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Cosmologia(Parte I)

Apresentação por Thays Barreto

tha.barreto@hotmail.com

Parte I Cosmo-o-quê?

O Universo;

Histórico;

O Nascimento da Cosmologia Moderna;

O Big Bang;

A Evolução do Universo;

Evidências do Big Bang;

A Radiação Cósmica de Fundo;

Referências Bibliográficas.

Parte II – Semana que vem

Parte III – 31/08

Resumo da aula

Cosmologia (do grego κοσμολογία, κόσμος= "cosmos“ / "ordem“ /"mundo" + -λογία="discurso"/"estudo") é o ramo daastronomia que estuda a origem, estrutura e evoluçãodo Universo a partir da aplicação de métodos científicos. (Ref. [3])

Em outras palavras:

“É o ramo da Ciência que se dispõe a estudar e propor teorias sobre a origem, estrutura e evolução do Universo”

Cosmo-o-quê?

Surgimento do Universo: 13,7 bilhões de anos (Big Bang);

O Universo

Idade Média → Universo = Sistema Solar;

Tentativas (teóricas) de conferir ordem e

significado ao Universo;

Cosmogonia → Cosmologia => Teologia + Filosofia;

→ mitos de criação (egípcios, chineses,...);

Evolução da ciência → evolução dos instrumentos → teorias maisconcretas;

Histórico

Representação do Universo Medieval (http://physics.weber.edu/schroeder/ua/

ApianCosmology.png)

Fim da ideologia da Terra como um corpo central no Universo;

(1915) – Teoria da Relatividade Geral, por Einstein → nova teoriasobre a gravitação dos corpos;

𝐹𝐺( 𝑖) = 𝑎(− 𝑖) Se o raio de luz sofre deflexão devido a uma forte aceleração → ele

sofrerá deflexão na presença de um campo gravitacional.

Se a luz (não tem massa) sofre essa deflexão → tudo que existe sofreação semelhante.

O Nascimento da Cosmologia Moderna

Curvatura do tempo-espaço

Einstein:

força da gravidade → é uma deformação no tempo-espaço;

Ex: O Sol curva o espaço de tal forma que o único movimento possível paraa Terra é uma órbita elíptica;

Universo → dinâmico (se contrai ou expande?) X para Einstein oUniverso era estático;

Conceitos teóricos;

O Nascimento da Cosmologia Moderna

A gravidade por Einstein: Sol z Terra (http://www.daviddarling.info/images

/spacetime.jpg)

Hubble:

Métodos observacionais e experimentais;

Mediu as distâncias de diversos corpos celestes;

Redshift;

“Quanto mais distante se encontrava a galáxia, maior era o deslocamento de seu espectro para o vermelho (redshift); para o caso de objetos se

aproximando, seu espectro tente ao azul.”

O Nascimento da Cosmologia Moderna

O Redshift(http://astro.if.ufrgs.br/univ/redshift.gi

f)

Hubble:

Conclusão → a maior parte dos objetos observados no céu encontram-se muito distantes da nossa Galáxia;

Através do estudo de outras galáxias → elas estavam se distanciandona nossa → Universo em EXPANSÃO!

O Nascimento da Cosmologia Moderna

Universo em Expansão (http://astro.if.ufrgs.br/univ/balloons.gif)

Exemplo do bolo com passas (http://astro.if.ufrgs.br/univ/balloons.gif)

Fred Hoyle:

Teoria do Universo Estacionário → Universo se expande, mas suadensidade média (nº de galáxias por volume) permanece inalterada;

O Universo foi ontem como vemos hoje e assim será amanhã;

George Gamow:

A partir de cálculos → Universo jovem:

Muito menor, mais quente e extremamente denso;

Composto por subpartículas;

Universo → esfriou até que se formaram os átomos de hidrogênio;

Hoyle:

Abominava a teoria de Gamow por estar relacionada à Física Nucleare, indiretamente, à bomba atômica → pejorativamente chamou-a de BigBang (“grande boom”);

O Nascimento da Cosmologia Moderna

Gamow: elementos se formaram durante esse Big Bang X Hoyle:elementos se formaram no interior da estrelas;

O Nascimento da Cosmologia Moderna

Ambos corretos!

H e He → Big Bang;

Elementos mais pesados → interior das estrelas;

Mas foi Gamow quem forneceu a teoria mais aceitável sobre oUniverso;

O Big Bang

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Antes do Big Bang → Universo = diminuto, extremamente denso equente (muito quente!) → sofre constante compressão;

Antes do Big Bang → Universo = diminuto, extremamente denso equente (muito quente!) → sofre constante compressão;

Alta temperatura → caldo caótico de partículas elementares;

EnergiaMatéria;

Criava-se matéria a partir da energia! → expansão violenta (BigBang);

Energia → Partícula;

→ Anti-partícula;

Cada par de partículas opostas, quando colididas, se aniquila;

O Big Bang

Teoria original do Big Bang no Universo → qtde. de partículas =qtde. de antipartículas X não ocorre!

Par partícula-antipartícula → existia por instantes muito pequenosde tempo => não existentes → Falso Vácuo;

Algum processo desconhecido → um dos pares existiu por maistempo → inchamento violento da região → crescimento exponencial=> Era Inflacionária → fim da homogeneidade do espaço;

Homogeneidades na densidade de matéria → aglomerados degaláxias;

Inflação termina na chamada Transição de Fase: crescimentoexponencial → crescimento linear + matéria e antimatéria perdemseu equilíbrio;

O Big Bang

Universo continuou a crescer → diminuição da sua densidade →diminuição da sua temperatura;

Partículas + Antipartículas: aniquilaram-se → enorme quantidadede fótons => Radiação Cósmica de Fundo;

105s: quarks → prótons e nêutrons;

Elétrons → livres → absorviam grande quantidade de fótons →ganham velocidade;

Universo continuava a crescer!

3 min.: sopa primordial havia se resfriado → prótons + nêutrons =núcleos de deutério (H pesado) e He X maioria dos prótonspermaneceu só = núcleos de H;

O Big Bang

𝑫𝒎𝒂𝒕é𝒓𝒊𝒂 ≪ 𝑫𝒓𝒂𝒅𝒊𝒂çã𝒐 X com o crescimento do Universo:

𝑫𝒎𝒂𝒕é𝒓𝒊𝒂 > 𝑫𝒓𝒂𝒅𝒊𝒂çã𝒐 → fim dessa era;

10.000 anos: Era da Matéria X Era das Estrelas (mas ainda nãoexistiam estrelas!)

300.000 anos: Cosmos → grande o suficiente para que suatemperatura tivesse baixado a ponto de permitir que elétrons seunissem aos núcleos → 1ºs átomos;

Elétrons (unidos aos núcleos) → não podem mais absorver todos osfótons X podem absorver apenas comprimentos de ondaespecíficos → grande quantidade de fótons livres;

O Big Bang

O Big Bang

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O que precedeu o caldo de partículaselementares? O que originou esse caldo?

Não se sabe. Considera-se que os conceitos de espaçoe tempo tenham surgido a partir do Big Bang, como são abase dos estudos da Física, não podemos explicar a físicadaquele momento se estes não existiam.

O Big Bang

Nuvens de gás → protoestrelas → estrelas + aglomeradosglobulares;

Estrelas → galáxias;

Núcleo das estrelas → elementos pesados;

Durante a evolução das estrelas → discos planetários → SistemaSolar;

Estruturas rochosas orbitavam estrelas → átomos originarammoléculas cada vez mais complexas → evolução da vida na Terra;

A Evolução do Universo

UNIVERSO ESTÁ EM ETERNA EXPANSÃO! Por que?

Toda a matéria junta presente no Universo, ainda não cheganem perto da densidade necessária para reverter ou parar aexpansão!

A Evolução do Universo

Paradoxo de Olbers (1923) – Idade Finita do Universo: Se oUniverso é infinito e existe desde sempre → qualquer lugar no céuque olharmos deverá haver uma estrela → o céu deveria ser tãobrilhante quanto a superfície de uma estrela X o céu de noite éescuro → tamanho ou idade do Universo deve ser finito; neste casoa idade é finita;

Evidências do Big Bang

Imagem obtida pelo telescópio Hubble mntendo a câmera aberta por 10 dias em uma região aparentemente sem estrelas no céu(http://astro.if.ufrgs.br/univ/HDFS.JPG)

Redshift: Os espectros de galáxias distantes são deslocados paracomprimentos de onda maiores, ou seja, os comprimentos de ondasão esticados pela expansão do Universo. A luz das galáxiasdistantes leva mais tempo para chegar até nós → vemos os objetoscom redshifts altos, como eles eram no passo, quando a idade doUniverso era menor;

Evidências do Big Bang

O Redshift(http://astro.if.ufrgs.br/univ/redshift.gi

f)

Lei de Hubble: Hubble observou a expansão do Universo e criouuma lei que nos fornecesse a distância de uma galáxia;

Radiação Cósmica de Fundo: Prova de que ocorreu umacombinação do par partícula-antipartícula;

Evidências do Big Bang

Da época da formação dos átomos: par matéria-antimatéria seaniquilava → produção de fótons → constantemente absorvidospelos elétrons livres X durante a formação dos átomos → elétrons +núcleos → elétrons absorviam apenas comprimentos de ondaespecíficos;

Descoberta por Penzia & Wilson (1965) e explicada por Burke,Dicke e Peebles;

Estudada pelos satélites COBE, WMAP e Planck.

A Radiação Cósmica de Fundo

Mapas de Temperatura da Radiação de Fundo do céu:

A Radiação Cósmica de Fundo

COBE WMAP

-Extremamente homogênea:Azul 0KVermelho 4K

-Numa escala mais fina:Azul 2.721KVermelho 2.729K→ aparece o momento dipolo devido ao movimento do Sol;

Mapas de Temperatura da Radiação de Fundo do céu:

A Radiação Cósmica de Fundo

COBE WMAP

O Sol está se movimentando nesta direção em relação ao referencial da radiação

cósmica → efeito Doppler: detectamos a radiação com comprimentos de onda mais

curtos → medimos uma temperatura da radiação mais alta

O Sol está indo pra direção oposta desta direção → comprimentos de

onda mais compridos → temperatura mais baixa

Mapas de Temperatura da Radiação de Fundo do céu:

A Radiação Cósmica de Fundo

COBE WMAP

-Extremamente homogênea:Azul 0KVermelho 4K

-Numa escala mais fina:Azul 2.721KVermelho 2.729K→ aparece o momento dipolo devido ao movimento do Sol;

-S/ movimento do Sol:Regiões azuis são 0.0002K mais frias que as vermelhas- Via Láctea no meio.

A Radiação Cósmica de Fundo

Retirando-se a interferência da Via Láctea – mapa da densidade damatéria visível do Universo 380.000 anos após o Big Bang;

A Radiação Cósmica de Fundo

Telescópio Espacial Hubble: imagens de uma galáxia em formação não muito após o Big Bang!

Nome: A1689-zD1;

Formação: Dark Ages – período

no jovem Universo quando as

primeiras estrelas e galáxias

estavam nascendo, durou de400.000 a cerca de um bilhão deanos após o Big Bang.

Astrônomos acreditam que foi

uma das responsáveis por colocar

fim às dark ages.

Curiosidades #1 (Ref. [6])

Imagens da Galáxia A1689-zD1 (http://www.spacetelescope.org/static/archives/images/screen/heic0805a.jpg)

Curiosidades #1 (Ref. [6])

Mapeamento do Big Bang e a Galáxia encontrada por Hubble (http://spacespin.org/images/articles/80220-hubble-spitzer-galaxy-distance_4.jpg)

Illustração da aparência da Galáxia (http://spacespin.org/images/articles/80220-hubble-spitzer-galaxy-distance_3.jpg)

[1] DAMINELI, Augusto & STEINER, João. O Fascínio do Universo. Editora Odysseus. Edição 1. Ano 2010.

[2] CHERMAN, Alexandre. Cosmos-O-Quê?. Editora Fundação Planetário. Ano 2000.

[3] http://pt.wikipedia.org/wiki/Cosmologia. Acessado em 11.08.13. Acessado em 10.08.13.

[4] http://astro.if.ufrgs.br/univ/. Acessado em 10.08.13.

[5] WESTERA, Pieter. Cosmologia – Ensino de Astronomia no Grande ABC. 2012.

[6] http://www.spacetelescope.org/images/heic0805a/. Acessado em 15.08.13.

Referências