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COSMOLOGIA Modelos físicos para a estrutura, origem e evolução do Universo baseados na OBSERVAÇÃO Desenvolvimento principal no século XX teoria da relatividade.

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1 COSMOLOGIA Modelos físicos para a estrutura, origem e evolução do Universo baseados na OBSERVAÇÃO Desenvolvimento principal no século XX teoria da relatividade geral (TRG) cosmologia newtoniana

2 Histórico da Cosmologia do século XX No início: distribução achatada, esferoidal e estática de estrelas : universo de Kaptein mas nebulosas espirais (= galáxias) fora ou dentro da distribuição de estrelas? 1915 gravitação = interação física dominate em escalas cosmológicas na TRG uma manifestação da geometria espaço-tempo relação entre matéria, energia e geometria TRG de Einstein fundamental para o desenv. da cosmologia

3 o modelo cosmológico relativístivo (Einsten) universo com espaço estático de curvatura K>0 e cte. + matéria uniformemente distribuída introdução da constante cosmológica para o equilíbrio do universo em relação à força gravitacional

4 1922 Modelos homogêneos e isotrópicos dinâmicos (Friedmann e Lemaître) universo em expansão a partir de uma singularidade inicial (Big-Bang)

5 1924 HUBBLE descoberta das variáveis cefeidas indicadores de distância nebulosas espirais são extragalácticas determinação da distância de Andrômeda Universo formado por galáxias

6 1929 A velocidade de uma galáxia distância LEI DE HUBBLE evidência do universo em expansão

7 1933 Análise do aglomerado de Virgo por Zwicky 1) gravitacionalmente ligado 2) massa total > > m em estrelas matéria escura

8 1934 Milne e McCrea Correspondência entre a dinâmica newtoniana de uma esfera gasosa e a teoria de Einstein a escala de expansão satisfaz ambas as teorias (para p=0) 1935 Princípio Cosmológico: Em escalas suficientemente grandes: universo isotrópico e homogêneo

9 1946 Gamow No começo da formação do universo: matéria quente e densa o suficiente para ocorrer reações termonucleares densidade de matéria e energia dominada pela radição

10 1948 Bondi, Gold e Hoyle modelo do estado estacionário universo homogêneo no tempo + criação contínua de matéria Alpher, Bethe e Gamow radiação quente do ínicio do Universo esfriou devido à expansão com T hoje ~ 25 K Radiação cósmica de fundo (1965): T calculada de ± 0.01 K

11 1963 Maarteen Schmidt quasares 1981 Guth modelo inflacionário Baseado na teoria de grande unificação das partículas elementares tenta resolver os problemas do modelo cosm. padrão (Big-Bang) Nos seus instantes iniciais o universo teria sofrido uma transição de fase que teria provocado uma expansão exponencial (esta expansão = inflação!!)

12 O modelo cosmológico padrão universo começou a formar-se a ~ 10 a 20 Ganos atrás através do Big-Bang BB = singularidade nas equações que descrevem o universo: 1) T e inicialmente arbitrariamente elevadas 3) Universo se expande com T e diminuindo com t 2) Estágios iniciais do universo dominados pela radição

13 Conforme T diminui … Formação das partículas elementares E do campo de radição é convertido em pares partícula-antipartícula Para T < K nucleossíntese primordial: núcleos de He e D (até 3 min de idade…)

14 T < 10 4 K (t ~ 500 mil anos) Época da recombinação dos fótons < E de ionização do H: p e è se combinam H primeiros átomos no universo! densidade da matéria > densidade da radiação início da ERA DA MATÉRIA

15 Após a época da recombinação: Formação dos corpos celestes Flutuações de densidade = embriões dos corpos celestes Modelo padrão explica bem: A) expansão do universo B) abundâncias do elementos leves H, D e He C) radiação cósmica de fundo de T=2.7 K D) Paradoxo de Olbers : porque a noite é escura??

16 ESTRUTURA DO UNIVERSO Unidades: 1 M 2×10 33 g 1 pc 3.1 × km 3.3 anos-luz I. GALÁXIAS Sistemas autogravitantes constituídos por : estrelas gás poeira matéria escura raios cósmicos (90% p, 9% el. + pesados) inventário da

17 MORFOLOGIA: CLASSIFICAÇÃO DE HUBBLE 4 tipos básicos: elípticas espirais barradas espirais irregulares

18 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS ESPIRAIS disco em rotação, braços de espirais e bojo densidade estelar maior no centro do bojo Sa, Sb e Sc tamanho do bojo Sc: estrutura espiral indefinida

19 ESTRUTURA DE ESPIRAIS VIA LÁCTEA HALO : estrelas velhas DISCO: gás, poeira, estrelas velhas e jovens BOJO: estrelas velhas e jovens, sem gás

20 ÓRBITAS DAS ESTRELAS DISCO: órbitas circulares ao redor do centro (v~2 d/T) viz. solar v~ 220 km/s se d=8 kpc ~ 225 milhões de anos p/ fazer uma volta rotação diferencial HALO: comp. randômica >> comp. ordenada alta excentricidade BOJO: comp. randômica < halo mas ainda >> comp. ordenada

21 OS BRAÇOS DE ESPIRAIS Esboço dos braços: emissão em rádio da linha de 21-cm do H pelo gás interestelar Diâmetro do disco ~ 30 kpc Espessura ~ 300 pc (estrelas) ~ 140 pc (gás) viz. solar

22 MASSA DA GALÁXIA Para discos de galáxias: gás e estrelas seguem leis de Kepler + Newton a vel. orbital em torno de um potencial central cresce com a M central e decresce com a distância ao centro M do volume contido na órbita do Sol r ~ 8 kpc; T ~ 225 × 10 6 anos ~ M Para medir a maiores distâncias observações em rádio do gás velocidade de rotação em cada ponto da Galáxia curva de rotação

23 Região luminosa até 15 kpc ~ 2 x M Mas até 40 kpc ~ 6 x M região luminosa cercada por um halo escuro Se toda a massa estivesse concentrada na região luminosa: vel. orbital diminuiria a partir de 15 kpc (v 2 =GM/R)

24 Matéria escura: MAssive Compact Halo Objects (anãs marrons, anãs brancas, etc) Weakly Interating Massive Particles (partículas subatôminas com m, mas sem interação)

25 ESPIRAIS BARRADAS

26 ELÍPTICAS sem estrutura espiral e sem disco (maior parte) E1…E7 elipticidade estrelas velhas, sem formação estelar, sem gás (frio) interestelar elípticas gigantes: diâm. ~ n Mpc anãs: diâm. ~ 1 kpc Galáxia: diâm. ~ 30 kpc mais comuns órbitas randômicas gás quente (fig. c): T ~ n x 10 6 K

27 Massa de elípticas: TEOREMA DO VIRIAL supondo que as estrelas dentro da galáxias tenham atingido uma situação de equilíbrio orbital, ou seja, as órbitas estão virializadas V = dispersão de velocidades R = raio da galáxia

28 LENTICULARES Entre E7 e Sa : S0 sem barra SB0 com barra Evidência de disco e bojo, pouco gás e sem estrutura espiral constituído por estrelas velhas

29 IRREGULARES gás interestelar, estrelas jovens, sem estrutura definida Irr1 e Irr2 (anãs irregulares : mais comuns) intensa formação estelar

30

31 Observadas a distâncias bem maiores que as galáxias brilhantes: rádio galáxias núcleos brilhantes que emitem em rádio, associados a galáxias elípticas quasares (QSO) distâncias muito maiores (grande redshift) quasar 3c 273

32 Normalmente galáxias agrupam-se em: pares grupos (~ 1 Mpc) aglomerados ( ~ alguns Mpc) (10% das galáxias) super aglomerados ( ~ Mpc) massas vão de a M (aglom. a super aglom.) da mesma forma supõe-se aglomerados = sistemas virializados M=2Rv 2 /G, onde v = vel. média das galáxias e R= raio médio onde se mediu a v Outra maneira: medir a v individual das gal. E supor que v < v escape v= maior v medida R= distância ao centro do aglom.

33 II. GRUPO LOCAL A nossa Galáxia forma um pequeno grupo com : Nuvens de Magalhães a algumas esferoidais anãs Grupo Local: Galáxia + Andrômeda + dezenas de gal. menores 45 galáxias no total Massa, diâmetro e distância de algumas galáxias do grupo local tabela 1 (pág 8)

34 vermelho: elípticas azul: espirais branco: irregulares Andrômeda Galáxia : 800 kpc

35 III. AGLOMERADO DE VIRGO M87 M86 Contém 2500 galáxias 3 Mpc de dimensão

36 IV. O SUPERAGLOMERADO LOCAL tamanho total ~ Mpc (junto com Centaurus e Hydra) Grupo local situa-se a18 Mpc do centro (centro ~ aglomerado de Virgo)

37 muitos superaglomerados apresentam estruturas filamentares ou paredes (assinalado em vermelho na fig.) vazios ~ 50h -1 Mpc similar ao tamanho dos aglomerados... mapas construídos atavés da lei de Hubble (v rec d) survey com 1057 galáxias distâncias são dadas assumindo-se h=65 km/s/Mpc

38 distâncias estimadas com h=65 km/s/Mpc

39 V. RADIAÇÃO DE FUNDO fontes distantes ou meio intergaláctico microondas é mais intenso ( entre 80 cm e 1 mm) espectro de corpo negro com T = 2.7 K Detectada por Penzias e Wilson (1964) durante pesquisa sobre a interferência nas comunicações via satélite

40 Modelo cosmológico padrão: supõe ser relíquia dos instantes iniciais do universo (radiação primordial) radiação de altíssimas energias ( ~ raios gamma) observado hoje com ~ rádio

41 rad. Homogênea, contendo anisotropias de amplitude T/T ~ Satélite COBE = Cosmic Background Explorer (1989) + tarde serão discutido os resultados do COBE Mediu a radiação de fundo em vários s corpo negro de K


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