Post on 08-Jul-2020
Cosmologia 2
AGA 210 10 S / 2014Hubble Ultra Deep Field-HST/ACS
Agradecimentos: Prof. Gastão B. Lima Neto - IAG
singularidade
tempo
• Vimos no Roteiro 23 que o Universo está se expandindo a partir de um evento denominado “Big Bang”.
• Vamos ver neste Roteiro que conforme o Universo se expande a temperatura diminui, a densidade também, tendo como consequência uma evolução. Esta evolução resulta em diferentes fases, onde alguns eventos vão ocorrer caracterizando o que chamamos de Eras de evolução do Universo.
Evolução do Universo Visão Clássica – sem inflação...
Física desconhecida
Gravidade quântica
Forças forte, fraca e eletromagnéticas unificadas
Partículas pesadas e leves em equilíbrio térmico
Só leves em equilíbrio térmico neutrinos desacoplam
Deutério e He formados por fusão de prótons durante os primeiros 1000 seg.
A matéria começa a dominar. Átomos são formados. A radiação eletromagnética desacopla
Galáxias e estrutura de grande escala formam-se Todas galáxias se formaram. A formação estelar continua
Era
da
radi
ação
Era
da
mat
éria
Uma breve história
O Big-Bang (BB)...uma visão resumida e atual da evolução do Universo...
• 1973 Tryon propõe que a origem do BB está associada a flutuações quânticas do vácuo...! O vácuo# aqui seria associado a fonte de energia...
A expansão ocorreria devido a um processo de liberação de energia do calor latente da transição de fase prevista na Teoria da Grande Unificação, onde a força gravitacional seria separada das outras forças da natureza ( eletromagnética, forte e fraca) que reconhecemos hoje, mas eram unificadas no que chamamos de Tempo de Planck.
Segundo a TRG o vácuo teria a propriedade de acelerar o Universo, exercendo pressão negativa, tendo portanto a gravidade um carater repulsivo.
-> Tempo de Planck: 0 até 10–43 segundos que equivale a 1,6 x 10-43 centímetros. -> Na época de Planck, o Universo estava MUITO quente e denso. # PS: Para uma maior compreensão sugiro texto de Mario Livio, “A Energia Escura e o Destino do Universo”, que se encontra no site da disciplina....
O Big-Bang (BB)...uma visão resumida e atual da evolução do Universo...
• Assim, neste início de evolução do Universo a física que conhecemos hoje não consegue explicar esta fase de evolução, já que para tanto seria necessário unificar a Teoria da Relatividade e a Física Quântica – um processo em gestão...denominado Teoria de Tudo.
• Em relação ao destino desta evolução, 2 possibilidades são contempladas:
1- Expandirá para sempre, indefinidamente, caracterizando o que se denomina Universo Plano (E=0) ou Universo Aberto (E>0 –> energia da expansão > energia potencial gravitacional) 2- Expansão é interrompida, ocorreria um colapso e novamente se expandiria, caracterizando o que chamamos de Universo Fechado. Este caso ocorreria caso a atração da gravidade da matéria-energia fosse suficientemente grande para interromper a expansão (E<0)
0,00000000000000000000000000000000000000001 segundos(tem 40 zeros depois da vírgula)
Representação do espaço-tempo extremamente caótico logo após o BB
Conteúdo do Universo...pode então oferecer um caminho para verificar esta questão da expansão...
energia escura70%
matéria escura26%
átomos, 4%
• Matéria escura + Energia Escura correspondem a 96% da energia total.
• O Universo parece estar se expandindo com velocidade (v) = velocidade de escape (ve) , implicando em uma interpretação de que continuará se expandindo para sempre....!
Até aqui estaríamos vendo a fase inicial da evolução do Universo....Vamos ver agora a fase logo a seguir, definida como sendo o período de Inflação...
AGA 210 10 S / 2014Hubble Ultra Deep Field-HST/ACS
Agradecimentos: Prof. Gastão B. Lima Neto - IAG
fase inicial
A Era da Inflação• Nos anos 70 e 80 os físicos teóricos tentaram unificar as três forças não-gravitacionais
do Universo: - o eletromagnetismo, - a força "forte" (estabilidade do núcleo atômico) e - a força "fraca" (aquela que tem um papel importante nos decaimentos
radioativos), em uma superforça generalizada.
• Uma previsão geral das teorias de unificação que descrevem as superforças é que as três forças são unificadas e não distinguíveis em regimes de energias altíssimas, correspondendo a temperaturas maiores que 1028 K.
• A temperaturas baixas a superforça se divide em três, revelando o caráter de forca eletromagnética, forte ou fraca.
• No começo dos anos 80 os cosmologistas descobriram que as teorias de unificação tinham uma implicação extraordinária se aplicadas ao começo do Universo.
• Aproximadamente 10-34 s após o Big Bang, as temperaturas caem abaixo de 1028 K e as forças básicas da natureza se reorganizam: o Universo, por um período de tempo muito curto, entra em um estado instável, de alta densidade de energia, que os físicos chamam de "falso vácuo".
• Por um tempo curtíssimo, o espaço vazio adquiriu uma pressão enorme, que temporariamente foi maior que a gravidade e acelerou a expansão do Universo a uma taxa altíssima.
• Este período de grande expansão cósmica foi conhecido como a Época da Inflação.
A Era da Inflação
Eventualmente, o Universo retornou para o estado de "vácuo verdadeiro" e a inflação parou.
A Teoria da Iinflação propõe que as galáxias teriam sido formadas a partir de sementes geradas no período inflacionário.
O episódio inteiro durou somente 10-32 s, mas durante este tempo o Universo aumentou em tamanhopor um fator de 1050 (ver próximo slide).
O vácuo então retoma a normalidade e o Universo retomo também sua expansão relativamente lenta, tendo seu movimento desacelerado pela gravidade.
Infl ação
Época de Planck
Tempo desde o Big Bang
Tam
anho
do
univ
erso
(m
)
A Era da Inflação
Inflação
• Em 0,0000000000000000000000000000000001 segundos(tem 33 zeros depois da vírgula)
• Universo ainda é MUITO quente e denso• Ocorreria um aumento exponencial no tamanho do Universo
Infl ação
Época de Planck
Tempo desde o Big Bang
Tam
anho
do
univ
erso
(m
)
• O que teria causado a inflação?
• Imagina-se que poderia ter ocorrido pelo que se chama de transição de fase.
• Por exemplo, a transformação da água em gelo (transição líquido-sólido) é uma transição de fase que libera energia latente da água.
• Da mesma forma, uma transição de fase no Big Bang teria liberado energia latente, responsável pela expansão súbita do Universo.
A Era da Inflação
Inflação
1- Universo plano:
• Hoje, observamos que o universo é plano (ou praticamente plano).
• Sem a inflação a teoria do Big Bang clássica não consegue explicar satisfatoriamente este nivelamento do universo.
– o universo expande tanto que, na região onde vivemos, ele é efetivamente plano.
– semelhante a descrever a curvatura da Terra dentro da sala de aula.
Problemas com o modelo cosmológico clássico (pré 1980):
Inflação
2- Problema do Horizonte
– 2 pontos separados por mais de ~2° não estariam em contato causal. – Como o Universo pode ser tão uniforme em toda esfera celeste como mostra a
Radiação Cósmica de Fundo?
– A Radiação Cósmica de Fundo é um sinal eletromagnético proveniente das regiões mais distantes do Universo, remanescente do estado quente em que o Universo se encontrava....
Problemas com o modelo cosmológico clássico (pré 1980):
RCF
Inflação
• 2- Problema do Horizonte
Problemas com o modelo cosmológico clássico (pré 1980):
• A Inflação nos permite entender como o material que hoje está fora do nosso horizonte causal , pode ainda ter as mesmas propriedades físicas, como se infere a partir da radiação cósmica de fundo
Aniquilação da Anti-matéria
• 0,00000000001 segundos(tem 9 zeros depois da vírgula)
• Universo ainda é MUITO quente e denso
• Quando o universo esfria o equilíbrio se perde e ocorre uma assimetria cujo resultado é que a antimatéria é virtualmente erradicada.
• 1 em cada bilhão de partículas sobrevive.
• Após a fase de inflação, o Universo continuou a expandir e a resfriar, mas em ritmo mais lento.
• Quando o universo era muito quente e denso, os fótons podiam produzir um par de partículas de matéria e antimatéria que se aniquilavam e eram produzidos continuamente e tudo estava em equilíbrio.
Bariogênese...formação dos protons e neutrons via quarks
• T= 0,00001 segundos (tem 4 zeros depois da vírgula)• Universo ainda é MUITO quente e denso
Léptons
Quarks
• Grupos de 3 quarks formam bárions. Os dois bárions mais conhecidos são: nêutrons e prótons. Esta época é chamada de Bariogênese (formação de bárions – partículas massivas).
• Quarks são partículas fundamentais da Natureza e formam todos os hádrons (partículas compostas por quarks).
Exemplo de Lépton: o elétron
Nucleossíntese Primordial
• Ocorre entre 1 segundo e 5 minutos
• Termina quando T ~ 1 bilhão de graus, densidade ~ água
• Formam-se os elementos leves: deutério, hélio, lítio, berílio e boro.
núm
ero
de p
róto
ns
número de nêutrons
• Nucleossíntese significa produção de núcleos atômicos a partir da fusão termonuclear de núcleos mais leves.
Nucleossíntese Primordial
Medidas independentes daabundância de 4He, Deutério, 3He, e Lítio concordam entre si (ou quase…)
Previsão teóricaX
observação
Apenas a nucleossíntese primordial pode produzir ~24% (em massa) de He. densidade de prótons e nêutrons
abun
dânc
ia r
elat
iva
Formação dos Átomos Neutros
• 400.000 anos• T ~ 3000 graus,
• densidade ~ 10.000 átomos/cm3
• Enquanto os átomos estão ionizados, o universo é opaco à radiação.• Quando o universo se esfria, ele se torna transparente.• Origem da radiação cósmica de fundo, hoje, com 3K.
• Prevista desde os anos 1950.
Observada em 1964:
Prêmio Nobel em 1978 para Arno Penzias e Robert Wilson
passagem do tempo
Recombinação
Formação dos Átomos Neutros
• A radiação cósmica de fundo se forma com 3000K, mas hoje medimos com 2,725 K devido a expansão do Universo.
(Wayne Hu)
• A esta temperatura não há mais fótons com energia suficiente para manter a matéria ionizada então os núcleos começam a capturar e reter os elétrons.
• Os átomos se tornaram neutros e o Universo ficou transparente para a radiaçãoeste momento é chamado de Era da Recombinação.
• Ocorre em t=400.000 anos
• T ~ 3000 graus, densidade ~ 10.000 átomos/cm3
valor que coincide com o valor esperado pela Teoria do Big Bang.
Redshift Cosmológico
(Wayne Hu)
• O comprimento de onda da radiação eletromagnética aumenta proporcionalmente à expansão do Universo.
• Este fenômeno dá origem ao desvio para o vermelho cosmológico.
Idade das trevas
• Fim da idade das trevas: T ~ 30 K, densidade ~ 10 átomos/m3
• Há apenas a radiação cósmica de fundo, no infravermelho
idade das trevas
• Passada a época da Recombinação, o Universo entrou em uma fase em que não havia qualquer fonte de luz, a chamada Idade das Trevas.
Foi nessa época que se formou a teia cósmica traçada pela matéria escura.
entre 400 mil e 400 milhões de anos
Formação das estrelas, galáxias, planetas…
• entre 400 milhões de anos até hoje
• T ~ 2,725 K, densidade ~ 1 átomo/ 1000 litros
• Universo volta a se iluminar• Radiação cósmica de fundo, em micro-ondas (200 GHz)
Formação das estrelas, galáxias, planetas…
Campo profundodo Hubble
Quinteto de Stefan,Gemini
Aglomerado de Coma,CFHTSol, SOHO NGC6751
Do Big Bang até hoje
• Radiação cósmica de fundo se forma.
• Quasares e galáxias conhecidos mais distantes.
Big Bang
Recombinação400 mil de anos após o Big Bang
“Idade das trevas”
1as estrelas e Quasares 400 milhões de anos
“Renascimento” cósmico
Fim da idade das trevasuniverso reionizado 1 bilhão de anos
Galáxias evoluem
Sistema Solar se forma 9 bilhões de anos
Nós, hoje 13,6 bilhões de anos
Evolução da densidade (ρ) das três principais componentes do Universo: radiação, matéria (escura e bariônica), e energia escura. As Eras são definidas pela intersecção da reta representando a densidade de matéria com a densidade de radiação e a densidade de energia escura.
Uma Breve história do Universo
SN: permitem testar a geometria do Universo a grandes distânciasOs dados de distâncias de SN indicam que o Universo está se acelerando, ao
contrário do que se previa considerando a gravidade...
Uma Breve história do Universo
Então já conhecemos a origem e destino do universo?...só uma boa noção
• O que acontece no Big Bang?• Pode haver algo antes do Big Bang?• Porque o universo é como ele é?• Como se formaram e onde estão as primeiras estrelas?• Como se formaram as galáxias?• Qual será o destino do universo?• O que é “matéria escura”?• O que é “energia escura”?
Não !
Antes do Big Bang?A Teoria de Tudo precisa combinar a teoria de Relatividade Geral (gravitação)com a teoria quântica. A mais promissora teoria no momento é a de supercordas (superstrings), proposta originalmente pelo fíısico inglês Walter Bannerman Kibble (1933-)
– Necessita 10 dimensões espaciais.
– Descreve as partículas elementares como modos de vibração, cordas unidimensionais fechadas que vibram. O conjunto de cordas formam os quarks, elétrons, neutrinos, etc.
• Nosso universo estaria confinado em uma membrana (“brana”) .
• Big Bang seria o resultado de uma colisão de branas.Extremamente especulativo ainda…
Fim