Cosmologia Laerte Sodré Jr. IAG/USP 14/09/2004

1. Cosmologia Laerte Sodré Jr. IAG/USP 14/09/2004

2. algumas observações relevantes • a noite é escura! • o universo é homogêneo e isotrópico • ...

3. homogeneidade e isotropia

4. O paradoxo de Olbers O universo pode ser infinito. Mas, então, porque a noite é escura?

5. O modelo do Big Bang • a expansão do universo • a radiação cósmica de fundo • a abundância dos elementos leves • a origem da estrutura em grandes escalas • ...

6. A expansão do Universo Galáxias em todas as direções estão se afastando de nós com velocidades que aumentam com a distância

7. A expansão do universo O espaço se expande, e todos os observadores observam o mesmo fenômeno.

8. A expansão do universo O espaço se expande, e as galáxias acompanham a expansão! A expansão faz com que o comprimento de onda da luz que viaja de uma galáxia para outra aumente (fique mais “vermelho”): é o redshift. A intensidade desse redshift depende de quanto tempo a luz viajou, isto é, de sua distância.

9. Visões do passado Quando observamos galáxias cada vez mais distantes, em redshifts cada vez maiores, estamos observando-as cada vez mais no passado, devido à velocidade finita da luz.

10. O modelo do Big-Bang • Einstein, 1916: Teoria da Relatividade Geral – a distribuição de matéria e energia produz uma curvatura no espaço • Einstein, 1917: universo hiper-esférico estático • Sobral, 1919: observação da deflexão da luz das estrelas pelo Sol • Friedmann, 1922: equações de um universo em expansão • Hubble, 1929: expansão do universo • Lemaitre, 1930: “pai do modelo do BB”

11. modelos cosmológicos as observações podem ajudar a determinar a forma do universo e como ele vai evoluir...

12. Geometrias:a soma dos ângulos de um triângulo depende da curvatura

13. A quantidade de matéria e energia determina a evolução do universo. • universo “aberto”: densidade menor que uma certa densidade crítica (k=-1) • universo “fechado”: densidade maior que a densidade crítica (k=+1) • universo “plano”: densidade igual à densidade crítica (k=0)

14. Oi pessoal! Observador Será que o universo é assim mesmo? Proponho modelos de universo Testes observacionais dos modelos Vamos dar uma olhada? complicado,mas sem desanimar… Probleminha? Galáxias evoluem!

15. história do universo no modelo do Big-Bang

16. O Big Bang • t=0: o BB – singularidade inicial • t=10-43 s: tempo de Planck “caos quântico” e “antes” do Big-Bang? → o espaço e o tempo nascem juntos com o nosso universo

18. universos paralelos - multiversos???

19. mas após o BB... • Criação da matéria a partir da radiação

21. Conforme o universo se resfria, diversos tipos de matéria vão se formando (e desaparecendo) • Os protons se formam a partir de uma sopa de quarks, logo no começo do universo

22. Nucleosíntese primordial • Durante os primeiros minutos a temperatura e a densidade eram suficientemente altas e permitiram a criação do deutério, hélio e uma pequena quantidade de lítio • Mas como não há núcleos estáveis com peso atômico 5 ou 8, este processo parou por aqui! • Os demais elementos seriam formados muito mais tarde, no interior das estrelas.

23. nucleosíntese primordial

24. As duas eras do universo • Era da radiação • Era da matéria • A densidade de energia e de matéria evoluem de forma diferente... • Era radiativa: o universo era opaco aos fótons • Era da matéria: o universo fica transparente aos fótons

25. centenas de milhares de anos depois do BB: a recombinação Podemos detectar hoje a radiação remanescente do BB: a Radiação Cósmica de Fundo (RCF). Vemos a RCF em qualquer direção que olhamos. A radiação vai se resfriando enquanto viaja até nós. A “superfície do último espalhamento” está muito longe, no redshift z~1000

26. O mapa da radiação cósmica de fundo

27. A radiação cósmica de fundo A RCF fo descoberta nos anos 60 por Penzias e Wilson. Seu espectro é o de um corpo negro com temperatura T = 2.73 K.

28. Formação de galáxias Durante a era radiativa as estruturas não podiam se formar. Só depois que o universo se resfriou a ponto da matéria começar a dominar foi que as galáxias e outras estruturas puderam começar a se formar.

29. As flutuações na RCF são as sementes das estuturas • Flutuações de temperatura: 1 parte em 105! • Crescem pela ação da gravidade

30. ? Formação de galáxias Condições iniciais

31. Gás poeira poeira poeira SN Gás IR  UV  IV  UV  IV  UV  H e- e- e- Radio  e-

32. The Trifid Nebula primeiras estrelas? • z ~ 20...

33. ~hoje: ~13 bilhões de anos depois do BB, em grandes escalas o universo visível é povoado por galáxias

34. mas... do que é feito o universo? WMAP + outras observações recentes: • k=0 (Ώ=1.02±0.02) • (27±4)% de “matéria escura” • (73±4)% de “energia escura” • cosmologia de precisão

35. mas… do que é feito o universo? • anos 30: Zwicky encontra as primeiras evidências de matéria escura hoje: a maior parte da matéria no universo está numa componente que não emite nem absorve luz • final dos anos 90: a observação de supernovas distantes indica que a expansão do universo está se acelerando, e não desacelerando, como se esperaria evidência da ação da “energia escura”

36. mas... do que é feito o universo? • Aglomerado de galáxias • Efeito de lente gravitacional

37. determinação de massas por lentes

38. Zwicky (~1930): há muito mais massa em aglomerados do que a que podemos associar a estrelas! a maior parte da massa no universo é escura... ...e não bariônica!!!!!

39. não bariônica? • bárions: protons, neutrons.. • para explicar a abundância dos elementos leves (nucleosíntese primordial), a fração da quantidade de matéria em bárions deve ser de ~5% • mas o total de matéria é da ordem de 30% da densidade crítica • o que constitui a matéria escura????????

40. energia escura • supernovas: “velas padrão” • bons indicadores de distância • observação de SNs distantes: parecem estar mais distantes do que se esperaria pelo seu redshift →o universo parece estar sendo acelerado por uma energia escura!!!!!!!! • O que constitui a energia escura????????????

41. o lado escuro da cosmologia atual • O que constitui a matéria escura? • O que constitui a energia escura? • ?????????????????