FORMAÇÃO DAS GRANDES ESTRUTURAS DO UNIVERSO. FINAL DA ERA RADIATIVA : Íons: 4 He, 2 H, 7 Li Formação dos primeiros elementos Época da recombinaçãoátomo.

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1 FORMAÇÃO DAS GRANDES ESTRUTURAS DO UNIVERSO

2 FINAL DA ERA RADIATIVA : Íons: 4 He, 2 H, 7 Li Formação dos primeiros elementos Época da recombinaçãoátomo de H universo transparente aos fótons radiação cósmica de fundo

3 Após a era radiativa :formação das grandes estruturas galáxias grupos (~1 Mpc) aglomerados (n Mpc) (10 15 M ) superaglomerados (50-100 Mpc) (10 16 M ) vazios estruturas filamentares

4 O começo da formação das estruturas FLUTUAÇÕES DE DENSIDADE = inomogeneidades do universo primitivo (produzidas no início da inflação?) +denso

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6 Cenários principais para a formação das estruturas: TOP-DOWN 1) formação de estruturas de dimensões de super-aglomerados fragmentação em galáxias modelo das panquecas Entre os aglomerados há formação natural de vazios

7 BOTTOM-UP 2) formação de estruturas de dimensões de galáxias anãs ou de aglomerados globulares estruturas maiores formadas pelo agrupamento gravitacional de estruturas menores modelo hierárquico

8 EVOLUÇÃO DA FLUTUAÇÃO DE DENSIDADE modelo simples para o colapso gravitacional massa de Jeans colapso F G > P P FGFG Condições em que ocorre o colapso gravitacional

9 Dada uma condensação de tamanho L, pode-se ter uma estimativa das condições em que ela colapsa Comparação entre t S = tempo que leva uma onda sonora para atravessar a condensação t C = tempo de queda livre do colapso t S = mede a escala de tempo de atuação da pressão (como o meio se comporta submetido a uma onda mecânica) t C = tempo de contração da condensação a um ponto, sob ação de sua auto-gravidade com P=0

10 Tempo que o som leva para atravessar a condensação de comprimento L L Tempo de colapso da condensação Definição: L J = comprimento de onda de Jeans, tal que t S =t C comprimento limite de equilíbrio entre P e F G L < L J pressão impede o colapso (condensação oscila) L > L J pode haver colapso

11 Massa de Jeans: é a massa mínima para a qual a pressão não pode impedir o colapso se M > M J a condensação colapsa

12 Cálculo da M J supondo um universo inteiramente bariônico Matéria visível e dark matter = bariônica Partindo da equação de continuidade de um fluído e da equação de movimento de um elemento de fluído (considerando que o gás inicialmente está em equilíbrio estático com vo=0, = o e P=P o ) Na era radiativa : velocidade do som constante na era radiativa

13 Considerando: mat R -3 ~ R R -4 T R -1 M J T -3 No final da era radiativa cresce com t pois T diminui M J no final da era radiativa : ~ mat e z~1000 Sabendo que :

14 Logo no final da era radiativa : M Após a época da recombinação matéria domina supondo que a maior parte da matéria bariônica é H comporta-se como um gás ideal monoatômico: para o H temperatura da matéria (associada aos movimentos peculiares que diminue com a expansão)

15 Como a expansão é adiabática : razão de calores específicos Para o H = 5/3 T mat R -2 Logo na era da matéria v S R -1 ; como ~ mat R -3 M J R -3/2 depois da recombinação M J diminui com t

16 Considerando mat ~ 2 10 -20 0 h 2 g/cm 3 Final da era radiativa (que quase coincide com a época da recombinação) e e T mat ~ 10 4 K M cai com cerca de 12 ordens de grandeza com o final de era radiativa e o começo da matéria M antes

17 flutuação de densidade = quantificação da condensação de matéria = excesso de densidade da condensação em relação à densidade Flutuações não conseguem crescer durante a era radiativa radiação interage fortemente com a matéria congelada Só evoluem após a era da recombinação matéria e radiação desacoplam Crescem como R(t) até se destacar da expansão quando = 1 elas expandem até um certo raio e depois começam a se contrair

18 A massa das 1 as estruturas dependem do tipo de flutuação Se a flutuação for isotérmica : rad mat matéria flutua numa sopa uniforme de fótons Após a recombinação as 1 as condensações a colapsar tem M Jmat ~ 10 6 ( oh 2 ) -1/2 M comparáveis a galáxias anãs ou aglomerados globulares Galáxias e aglomerados agregam-se BOTTOM-UP HIERÁRQUICO Durante a era radiativa:

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20 Se a flutuação for adiabática : rad mat fótons e matéria flutuam junto a difusão dos fótons suprime as condensações com M < M min partículas materiais tendem a aglomerar-se, mas os fótons exercem pressão e tendem a dispersa-las. logo na época da recombinação, todas as condensações com M < M min terão sido dissipadas M D ~ 10 12 ( oh 2 ) -3/2 M ~ a massa das galáxias + luminosas

21 Embora M Jmat ~ 10 6 M as 1 as estruturas a colapsar tem massa ~ M D, pois as de M menor já teriam sido dissipadas durante a ERA RADIATIVA. As estruturas que colapsaram não são necessariamente esféricas, como são grandes podem se contrair mais numa direção do que em outra estruturas filamentares ou achatadas TOP-DOWN (panqueca) Nas regiões centrais das panquecas, o gás se resfria e se fragmenta com M similares a galáxias depois cada galáxia se subfragmenta estrelas TEORIA DA FRAGMENTAÇÃO

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23 ~ 1980 : estruturas não podem ser formadas pela contração gravitacional levando-se em conta somente a matéria normal (bariônica) Razões principais: 1) Final da era radiativa (antes do desacoplamento da radiação da matéria) : intensa radiação não permite a contração gravitacional das flutuações haveria a contração somente depois do desacoplamento NO ENTANTO…

24 2) observação de pequenas flutuações após o desacoplamento: radiação cósmica de fundo flutuações na T de 1 parte em 10 5 em escalas de 10 0 ou mais Com a matéria bariônica, qualquer variação de densidade antes do desacoplamento variação na T (regiões + densas = regiões + quentes) as flutuações são maiores do que é observado

25 3) Quasares formados a z = 5 o processo de formação deveria estar bem estabelecido pelo menos em z ~ 10-20 4) A matéria que se contrai deve sobreviver à expansão do universo cálculos mostram que as massas pré-galácticas devem crescer em densidade por um fator de ~ 50-100 vezes no tempo estimado (z ~10-20) as pequenas flutuações observadas pela radiação cósmica de fundo não podem dar origem às galáxias neste tempo o universo ainda seria ± homogêneo no t que deveria ter galáxias já formadas

26 Ou seja: se galáxias foram formadas por flutuações de densidade da componente bariônica da matéria do universo primitivo, as flutuações deveriam ser tão grandes que certamente levariam a impressões observáveis na radiação cósmica de fundo. ESTA IMPRESSÃO NÃO É OBSERVADA!

27 MATÉRIA ESCURA A existencia da matéria escura dá uma explicação natural para as estruturas em larga escala que observa-se hoje. Natureza da dark matter: interage fracamente com a matéria bariônica e a radiação a contração não seria atrasada pelo campo de radiação as flutuações começariam a crescer bem antes do desacoplamento matéria-radiação (z ~ 6000) Matéria escura não é diretamente ligada com a radiação flutuações seriam grandes no tempo do desacoplamento sem haver efeito na radiação cósmica de fundo

28 Figura – a matéria escura determina a distribuição de massa no universo e está agrupada para formar a estrutura em larga escala sem violar qualquer vínculo observacional

29 Em tempo bem mais avançados, matéria bariônica é atraída por gravidade a regiões de + alta densidade forma galáxias e aglomerados de galáxias Este cenário explica porque tanta matéria escura é encontrada em halos em volta de galáxias visíveis (medidas por raios X, dinâmica) A matéria luminosa é fortemente concentrada perto dos picos de densidade

30 Propriedades da matéria escura para simular a formação de estruturas Dois tipos: 1.Quente 2.Fria Indicam a velocidade da partícula de matéria escura quando ela se desacoplou do resto da matéria bariônica do universo

31 1) QUENTE Ex: desacoplamento em T ~ 10 11 K (t ~ 0.3 s) M ~ 30 eV : relativísticos na época do desacoplamento Simulações com universo preenchido por matéria escura quente: super-aglomerados e vazios formam-se naturalmente, mas não consegue-se formar estruturas de escalas menores pequenas estruturas de material quente tendem a dispersar-se O tempo para formação de estruturas menores é muito grande, incompatível com o observado…

32 2) FRIA Partículas não relativísticas (v << c) na época do desacoplamento radiação matéria Ex: formada durante a fase GUT : bósons de Higgs prevê a maior quantidade de matéria em relação à anti-matéria Simulações mostram que este tipo de matéria facilmente reproduz estruturas de pequena escala

33 Galáxias formam-se preferencialmente em regiões + densas também podem produzir estruturas em larga escala! Mas o que se obtêm das simulações é um n o bem menor de estruturas em larga escala do que observa-se Simulação + bem sucedida : mistura de quente + fria : explica melhor as observações mais ainda têm-se muito o que avançar