar o seu futuro?
GEOMETRIA DO ESPAÇO
De acordo com o modelo cosmológico do Big Bang, a DENSIDADE DE ENERGIA do Universo determinará o seu futuro. O matemático e cosmógolo russo Alexander Friedmann, descobriu um conjunto de soluções das equações da Relatividade Geral. Essas soluções incluem expansão infinita ou recolapso do Universo.
GEOMETRIA DO ESPAÇO A geometria do Universo depende da densidade de energia. Ela pode ser: � Plana (Euclidiana). � Hiperbólica (Aberta). � Fechada (Esférico).
GEOMETRIA DO ESPAÇO
ATENÇÃO: O espaço não é uma superfície (espaço 2D) dentro do espaço 3D, é um espaço 3D contido em um espaço 4D, onde não temos acesso à quarta dimensão (neste caso a quarta dimensão não é o tempo), mas que é análogo ao espaço 2D contido no espaço 3D.
GEOMETRIA DO ESPAÇO
� Se a densidade crítica (Ω) é definida como a densidade de energia necessária para parar a expansão do Universo, devido à força gravitacional. � Se a densidade de matéria for maior que a densidade crítica (Ω > 1), o Universo é espacialmente fechado. Se uma nave viajasse em linha reta, voltaria ao mesmo ponto depois de um tempo. O Universo se expandiria em um limite máximo e depois iria se contrair chegando a condições similares ao do Big Bang (Big Crunch).
GEOMETRIA DO ESPAÇO
� Se a densidade de matéria for igual à densidade crítica (Ω = 1), o Universo é plano, ou seja, ele se expandiria para sempre
mas a velocidade das galáxias seria cada vez menor, chegando a
zero no infinito.
�Se a densidade de matéria for menor que a densidade crítica (Ω < 1), o Universo é espacialmente aberto e continuará se
expandindo para sempre.
O UNIVERSO IRÁ SE EXPANDIR PARA SEMPRE? Medidas recentes indicam que: -‐ A matéria no Universo não chega nem perto da densidade necessária para parar e reverter a expansão. -‐ A matéria “comum” (átomos), também chamada de bariônica, equivale a apenas 4 % da densidade crítica. -‐ Além dela, parece existir uma matéria invisível, de outra natureza (por exemplo, partículas elementares ainda não detectadas), em quantidade bem maior do que a bariônica, a matéria escura não-‐bariônica. -‐ Juntas, a matéria bariônica e a matéria escura não-‐bariônica equivalem a aproximadamente 30 % da densidade crítica. => O Universo continuará expandindo!!!
O UNIVERSO IRÁ SE EXPANDIR PARA SEMPRE?
Porém, estudos recentes indicam que o Universo está se expandindo aceleradamente e que possui uma geometria plana, ou seja, Ω = 1. Como explicar os 70% de densidade de energia que faltam? ENERGIA ESCURA!!! Ou seja, 96% do Universo é constituído por matéria desconhecida!
PRÓXIMA AULA
� EVIDÊNCIAS DO BIG-‐BANG;
� RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO; � MATÉRIA ESCURA; � ENERGIA ESCURA;