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

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

homogeneidade e isotropia

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

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 ...

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

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

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.

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.

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”

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

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

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)

Será que o universo é assim mesmo? Oi pessoal! 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! Observador

história do universo no modelo do Big-Bang

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

universos paralelos - multiversos???

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

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

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.

nucleosíntese primordial

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

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

O mapa da radiação cósmica de fundo

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.

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.

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

Formação de galáxias Condições iniciais ?

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

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

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

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

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”

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

determinação de massas por lentes

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!!!!!

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????????

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????????????

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