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 TRG de Einstein  fundamental para o desenv. da cosmologia
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 TRG de Einstein  fundamental para o desenv. da cosmologia gravitação = interação física dominate em escalas cosmológicas na TRG uma manifestação da geometria espaço-tempo relação entre matéria, energia e geometria

3 1o modelo cosmológico relativístivo (Einsten)
1917 1o 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 (Friedmann e Lemaître)
1922 Modelos homogêneos e isotrópicos dinâmicos (Friedmann e Lemaître) universo em expansão a partir de uma singularidade inicial (Big-Bang)

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

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

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

8 Correspondência entre a dinâmica newtoniana
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 No começo da formação do universo:
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 Bondi, Gold e Hoyle  modelo do estado estacionário
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 Thoje ~ 25 K Radiação cósmica de fundo (1965): T calculada de ± 0.01 K

11 Maarteen Schmidt  quasares
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 2) Estágios iniciais do universo dominados pela radição 3) Universo se expande com T e  diminuindo com t

13 Formação das partículas elementares
Conforme T diminui … Formação das partículas elementares E do campo de radição é convertido em pares partícula-antipartícula Para T < 1010 K nucleossíntese primordial: núcleos de He e D (até 3 min de idade…)

14 <E> dos fótons < E de ionização do H: p e è se combinam  H
T < 104 K (t ~ 500 mil anos) Época da recombinação <E> 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 inventário da ESTRUTURA DO UNIVERSO Unidades: 1 M  2×1033 g 1 pc  3.1 × 1013 km  3.3 anos-luz I. GALÁXIAS Sistemas autogravitantes constituídos por : estrelas gás poeira matéria escura raios cósmicos (90% p, 9% el. + pesados)

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

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 × 106 anos  ~ 1011 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 1011 M
Se toda a massa estivesse concentrada na região luminosa: vel. orbital diminuiria a partir de 15 kpc (v2=GM/R) região luminosa cercada por um halo escuro Mas até 40 kpc ~ 6 x 1011 M

24 MAssive Compact Halo Objects
(anãs marrons, anãs brancas, etc) Matéria escura: 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 órbitas randômicas elípticas gigantes: diâm. ~ n Mpc anãs: diâm. ~ 1 kpc Galáxia: diâm. ~ 30 kpc mais comuns gás quente (fig. c): T ~ n x 106 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 constituído por estrelas velhas
LENTICULARES Evidência de disco e bojo, pouco gás e sem estrutura espiral constituído por estrelas velhas Entre E7 e Sa : S0  sem barra SB0  com barra

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

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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 massas vão de 1015 a 1016 M (aglom. a super aglom.)
Normalmente galáxias agrupam-se em: pares grupos (~ 1 Mpc) aglomerados ( ~ alguns Mpc) (10% das galáxias) super aglomerados ( ~ Mpc) massas vão de 1015 a 1016 M (aglom. a super aglom.) da mesma forma supõe-se aglomerados = sistemas virializados M=2Rv2/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 < vescape v= maior v medida R= distância ao centro do aglom.

33 A nossa Galáxia forma um pequeno grupo com :
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
Contém 2500 galáxias M86 3 Mpc de dimensão M87

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

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 Satélite COBE = Cosmic Background Explorer (1989)
Mediu a radiação de fundo em vários s corpo negro de K rad. Homogênea, contendo anisotropias de amplitude T/T ~ 10-5 + tarde serão discutido os resultados do COBE