Astronomia

Big Bang(a expansão do universo)

Principais físicos(astrônomos)

•  Eratóstenes (276 aC -195 aC)• Cláudio Ptolomeu (90 dC – 168 dc)• Abd al-Rahman al-Sufi (903 dc – 986 dc)• Nicolau Copérnico (1473 – 1543)• Johannes Kepler (1571 – 1630)• Galileu Galilei (1564 – 1642)• Christiaan Huygens (1629 – 1695)• Sir Isaac Newton (1643 – 1727)• Albert Einstein (1879 – 1955)• Edwin Hubble (1899 – 1953)• Stephen Hawking (nascido em 1942)• Giovanni Cassini (1625 – 1712)• Edmond Halley (1656 – 1742)• Charles Messier (1730 – 1817)• William Herschel (1738 – 1822)• Henrietta Leavitt Swann (1868 – 1921)• Harlow Shapley (1885 – 1972)• Frank Drake (nascido em 1930)• William K. Hartmann (nascido em 1939)• Carl Sagan (1934 – 1996)

Explosão térmica

Nota: Mapa que retrata o momento de origem do universo. As manchas vermelhasindicam regiões mais 'quentes', e as azuis, as mais 'frias'. A forma oval reflete

uma projeção bidimensional similar à usada para representar o globo terrestre.

Geocentrismo (geo= terra e centrismo= centro)

Defensores do geocentrismo: Aristóteles(384-322 a.C.)  e Cláudio Ptolomeu (90 d.C. – 168 d.C.) 

Heliocentrismo(hélio= sol e centrismo= centro

Principais defensores do heliocentrismo: Nicolau Copérnico (1473 – 1543), Johannes Kepler (1571 – 1630), Galileu Galilei (1564 – 1642) e Sir Isaac Newton (1643 – 1727)

Universo em expansão

Big Bang• - Em 1912 Vesto Slipher mostrou que a galáxia Andrômeda está se aproximando

da nossa. E em 1917, mediu a velocidade de várias nebulosas concluindo que a maioria delas está se afastando de nós.

• - Após ler o trabalho de Einstein, Willem de Sitter encontrou soluções que levavam a universos bem estranhos (sem matéria, mas com movimento).

• - Em 1922 Aleksandr aleksandrovitch Friedmann - publica um artigo com modelos de universos dinâmicos.

• - Em 1923 Edwin Hubble usando um telescópio gigante e o efeito Doppler descobre que o universo está se expandindo.

• - Hubble publica seus dados somente em 1929.• - Antes disso, em 1927, Georges Henri Joseph Edouard Lemâitre um padre e

também físico publicara um artigo com soluções cosmológicas prevendo a expansão do universo, mas foi ignorado.

• - Mas após os trabalhos de Hubble, ele foi levado a sério e em 1931 publicou um artigo na revista Nature propondo a idéia do “Átomo Primordial”.

• - Em 1948 Thomas Gold e Hermann Bondi e independentemente, Fred Hoyle, propõem um modelo sem criação e estático.

• - na mesma época George Gamow e colaboradores propuseram o modelo Big Bang. Nome dado por ironia por Fred Hoyle.

Erros conceituais

• Não houve uma explosão como um fogo de artifício.• Não há um lugar que seja o centro do universo.• O universo está em expansão,mas nós não.

Comprovações do big bang

• - Expansão do universo, comprovada pelo efeito Doppler• - 1965 - Descoberta da radiação de fundo• - Proporção de hélio observado• - Galáxias de bilhões de anos atrás parecem claramente

“mais jovens” e mais próximas. • - Flutuações de temperatura, detectadas em 1990 pelo

satélite Cosmic Background Explorer (Cobe), e a relação precisa dessa variação com o ângulo de observação, medida pela primeira vez em experimentos divulgados no ano 2000

• - Polarização da Radiação Cósmica de Fundo

Radiotelescópio Dasi, localizado no Pólo Sul, com o qual foi medidaa polarização da radiação cósmica de fundo (foto: Erik Leitch)

A sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) foi lançada em 2001 eestá a 1,6 milhão de quilômetros da Terra (imagens: Nasa/equipe da WMAP)

Imagens obtidas pelo telescópio espacial Hubble, das gáláxias mais antigas formadas cerca de 400 a 700 milhões de anos após o Big Bang usando HUDF (Hubble Ultra Deep View) 

Principais problemas do modelo

• - Necessidade do modelo Inflacionário, que ainda não possui muitas evidências experimentais.

• - Incompatibilidade entre a Teoria da Relatividade e a Mecânica Quântica para descrever os momentos iniciais do universo (quando a distância é menor que o tamanho atômico).

• - Não explica como o universo começou, apenas como está evoluindo.

Sir Isaac Newton o “pai” da física moderna(1643 – 1727)

• Diz uma lenda que, quando tinha 23 anos, Newton viu uma maçã cair de uma árvore e compreendeu que a mesma força que a fazia cair mantinha a Lua em sua órbita em torno da Terra.

• Do ponto de vista cosmológico, a gravidade faz com que a matéria dispersa se aglutine, e que essa matéria aglutinada se mantenha intacta, permitindo dessa forma a existência de planetas, estrelas, galáxias e a maior parte dos objetos macroscópicos no universo. A gravidade é ainda responsável por manter a Terra e os demais planetas e satélites nas respetivas órbitas

Gravidade

• A gravidade é uma das quatro forças fundamentais da natureza, em conjunto com a força forte, eletromagnetismo e força fraca, a força da gravidade é a única entre as quatro forças que não pode ser medida ou quantizada.

Lei da Gravitação Universal de Newton

“Dois corpos atraem-se gravitacionalmente com forças de intensidades diretamente proporcional ao produto de suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que separa seus centros de gravidade.”

221..

d

mmGF

2

211 .

10.67,6kg

mNG

Onde G é a constante de gravitação universal :

• Newton explica: "Todos os objetos no Universo atraem todos os outros objetos com uma força direcionada ao longo da linha que passa pelos centros dos dois objetos, e que é proporcional ao produto das suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da separação entre os dois objetos."

Aceleração da gravidade

Obs: Um corpo em queda livre em direção à superfície da Terra apenas sob ação da gravidade, acelerará à uma taxa de 9,80665 m/s (32,174 pés/s) por cada segundo que o corpo esta caindo

As leis de Isaac Newton

• 1º Inércia

• 2º Principio fundamental da dinâmica

• 3º Ação e reação

Inércia

Principio fundamental da dinâmica

Ação e reação

Teoria da relatividade espacial e geral

Tempo

Espaço

Espaço-tempo

Propriedades do sol

Características geraisMassa 2 x 1030 kg Raio 700 000 km Densidade média central

1409 kg/m3 160 000 kg/m3

Luminosidade 3.9 x 1033 erg/s Temperatura superfície central

5785 K 1.5 x 107 K

Composição química: Hidrogênio Hélio Oxigênio Carbono Nitrogênio

92,1 % 7,8 % 0,061 % 0,039 % 0,0084 %

Período rotacional equador pólos

25 dias 31 dias

Estrutura solar

• Núcleo: 10% da massa solar, T=15 milhões K reações termo-nucleares (4H He)

• Camada radiativa: ener-gia flui por radiação (10% até 70% do raio solar)

• Camada convectiva: energia flui por convecção T<10,000 K (70% do raio solar até a superfície)

Granulação

Convecção

Atmosfera solar

• Fotosfera:  superfície  até 300  km,  T=5800  K, manchas solares

• Cromosfera:  10,000  km acima  da  superfície, T=15,000  K,  cor  aver-melhada em eclipses

• Coroa:  até  2  raios solares,  T=2-4  milhões  K, vento solar

Fotosfera

Cromosfera

Coroa

• Observada  a  olho  nu durante eclipses sola-res

• Bastante  difusa  (baixa densidade)

• Inomogênea• T=2 a 4 milhões K

O Sol em vários comprimentos de onda

•  Cromosfera      (H )a

•  Fotosfera   (luz branca)

•  Baixa coroa    (17 GHz)

O Sol em vários comprimentos de onda

•  Cromosfera (ultra-violeta)

• Baixa coroa(UV extremo)

•  Coroa (raio-X)

Formação do Sol

• Formação: 10 milhões de anos– nuvem  molecular  em forma de disco

– o  proto-sol  no  centro  e proto-planetas  ao  redor formaram-se  simulta-neamente

– quando  temperatura  no centro  alta  suficiente   nasce uma estrela

•   Clique  na  figura  acima  para  ver  a animação  da  formação  do  sistema solar

Maturidade do sol

• Seqüência principal: 10 bilhões de anos– Hoje: estrela comum com idade de 4.6 bilhões de

anos– conversão de H em He no núcleo pelas reações

nucleares– equilíbrio hidrostático:

pressão do gás = pressão gravitacional

Futuro do Sol

• Gigante vermelha: 1.5 bilhões de anos– esgota-se o H do núcleo inicia-se a fusão do He em C– raio 3 vezes maior

• Super gigante vermelha: 250 milhões de anos– esgota-se o He no núcleo– queima de He em C em casca esférica ao redor do núcleo– raio é 100 vezes maior engloba a órbita da Terra

Estágios finais

• Nebulosa planetária: – 1/3 da massa é ejetada– camadas internas são expostas

•  Nebulosa da Hélice

Anã Branca

• núcleo da nebulosa planetária (carbono)

• raio igual ao da Terra• T = 10,000 K até esfriar completamente (trilhões de anos)

Vida do Sol

Atividade Solar

mancha solar

Ciclo de atividade solar

• Ciclo de atividade:– percebeu-se  que  o número  de  manchas solares era cíclico

– duração de 11 anos– medidas desde 1600– atualmente estamos em um máximo 

Máximo de atividade

Próximo máximo de atividade solar por volta de 2000-2001

Ciclo solar em raio-X

1991

1996

•  Montagem  de  imagens  tomadas a cada 6 meses durante 6 anos.

Campo magnético solar

•  Campo tradicional de dipolo•  Rotação diferencial: 28 (equador) e 31 dias (pólos)•  Campo responsável pelas regiões ativas•  B inverte de polaridade a cada 22 anos (ciclo de Babcock)

Atividade Solar

• Devido  ao  campo magnético

• Duração de 11 anos• Manifestações:

– Manchas solares– Explosões solares– Ejeções  de  massas coronais 

Manchas solares

• Manchas  escuras  nas imagens do sol em luz visível

• mais  frias  do  que  a superfície ao redor 

• regiões  de  altas concentrações  de campo magnético

Explosão solar

• Súbita  liberação  de  grandes quantidades  de  energia (segundos a minutos)

• aquece o plasma local• acelera  partículas  a  al-tas 

energias  e  produz  grande quantidade  de  radiação  e partículas

• fonte  de  energia    campo magnético•  Clique na figura acima para ver a animação 

da explosão.

Explosão (UV)

•  Clique na figura para ver a animação da explosão.

Ejeção de Massa Coronal

• Associadas  às  proe-minências solares

• matéria  (elétrons, prótons  e  íons)  é arremessada  para  o meio interplanetário

• pode atingir a Terra

Ejeção de Massa

Interação com a Terra

• Quando  a  radiação  e partículas  produzidas   pela  atividade  solar alcançam  a  Terra,  estas podem causar:– doses  letais  de  ra-diação  X  para  as-tronautas

– alteração  nas  ór-bitas de satélites

Tempestade eletromagnética

– alterações  na  ionosfera   afetam  as  comunica-ções de longa distância

– picos  de  correntes  nas linhas de alta tensão

– comportamento  errático de  instrumentos  de  na-vegação

– alterações  na  camada  de ozônio

– auroras

Auroras

• Partículas  acelera-das do  sol  entram  na atmosfera  solar  pelos pólos 

• Interagem  com  os átomos  da  alta  at-mosfera  causando emissão colorida

Questões em aberto

• Aquecimento da coroa solar• Previsão de quando ocorrerão:

– explosões solares– ejeções de massa coronal

• Causas da atividade solar– configuração do campo magnético– como e onde energia das explosões é armazenada– mecanismo de aceleração das partículas

Buraco negro

O que são?

• Um buraco negro é uma região do espaço com um campo gravitacional tão intenso que a velocidade de escape do mesmo se iguala à velocidade da luz, isto é, nem mesmo a luz pode escapar de seu interior.

Características

Acredita-se ser muito menores do núcleo de um átomo.

A força gravitacional é muito forte próximo a um buraco negro

Isso se deve ao fato de que toda a matéria que

o buraco negro está concentrada em um único ponto no seu

centro.

É chamado de singularidade pelos físicos

A superfície de um buraco negro é conhecida como o horizonte de eventos

Esta superfície não pode ser vista nem tocada

Nela, a força da gravidade torna-se infinitamente forte e o qualquer objeto sobre ela precipita-se para dentro do buraco à velocidade da luz.

O tamanho de um buraco negro é dado pelo raio do horizonte de eventos do mesmo.

O raio de um buraco negro

(em km)

número de massas solares que constitui o material do

buraco negro= 3x

Se pudéssemos porventura comprimir o Sol até que ele fique como um raio de 2,5 km, o ‘Sol super comprimido’ iria tornar-se um buraco negro. Da mesma forma a Terra comprimida até ter um raio de 0,9 cm se transformaria em um buraco negro. Uma montanha de grande porte ultra comprimida formaria um buraco negro nanico de 1 nanômetro (10-9 m).

Buraco negro supermassivo é uma classe de buracos negros que se acredita encontrar

principalmente no centro das galáxias. Ao contrário dos buracos negros estelares que são originados a partir da evolução de estrelas massivas, os buracos negros supermassivos foram formados por imensas nuvens de gás ou por aglomerados de milhões de

estrelas que colapsaram sobre a sua própria gravidade quando o universo ainda era bem mais

jovem e denso.

Eles possuem uma massa de milhões ou até bilhões de vezes maiores que a

massa do Sol.

No início da história do Universo, antes das galáxias se formarem, já existiam pequenos buracos negros que atraía o gás primordial de seu entorno, fazendo-o colapsar para dentro do buraco negro. Estas nuvens que alimentam o buraco negro fazendo-o crescer, ao mesmo tempo inicia a formação de estrelas que formarão a galáxia.A massa do buraco negro fica proporcional a matéria acrecentada, assim como a massa da galáxia, o que leva com que as duas, a massa do buraco negro central, e a da galáxia sejam proporcionais.

Colapso primordial de uma protuberância

A nuvem de hidrogênio Primordial cai em torno de pequena semente

buraco negro

A queda do gás alimenta o buraco com mais

massa e a formação de estrelas

Galáxia elíptica gigante produzida através do

colapso. O buraco negro para de crescer.

Um buraco negro massivo, no centro de uma galáxia elíptica, pode se formar a partir da colisão de duas galáxias espirais que tinham buracos negros menores em seu centro. Na colisão os seus bojos se misturam, e os buracos negros se "fundem" num só maior. A fusão das duas galáxias dá origem a uma galáxia elíptica gigante, cujo buraco negro central é agora maior do que os das duas galáxias espirais e de novo proporcional à massa da galáxia elíptica.

Colisão de Galáxias

Duas galáxias em espiral, com buraco

negro central, “caem” uma sobre a outra

As galáxias colidem, e os buracos negros de

seus núcleos começam a se fundir

A fusão produz um Galaxia elíptica gigante com um buraco negro

central de massa proporcional a dela.

O buraco negro central em uma galáxia também pode crescer junto com o bojo ao longo da vida da galáxia. A massa para alimentar o buraco negro e para fazer o bojo crescer pode vir das partes externas de uma galáxia espiral. Dinâmicamente isto pode acontecer através de uma barra, que transfere matéria das partes externas à região central de uma galáxia

Pseudo Bojo

Forma pura de galáxia em disco com no

máximo uma semente de buraco negro

O disco de gás cai no centro da galáxia e cresce um pseudo bojo que se assemelha a uma protuberância primordial, mas na verdade é parte do disco

Como o pseudo bojo aumenta, um buraco negro é criado e sua

massa aumenta com a da pseudo bojo

A detecção é feita através do estudo do movimento orbital das estrelas em torno do Buracos Negros

Supermassivos (BNS).

Os astrônomos verificaram que a velocidade das estrelas não para de crescer à medida que nos aproximamos do centro da galáxia e modelos

dinâmicos demonstram a necessidade de duas componentes para compor o campo

gravitacional observado: uma componente estelar que chamamos bojo mais uma

componente compacta que seria o BNS.

Assim como o movimento dos planetas permite o cálculo da massa do Sol, podemos determinar a massa existente no núcleo das galáxias a partir da velocidade orbital das estrelas desde que

as possamos observar bem próximas ao núcleo.

                    

A figura acima mostra, no painel esquerdo, a relação entre a massa do buraco negro central (eixo vertical) e a luminosidade do bojo em unidades de luminosidades solares (eixo horizontal). No painel direito, os autores mostram que a relação é muito melhor definida quando eles usam a

dispersão de velocidades do bojo no eixo horizontal. Como esta última é facilmente obtida para as galáxias, pode ser usada para determinar a massa do buraco negro central.

Tudo indica que a formação do buraco Negro central  está vinculada à formação do bojo, de forma que bojos mais massivos têm no seu centro BNS mais massivos. Uma extrapolação deste resultado é que todas as galáxias que têm bojo têm um BNS no seu centro, cuja massa pode ser determinada pela relação de proporcionalidade entre os dois. Esta relação, extraída do trabalho de Gebhardt et al. (2000) é ilustrada na figura abaixo. 

Correlação entre a massa do B NS (eixo vertical) e do bojo (eixo horizontal):

O caso da NGC1097 corresponde ao ponto médio da reta acima, já que o BNS no seu centro tem um milhão de massas solares.

O buraco negro mais massivo descoberto até agora situa-se no coração da relativamente perto galáxia gigante M87.

Um novo modelo mostra que o buraco negro supermassivo tem duas a três vezes mais massa do que se pensava, umas gigantescas 6,4 mil milhões de vezes a massa do Sol. A nova medição sugere que outros buracos negros em grandes galáxias vizinhas possam também ser muito mais pesados que as medições atuais sugerem, e pode ajudar os astrônomos a resolver um quebra-cabeça acerca do desenvolvimento galáctico.

Teorias sobre o fim do universo

• http://hypescience.com/20-astronomos-famosos-que-mudaram-nossa-visao-do-mundo/