GEA /Observatório do Valongo Ioav Waga Instituto de Física GEA /Observatório do Valongo UFRJ De Onde Viemos? O Universo Primitivo Astronomia Para Poetas “Omnibus ex nihil ducendis sufficit unum” Leibniz

Uma visão do Universo por volta de 2000 a.C. O deus-sol Ra criou a si mesmo, juntou-se a sua sombra e tornou-se pai de gêmeos, Shu, o deus do ar, e Telnut, a deusa da chuva. Shu e Telnut uniram-se e também tiveram gêmeos, o deus-terra Geb e a deusa-céu Nut. Geb e Nut por sua vez uniram-se, mas o avô, Ra, zangado e ciumento ordenou que Shu os separasse e que mantivesse Nut bem acima da Terra, como convém a uma deusa-céu. Desde então, Nut toca a Terra somente com as pontas de seus dedos das mãos e dos pés. Sua barriga, coberta de estrelas, que são seus filhos, formam o arco do firmamento.

Uma visão do Universo por volta de 1000 d.C. Nessa época os modelos de Universo consideravam que a Terra estava no centro de tudo e que o céu era uma tampa com buracos. A luz proveniente de fogos ardendo no lado de fora brilharia através dos buracos e alcançaria a Terra como a luz das estrelas.

Uma visão do Universo por volta de 1500 d.C. Niclas Kopernik (1473 – 1543)

Uma visão do Universo por volta de 1900 d.C. Sistema Solar Composição: estrelas Organização: 30,000 anos luz Origem: ? William Herschel (1738-1822)

Uma visão do Universo por volta de 2000 d.C.

Preliminares Notação científica 1 Giga = 109 = 1000000000 1 Mega = 106 = 1000000 1 Kilo = 103 = 1000 1 Mili = 10-3 = 0,001 1 Micro = 10-6 = 0,000001 Diâmetro do núcleo atômico = 10-13 cm Distância Terra - Sol = 1.5 x 1013 cm Distância Sol- Andrômeda = 2.2 x 1023 cm 1023 = 100000000000000000000000 1 parsec = 3,26 anos-luz = 3,09 x 1013 Km

Preliminares Grandes Números Nossa galáxia possui 100 bilhões (1011) de estrelas. No Universo observável há 100 bilhões (1011) de galáxias. No Universo observável há portanto 1022 estrelas Um balde cheio de areia possui 1 bilhão de grãos de areia. Cem baldes cheios de areia terão 100 bilhões (1011) de grãos de areia que é igual o número de estrelas na galáxia. Em todas as praias do mundo há em torno de 1023 grãos de areia. Número de células no corpo humano – 1014 Número de átomos em um grama – 6 x 1023 Número de átomos no corpo humano – 6 x 1023 x (60 x 103 g) = 4x1028 Número de prótons no Universo observável - 1078

Preliminares Um dos objetivos da Cosmologia é estudo da Estrelas Preliminares Galáxias Aglomerados de galáxias Um dos objetivos da Cosmologia é estudo da estrutura do Universo em grandes escalas. Vazios e Filamentos Estruturas encontradas no Universo:

Preliminares Quando olhamos para o espaço estamos vendo o Universo em seu passado. A luz de Andromeda, por exemplo, leva 2.3 x 106 anos para chegar até nós. O Universo tem uma história. Existe uma evolução no Universo. É também objetivo da Cosmologia entender esta evolução.

Uma visão do universo por volta de 2000 d.C. diâmetro Da Lua Hubble Deep Field Terra Sol Kolb

Uma visão do universo por volta de 2000 d.C. Hubble Deep Field 3000 galáxias aqui 100 bilhões Em todo o céu

Hubble e a descoberta de galáxias. Edwin Powel Hubble: 20/11/1889 - 28/9/1953

Observatório do Monte Wilson

Hubble e a descoberta de galáxias. 1923 - Hubble observa 2 novas e uma estrela variável em Andrômeda. A estrela variável foi uma descoberta fundamental! Por que? Após uma sequência de observações Hubble concluiu que a estrela variável era uma Cefeida. Andrômeda

ANDRÔMEDA

Um esquema de nossa galáxia 1kpc = 1000 pc = 3260 anos luz

Grupo Local

Idade Universo – ~ 14 bilhões de anos Terra – 4,5 bilhões de anos (45 anos) Primeiras formas de vida (35 anos atrás) A vida nos oceanos florece abundantemente (6 anos atrás) Plantas e animais na terra (4 anos atrás) Dinossauros atingem o máximo 1 ano atrás e desaparecem a ~ 4 meses Os primeiros humanoides aparecem na última semana. A nossa espécie (homo sapiens) só surge a 4 horas atrás. A agricultura foi inventada na última hora. O Brasil foi descoberto a 3 minutos atrás.

O modelo padrão da Cosmologia A. A. Friedmann A cosmologia moderna parte de algumas hipóteses de trabalho. As leis da física, válidas no sistema solar valem também para o resto do Universo. As leis da física, podem também ser extrapoladas para o passado. Principio de Copérnico: não ocupamos um lugar privilegiado - somos observadores típicos. Princípio Cosmológico: o Universo é espacialmente homogêneo e isotrópico. isotropia local + homogeneidade = isotropia global Gravitação é dominante em grandes escalas. Alcance das interações fraca e forte ~ 10-13 cm. Embora e2/GMp2 >>1, os grandes agregados são eletricamente neutros.

Os 3 pilares básicos da Cosmologia 1 1. A expansão do universo

A expansão do Universo Hubble

A lei de Hubble Não há centro do Universo

Para onde estão as galáxias se expandindo? Sim Não

Curvatura espacial positiva Curvatura espacial nula Curvatura espacial negativa

A expansão do Universo Kolb Acelerado Separação entre galáxias Desacelerado sem recolapso Separação entre galáxias Desacelerado com recolapso tempo Kolb

Os 3 pilares básicos da Cosmologia 2 2. A existência de uma radiação cósmica de fundo de microondas

A Radiação Cósmica de Fundo Em 1964, os rádio-astrônomos Arno Allan Penzias (1933-) e Robert Woodrow Wilson (1936-) do Bell Laboratories descobriram acidentalmente a radiação cósmica de fundo de microondas. Essa descoberta é uma enorme confirmação do chamado modelo padrão da Cosmologia e por essa descoberta eles receberam o prêmio Nobel em 1978. A radiação cósmica de fundo havia sido predita nos anos 40 por George Gamow (1904-1968) e seus estudantes Ralph Asher Alpher e Robert Herman, como a radiação remanescente do estado inicial do Universo, ou mais precisamente, de quando ele ficou transparente à radiação, isto é, quando o Universo tinha ~300000 anos. Penzias e Wilson

Núcleos e elétrons livres Universo opaco Universo transparente Terra Átomos Terra Superfície de último espalhamento (z ~1000)

A Radiação Cósmica de Fundo COBE 1989 Características principais: É uma radiação de corpo negro de microondas (T ~ 3 oK). A radiação é, altamente isotrópica DT/T ~ 1.2 x 10-5 . Contudo ela possui uma anisotropia dipolar, DT/T ~ 1.2 x 10-3 , que decorre da nossa velocidade em relação ao referencial da radiação de fundo; v ~ 360 km/seg

Radiação Isotrópica Desvio para o vermelho Desvio para o azul Sem desvio Desvio para o vermelho Desvio para o azul Sem desvio

Problema de horizonte ou isotropia Limite de influência < 2˚ As 2 regiões não possuem conexão causal entre elas. Terra Universo Observável

O cenário Inflacionário A. Guth Expansão Usual Tamanho do Universo observável (m) 10-60 10-40 10-20 1 10 20 10 40 Período Inflacionário Hoje 10-40 10-30 10-20 10-10 1 1010 Tempo (Segundos)

Os 3 pilares básicos da Cosmologia 3. A formação de elementos leves

A formação de elementos leves Alpher Bethe Gamov Em 1946, Alpher, Bethe e Gamov sugeriram a possibilidade de que todos os elementos químicos teriam sido gerados através de uma longa cadeia de captura de nucleons em 1 Universo primordial em expansão e que estaria esfriando-se. O esquema falha pois não há elementos leves estáveis com número de massa 5 e 8.

A formação de elementos leves Nucleosíntese Primordial Predições da teoria: Forma, essencialmente, Hydrogênio & 4Hélio Também forma 2H, 3He, Li. Depende da razão entre prótons e neutrons na época e da taxa de decaimento do neutron. Razão (p:n) = 7:1 Abundância (por massa) de hélio = 25% do total. p n 2H 3He 4He 2H 4He 3He 6Li 7Li 9Be 1H A=5 A=8 +2He (Raro) Predições estão basseadas em física bem conhecida

A formação de elementos leves Nucleosíntese Primordial Valor Observado Valor Predito As observações estão em excelente acordo com as previsões teóricas. Forte suporte ao modelo padrão da Cosmologia 1 He ~25% Região permitida 10-3 Abundância Relativa D 10-6 Li 10-9 0.005 0.01 0.02 Densidade Atual de Bárions Bh2

O modelo padrão da Física de Partículas A BUSCA DA UNIFICAÇÃO E A GRAVITAÇÃO ? Por que a busca da unificação? Fenômenos sem relação aparente surgem como tendo a mesma origem. 2)Parâmetros arbitrários passam a ter uma explicação. 3)Simplicidade (razão estética). SUPERCORDAS, TEORIA M ???

O modelo padrão da Física de Partículas Excelente base experimental . Contudo, os físicos de partículas não estão satisfeitos e não acreditam que essa seja a última teoria. Algumas razões: Estrutura de grupo complexa. 21 parâmetros livres. Por que a carga elétrica do próton é igual, em valor absoluto, a do elétron ? Por que os férmions repetem-se em famílias ? Não há uma explicação para a origem da matéria escura.

O modelo padrão da Física de Partículas Interação Eletromagnética (QED) A força esta associada a carga elétrica ESPAÇO T E M P O Elétron Fóton

As partículas elementares 3 F A M Í L I S SABOR MASSA GeV CARGA ELÉTRICA

O modelo padrão da Física de Partículas Os quarks possuem outra propriedade além da carga elétrica. Os quarks possuem COR Eles apresentam-se em 3 cores Os léptons não possuem cor. Eles não sofrem a interação forte. Antipartículas A Interação Forte Cromodinânica Quântica - QCD

O modelo padrão da Física de Partículas Os quarks estão confinados em hádrons Só existem 2 possibilidades: 3 quarks com cores distintas Quark e antiquark com cores e anticores correspondentes.

O modelo padrão da Física de Partículas QCD – 8 mediadores (gluons) Interação Forte Méson p+ 2. A Interação Forte – Cromodinânica Quântica - QCD Cromo – A força atua não sobre a carga elétrica mas sobre a carga de cor. A força é também proporcional ao produto das cargas. QCD possui os mesmos princípios que a QED, porém é mais complexa. QED – 1 carga (elétrica) QCD – 3 cargas (cor) QED – 1 mediador (fóton) QCD – 8 mediadores (gluons)

O modelo padrão da Física de Partículas Mediador Atua sobre Gráviton Todas Gravidade W+ W- Z0 Quarks Léptons Fraca Eletromagnética Fóton carregados Eletrofraca Forte Gluon Gluons 1 10-2 10-5 10-39 Intensidade O modelo padrão da Física de Partículas Neutron Próton A Interação Fraca Decaimeto do Neutron 3. A Interação Fraca spin L - esquerdo Direção do movimento spin R - direito A interação fraca possui 3 mediadores Direção do movimento A interação fraca distingue se a partícula é direita ou esquerda. Somente partículas direitas e antipartículas esquerdas possuem carga fraca. A interação fraca praticamente dobra o número de partículas Primeira geração: 2 léptons e 6 (2x3) quarks = 8 partículas 8 partículas + 8 antipartículas => 16 x 2 (R , L) = 32 partículas Só são encontradas na natureza neutrinos esquerdos e antineutrinos direitos => 32 – 2 = 30 partículas

Tempo Temperatura do Universo Energia hoje Gravidade Eletromagnetismo Força Fraca Força Forte

O Universo Primitivo T < 1 GeV ~ 1.2 x 1013 oK – física bem conhecida 1 GeV < T < 1016 GeV – até 100 GeV a física é razoavelmente conhecida ; para T > 100 GeV as predições dependem de modelos. 1016 GeV < T < 1019 GeV – bastante especulativo. Para T > 1019 GeV a gravitação deve ser quantizada.

História do Universo Desacoplamento matéria radiação Era Eletrofraca T. Fase Eletrofraca Era GUT Inflação Era Planck T. Fase Quark-Hádron Nucleosíntese primordial Formação de galáxias

Sol torna-se uma gigante vermelha Futuro Possível do Universo Hoje Sol torna-se uma gigante vermelha 19 bilhões de anoss Até o Inferno congela Centenas de bilhôes anos Botafogo volta a Primeira Divisão Centenas de Bilhões de anos bilhões de bilhões de anos Fim do Universo t 14 bilhões de anos Kolb

Assimetria matéria – antimatéria As condições de Sakharov Antimatéria pode converter-se em matéria se: (a) O próton decair. (b) A simetria CP é violada. (c) Existe um período de dese-quilíbrio térmico no Universo. Sakharov

Maiores avanços teóricos e sucessos da Cosmologia no século XX Relatividade Geral como teoria de gravitação ; existência de um quadro auto-consistente. Expansão do Universo e a lei de Hubble (1929) . Alpher, Herman e Gamov fazem a previsão da existência de uma RCF de 3oK. Descoberta da RCF por Penzias e Wilson (1964). Previsão da nucleosíntese primordial (Alpher, Bethe e Gamov - 1948). Concordância da teoria com as observações. Previsão da existência de matéria escura (não bariônica) e seu papel na formação de estruturas. Inflação e o problema das condições iniciais no Universo (Guth – 1980). Origem das flutuações de densidade para formação de estruturas. Bariogênese e assimetria matéria e antimatéria. Energia escura e a aceleração da expansão (1998). Grandes questões abertas Natureza da matéria e da energia escura. Gravitação quântica e a origem do Universo. Quadro mais completo para a formação de galáxias e aglomerados.

Bibliografia: http://www.if.ufrj.br/~ioav/nota.html Cosmology: The Science of the Universe - E. R. Harrisson Astronomy Today – Chaisson & McMillan Uma biografia do Universo – F. Adams e G. Laughlin A Short History of the Universe - J. Silk Os 3 Primeiros Minutos – S. Weinberg Dobras no Tempo – G. Smmot & K. Davidson A expansão do Universo: Notas didáticas do IF/UFRJ - I. Waga http://www.if.ufrj.br/~ioav/nota.html

O conceito de elementos Para Aristóteles existiam 4 elementos Terra Água Fogo Ar Dalton (1808) listou, vários elementos que hoje reconhecemos.

A Tabela Periódica Mendeleev (1869) introduziu a tabela periódica.

A estrutura dos átomos 10-10 m Rutherford (1912) mostrou que os átomos contem um núcleo central. Elétrons giram em torno do núcleo 10-10 m

A estrutura do núcleo Os núcleos possuem prótons com carga +e e neutrons sem carga elétrica. 10-14 m

A estrutura dos nucleons Neutrons e prótons são formados por quarks 10-15 m

? Estrutura dos quarks? Não há evidência de outras estruturas <10-18 m

Antimatéria P A M Dirac previu a existência do pósitron em 1928. A equação de Dirac implica: massa do pósitron = massa do elétron carga do pósitron = + e

Descoberta de antimatéria Anderson (1932) descobriu o pósitron

Produção de pares Aniquilação de pares