COSMOLOGIA Ednilson Oliveira

COSMOLOGIA O que é Cosmologia ?

COSMOLOGIA Cosmologia é o estudo em larga escala do Universo, sua formação e evolução. Para enterdemos isso devemos entender como é o Universo e seus contituintes. O Universo foi modificando conforme a evolução das Filosofias e das Ciências.

COSMOLOGIA A evolução do conceito de Universo! Os primeiros modelos cosmológicos científicos podem ser encontrados em obras de filósofos como Pitágoras de Samos (séc. VI a.C) e Platão (séc. IV a.C.). Ambos acreditavam que o Universo era composto por duas esferas: uma esfera terrestre, sobre a qual viviam os homens, e uma esfera celeste, na qual estavam coladas as estrelas. Os planetas eram corpos errantes que vagavam entre as duas esferas.

COSMOLOGIA Eudóxo (séc. IV a.C.), propôs um modelo de esferas concêntricas, cada uma para um planeta, com a Terra ocupando a esfera central e as estrelas pressas à efera mais externa. Este modelo foi incorporado à obra de Aristóteles. Aristóteles de Estagira (séc. IV a.C.), No Universo aristotélico os planetas moviam-se ligados a esferas transparentes concêntricas, numa ordem bem definida; a Terra era composta por quatro elementos básicos: água, ar, terra e fogo, e os corpos celestes por um quinto elemento, o éter. Afirmava que o Universo era esférico e finito. Estas idéias permaneceram por muito tempo. Demócrito (séc. IV a.C.), Acreditava ser a Via-Láctea um conjunto muito grande de estrelas.

COSMOLOGIA Aristarco de Samos (310-230 a.C.) já acreditava que a Terra se movia em volta do Sol, e já estudava o tamanho e distância do Sol e da Lua. Eratóstenes de Cirênia (276-194 a.C.), bibliotecário e diretor da Biblioteca Alexandrina, foi o primeiro a medir o diâmetro da Terra, usando método de triangulação entre Siena e Alexandria.

COSMOLOGIA Ptolomeu (Claudius Ptolemaeus, 85-165~d.C.) compilou uma série de 13 volumes sobre astronomia, conhecido como o Almagesto (O Grande Sistema), que é a maior fonte de conhecimento sobre a astronomia na Grécia. A contribuição mais importante de Ptolomeu foi uma representação geométrica do sistema solar, com cículos e epiciclos, que permitia predizer o movimento dos planetas com considerável precisão, e que foi usado até o Renascimento, no século XVI. Este modelo Geocêntrico durou por cerca de quinze séculos.

COSMOLOGIA No início do século XVI, a Renascença estava sacudindo as cinzas do obscurantismo da Idade Média, e trazendo novo fôlego a todas as áreas do conhecimento humano. Nicolau Copérnico representou o Renascimento na Astronomia. Copérnico (1473-1543) foi um astrônomo polonês com grande inclinação para a matemática. Estudando na Itália, ele leu sobre a hipótese heliocêntrica proposta (e não aceita) por Aristarco ( 300 a.C.), e achou que o Sol no centro do Universo era muito mais razoável do que a Terra. Copérnico registrou suas idéias num livro - De Revolutionibus- publicado no ano de sua morte. O Heliocêntrismo veio com força, porém ainda não era aceito.

COSMOLOGIA As realizações mais importantes de Copérnico foram: Introduziu o conceito de que a Terra é apenas um dos seis planetas (então conhecidos) girando em torno do Sol (Heliocêntrismo). Colocou os planetas em ordem de distância ao Sol: Mercúrio, Vênus, Terra, Marte, Júpiter, Saturno (Urano, Netuno e Plutão). Determinou as distâncias dos planetas ao Sol, em termos da distância Terra-Sol. Deduziu que quanto mais perto do Sol está o planeta, maior é sua velocidade orbital. Dessa forma, o movimento retrógrado dos planetas foi facilmente explicado sem necessidade de epiciclos.

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COSMOLOGIA Galileu Galilei (1564-1642): Apontou uma luneta para a Via-Láctea e confirmou a velha hipótese de Demócrito, de que era formada por muitas estrelas. William Herschel (1738-1822) pôde afirmar que a Via-Láctea era mesmo constituídas de estrelas, observou também os aglomerados e descobriu Urano. No início do séc. XVII o limite do universo se expandiu. A Via-Láctea passou a ser a nova fronteira, e não mais o modelo Heliocêntrico apenas. O grande debate era agora cerca das nebulosas espirais, (Andrômeda).

COSMOLOGIA Immanuel Kant (1724-1804) e Pierre Laplace (1749-1827) encabeçaram a discussão. Para Kant as nebulosas espirais eram universos-ilha, semelhante à Via-Láctea, Laplace no entanto acreditava que elas seriam sistemas solares em formação. Até o início do séc. XX a natureza física desses objetos era misteriosa. O problema foi resolvido pelo astrônomo Edwin P. Hubble (1889-1953), nas décadas de 20 e 30, que finalmente provou que a razão estava com Kant. Depois disso várias galáxias foram estudas e suas distâncias foram medidas, o universo se ampliava a cada ano.

COSMOLOGIA A expansão do Universo Em 1929 Hubble, observando o deslocamento para o vermelho nas linhas espectrais das galáxias (Efeito Doppler-Fizeau) e medindo ele próprio suas distâncias, verificou que as galáxias estavam se afastando com velocidades proporcionais à sua distância, isto é, quanto mais distante a galáxia, maior sua velocidade de afastamento. Isso constituiu a primeira evidência para a expansão do Universo, já predita pelo russo Alexander Friedmann (1888-1925) e pelo belga Georges-Henri Édouard Lemaître (1894-1966) em 1927.

COSMOLOGIA Com isso Hubble propôs uma medida de como se dá a expansão, Lei de Hubble. V = H0 d Onde v é a velocidade de recessão de uma galáxia, H0 ~ 50 - 100 km/s M/pc é a cte de Hubble e d é a distância da galáxia. Para H0 = 50 km/s M/pc, temos a idade do universo como sendo 20 bilhões de anos, que é o chamado tempo de Hubble, um valor aproximado para a idade do Universo. Este valor depende da cte de Hubble e a idade do Universo gira em torno de 10 a 20 bilhões de anos.

COSMOLOGIA Lei de Hubble

COSMOLOGIA Princípio Cosmológico Apesar da descoberta da expansão do Universo, muitos pesquisadores, acreditavam na Teoria do Estado Estacionário, isto é, que o Universo era similar em todas as direções e imutável no tempo, com produção contínua de matéria para contrabalançar a expansão observada, mantendo a densidade média constante. Esta teoria foi proposta por Herman Bondi (1919-), Thomas Gold (1920-) e Fred Hoyle (1915-). Princípio Cosmológico Princípio Cosmológico: Em escalas suficientemente grandes, todos os lugares devem ser iguais. O Universo é Homogêneo e Isotópico

COSMOLOGIA Outros vínculos, ou parâmetros cosmológicos observáveis: Parâmetro de Densidade: É a densidade média do Universo em relação à densidade crítica, definida, por sua vez, como aquela necessária para eventualmente deter a expansão, ou não. Constante de Hubble: É a medida da idade do Universo. Parâmetro de Desaceleração: É a medida da variação da velocidade de expansão, com o tempo. Desvio Espectral: É uma medida de expansão do Universo, obtida através da velocidade de recessão das galáxias.

COSMOLOGIA O Big Bang A teoria do Big Bang leva em conta que se as galáxias estão se afastando umas das outras, como observado por Edwin Hubble nos anos 1930. Então no passado elas deveriam estar cada vez mais próximas, e num passado remoto, 10 a 20 bilhões de anos atrás, deveriam estar todas num mesmo ponto, muito quente, uma singularidade espaço-tempo, que se expandiu no Big Bang. O Big Bang, ou Grande Explosão, criou não somente a matéria e a radiação, mas também o próprio espaço e o tempo. Este é o início do Universo que podemos conhecer.

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COSMOLOGIA O padre e cosmólogo belga Georges-Henri Édouard Lemaître (1894-1966) foi provavelmente o primeiro a propor um modelo específico para o Big Bang, em 1927. Ele imaginou que toda a matéria estivesse concentrada no que ele chamou de átomo primordial e que este átomo se partiu em incontáveis pedaços, cada um se fragmentando cada vez mais, até formar os átomos presentes no Universo, numa enorme fissão nuclear. Sabemos que este modelo não pode ser correto, pois não obedece às leis da relatividade e estrutura da matéria (quântica), mas ele inspirou os modelos modernos. Alexander Friedmann(1888-1925) descobriu toda uma família de soluções das equações da teoria da relatividade geral. A família de soluções para a teoria de relatividade geral encontrada por Friedmann e Lemaître descreve um Universo em expansão, e eles são chamados os pais da Cosmologia.

COSMOLOGIA As soluções possíveis das equações da relatividade geral incluem expansão eterna ou recolapso. Os modelos se dividem em três classes. Se a densidade de matéria for alta suficiente para reverter a expansão, o Universo é fechado, como a superfície de uma esfera, a expansão parará e haverá novo colapso ao estado denso (Big Crunch). Se a densidade for muito baixa, o Universo é aberto e continuará se expandindo para sempre. O terceiro caso, chamado de Universo plano, ou marginal, é o limite entre o Universo aberto e o fechado. O Universo neste caso se expande para sempre, mas a velocidade das galáxias será cada vez menor, chegando a zero no infinito. Neste caso, o Universo é Euclidiano. Qual destes modelos representa o Universo real continua um dos cernes da cosmologia moderna (depende da matéria escura).

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COSMOLOGIA Em 1948 George Gamow demostrou que para os modelos de expansão do Universo, o mesmo havia passado por um estado inicial de alta temperatura, alta densidade e volume pequeno, onde não podia existir matéria, somente energia. Ele demostrou que, com a expansão do Universo até o volume atual, a radição inicial havia em grande parte se convertido em matéria, através da equação de Einstein da Relatividade E = Mc^2. Porém parte do que seria a radiação inicial do Big-Bang teria permanecido na forma de energia e deveria permear o Universo Todo. Radiação Cósmica de Fundo ~ 2,7 K.

COSMOLOGIA Em 1964, a descoberta acidental da radiação de microondas do fundo do universo pelos rádio-astrônomos Arno Allan Penzias (1933-) e Robert Woodrow Wilson (1936-), sacudiu os últimos crédulos na Teoria do Estado Estacionário, e reforçou a teoria do Big Bang, ou a Grande Explosão. Penzias e Wilson, que receberam o prêmio Nobel em 1978, publicaram seus resultados do excesso de emissão observado como a detecção da radiação remanescente do Big Bang. (na verdade quando ele ficou transparente, 300 000 anos após o início, há 12 bilhões de anos).

COSMOLOGIA Por que acreditar no BIG-BANG Existem duas evidências até agora irrefutáveis de que houve um Big-Bang: A Radiação de Fundo de 2,7 K que permeia todo o Universo o Movimento de Recessão das galáxias, indicando sua expansão.

COSMOLOGIA O Modelo-Padrão de Big-Bang Singularidade t = 0. A rigor, não se pode iniciar o estudo da evolução do Universo desde o instante inicial, ou seja, t = 0.

COSMOLOGIA Era de Planck. Nada se pode dizer da evolução do universo desde o instante inicial até t = 10^-43 s, quando o Universo tinha 10^-33 cm de raio, durante a chamada Era de Planck. A Teoria da Relatividade e a Mecânica Quântica são inaplicáveis simultaneamentes nesta situação.

COSMOLOGIA Era dos Hádrons (Era das Partículas Pesadas). A Evolução começa com a chamada Era das Partículas Pesadas. A partir do Big-Bang, o Universo iniciou sua expansão, o que havia era uma sopa de fótons de alta energia. Com a expansão, a densidade e a energia começou a cair rapidamente, a 10^-6 s após a “explosão” começaram a se formar as partículas elementares muito pesadas e instáveis, como híperons e os mésons, que por sua vez decaíram em outras menos pesadas, mais estáveis, como prótons e nêutrons, mais os neutrinos. As partículas pesadas, mais estáveis são chamadas de hádrons.

COSMOLOGIA Era dos Léptons (Era das Partículas Leves). Com 10^-4 s de idade, o Universo já estava suficientemente frio para que fossem formadas as partículas leves (ou Léptons), como os elétrons e os pósitrons. Esta Era das Partículas Leves acabou quando havia se passado 1 segundo da “explosão” inicial. Uma vez formadas as partículas elementares, o Universo era ainda dominado pela radiação.

COSMOLOGIA Era da Radição ou Era da Nucleossíntese Primordial. A expansão e a consequentee diminuição da temperatura proporcionaram às partículas elementares as condições para que elas se combinassem formando os elementos químicos de menor massa atômica, Foram assim formados o hidrogênio, o deutêrio, o hélio. Isto a 1 minuto do Tempo Cósmico. A formação dos elementos mais pesados do que isso foi impossível, devido as altas densidades e a rápida expansão do volume, assim a fusão dos elementos so viria a acontecer posteriormente nos núcleos estelares.

COSMOLOGIA Era da Matéria. Após cerca de 2 mil anos da nucleossíntese primordial, a quantidade de matéria no Universo passou a ser finalmente maior que a quantidade de radiação disponível, e este sai da Era da Radiação e entra na Era da Matéria. Tempo Cósmico 10 mil anos.

COSMOLOGIA Desacoplamento. Finalmente, quando a densidade de energia baixou o suficiente, a radiação passou a transitar no Universo independente da matéria, ocorrendo o chamado desacoplamento da matéria e da radiação. Deve-se notar que o desacoplamento ocorreu a 300.000 anos após o Big-Bang, isto define também o Limite Observacional (ainda não alcançado). O Universo torna-se transparente. Temperatura T = 1.000 K.

COSMOLOGIA 1 bilhão de anos  Começa a formação das galáxias 3 bilhões de anos  Começa a aglomeração das galáxias 4 bilhões de anos  Formação das primeiras estrelas 15,5 bilhões de anos  Inicia-se a formação do Sol 20 bilhões de anos  Época atual

COSMOLOGIA O que o modelo Padrão (Big-Bang) não explica. Assimetria matéria-antimatéria: Matéria > antimatéria, modelo padrão prevê quantidade iguais. Achatamento: as evidências observacionais são que o Universo é virtualmente plano, implicando uma densidade igual a densidade crítica, o que é improvável pelo modelo-padrão. Formação das galáxias: como hoje se sabe que existem galáxias quase tão velhas quanto o Universo, elas devem ter sido formadas no universo primitivo, por flutuações locais de densidades, as quais não são previstas pelo modelo padrão.

COSMOLOGIA Modelo Inflacionário. Este modelo está baseado da unificação das quatro forças que existem na natureza (gravitacional, eletromagnética, fraca e forte). Este nome refere-se a uma expansão extremamente rápida do Universo, a 10^-35 e 10^-25 s após o t = 0, o que explica em parte o que o modelo-padrão não explica.

COSMOLOGIA Nós nunca cessaremos de explorar E o fim de toda nossa exploração Será voltarmos ao lugar de onde partimos E o conhecer pela primeira vez Little Gidding - T.S. Eliot