Teia do Saber – 2005

Conceitos Basicos de Astronomia para o Ensino de Ciencias

Jorge Mejia CabezaPh.D. Astrofisica – INPE

cafeastronomico@yahoo.com.br

Conteudo

→ Historia do pensamento astronomico.

→ A nossa vizinhanca cosmica.

→ Evolucao Estelar.

→ Introducao a Cosmologia.

→ Observacao do ceu.

→ Instrumentos para astronomia.

Por que as estrelas nao fazem “miau”?

Um pouco de historia

Alguns poucos grandes nomes da Antiguidade:

→ Parmenides de Eleia→ Aristoteles de Estagira→ Heraclides→ Aristarco de Samos→ Eratostenes de Cirene→ Hiparco de Niceia→ Claudio Ptolomeo

Outras astronomias:

→ China→ Japao→ India→ Mundo arabe→ Indo-americana

A revolucao da Astronomia:

→ N. Copernico→ G. Bruno→ T. Brahe→ G. Galilei→ J. Keppler→ I. Newton→ …

A Astronomia Moderna:

→ O tamanho do Universo→ Os grandes telescopios→ A origem do Universo→ A navegacao espacial→ …

Por que ASTRO-NAO-MIA!

Teia do Saber – 2005

Introducao a Cosmologia - I

... desde que o homem éhomem, se perguntou: quais quais ssããoo oo tamanhotamanho e a forma e a forma

do Universo?do Universo?

O Universo para as culturas antigas

Éter

Ar

Océano

Tártaro (Hades)

O sistema geocêntrico do Universo

O sistema heliocêntrico do Universo

O Universo a inícios do século XX:

Qual a natureza das Nebulosas em Espiral?

¿Qual é a distância entre nós e asestrelas? ¿São as todas as estrelas“iguais”?

¿Quais são o tamanho e o formato da Galáxia?

¿Qual é a natureza das nebulosas (espirais)?

¿Estão elas, as nebulosas espirais, dentro ou fora da Galáxia?

Objetivo da cosmologia¿uma questão de fé?

Estudar a origem, as propriedades (estrutura) e aevolução (destino) do Universo como um todo.

A cosmologia tem uma única imagem de um único objeto para ser estudada: não há outrosobservadores e nem outros universos que sirvam de controle, e nem podemos rodar todo o experimentonovamente.

Todo o esforço dos cosmologistas se centra, então,em produzir o melhor modelo (descrição matemática)possível do universo em que vivimos.

Bases observacionais daCosmologia

- Tamanho (e forma) do Universo

- Princípio Cosmológico

- Expansão (idade) do Universo

- Abundância dos elementos químicos

- Temperatura do Universo

Estrelas Cefeidas

O grande debate de 1920

Harlow Shapley → a Galáxia gigante

vs

Heber Curtis → os universos ilha

Tamanho do Universo

Edwin Hubble confirma os “universos ilha” (1924)

Hubble a Shapley: “Estará interessado em saber que encontrei uma variável cefeida em M31. Tenho observado a nebulosa nesta estação tão atentamente como o tempo o permite, e nos últimos 5 meses observei 9 novas e 2 variáveis. As duas variáveis encontrei-as na semana passada... A distância resulta ser de algo mais que 300.000 pc.”

Shapley responde: “Esta carta destruiu meu universo!”

Curtis estava correto a propósito dos universos ilha, porem errado em quanto ao tamanho da Galáxia.

A expansão do Universo

(espectroscopia e efeito Doppler)

Slipher, 1920’s: deslocamento para o vermelho em36 de 41 espectros.

Hubble, 1936, 165 galáxias.

Humason et al., 1956, 800 galáxias.

Palumbo et al., 1983, 8250 galáxias.

Efeito Doppler

emi

emiobszλ

λλλλ −=

∆≡

Da teoria especial da relatividade (efeito Doppler):

cv

cvcv

z +≈

−

+=+ 1

1

11

2

2

Conhecidas as distâncias a algumas galáxias, e determinado seu deslocamento para o vermelho, pôde estabelecerse uma relação entre “z” (ou “v”) e “d” (z = v/c ∝ d): dHv 0=

dHv 0

Relação distância-velocidade(Lei de Hubble)

Hubble, 1929:

Evolução de H0

Idade do Universo

Tempo de Hubble:

τH ≡ (1/H0) ≈ 10 – 20 bilhões de anos (Gy)

Idade do sistema Terra-Lua: 4.6 Gy.

Radio isótopos em meteoritos: 11 – 12 Gy

Idade das estrelas mais antigas (em aglomerados globulares): 11 – 12 Gy.

Nucleosíntese primordial

Nucleosíntese primordial

Radiação cósmica de fundo

(1964)

T ≈ 3 K

História térmica do Universo

História térmica do Universo

Isotropia e homogeneidade

O principio cosmológico.

O Universo deve ser equivalente,independentemente do local de observação e dadireção que se observe: O Universo é homogéneo eisotrópico.

Para escalas maiores que 300 Mpc, a distribuiçãode matéria no Universo parece ser homogénea eisotrópica.

Isotropia e homogeneidade

Modelos cosmológicos

Condições observacionais:

O Universo é homogéneo e isotrópico emgrandes escalas.

O Universo se expande.

Os elementos leves tem origem primordial.

O Universo alguma vez foi mais quente e denso.

O Universo teve um começo?

O Universo é infinito?

Modelos cosmológicos

Problemas do modelo do BBC

Problemas não resolvidos pelo modelo do Big Bang Quente:

→ Singularidade.

→ Flatness problem.

→ Problema da homogeneidade.

→ Criação de anisotropias.

→ Problema da unicidad.

Inflação

Alternativas ao modelo padrão

Big Bang → simples e em acordo com as observações.

Outros modelos:

Luz cansada (Hubble & Tolman).

Estado Estacionário (Bondi, Gold & Hoyle):

Ppio. Cosmológico Perfeito.

Big Bang frío: modelo simétrico (Alfvén & Klein).

http://www.tim-thompson.com/cmb.html

Ferramentas Astronômicas

Radiação cósmica de fundo em microondas.

Contagem de galáxias.

Supernovas distantes.

Lentes gravitacionais.

Efeito Sunyaev-Zel’dovich

Teia do Saber – 2005

Introducao a Cosmologia - II

Como se observa aRadiação Cósmica

de Fundo?

Medidas del dipolo: Globo

Medidas del dipolo: Globo

Medidas del dipolo: Globo

Medidas del dipolo: Globo

Medidas del dipolo: Globo

Medidas del dipolo: U2 (1977)

U-2 em Perú:

Piloto do U-2. Podem ser vistos a roupa espacial e o tanque de oxigênio. O piloto usa oxigênio por dois motivos:

(1) Altitude de vôo.

(2) Calor de Lima.

Satélite Relict: 1983 !

Strukov et al. 1992 (Relict-1 Experiment - New Results)ν = 37 GHz

Cosmic Background Explorer (COBE)

18 de novembro de 1989

Cosmic Background Explorer (COBE)FIRAS (0.1 mm ≤ λ ≤ 1 cm): T0 = 2.728 ± 0.004 K.(Fixsen et al., ApJ, 473, 576, 1996).

¡ !

A propósito dos resultados do COBE,

“Se você é religioso, é como ver aDeus ”

G. Smoot

Cosmic Background Explorer (COBE)

Cosmic Background Explorer (COBE)

Principales Resultados do

Satélite

WMAP:http://map.gsfc.nasa.gov

WMAP Science Team

Prof. David T. Wilkinson

(1935 - 2002)

Satélite WMAP• Lanzado el 30/06/2001• 1.5 x 106 km de la Terra• Masa: 830 kg• Altura: 3.6 m

WMAP Science Team

WMAP Science Team

Bennett et al. 2003

Smoot et al. 1992

Sensibilidad:WMAP es

45 veces mejorque COBE

Resolución angular:WMAP es

33 veces mejor queCOBE

(Consistencia de los mapas

WMAP y COBE)

WMAP Science Team

Valores para el dipolo y cuadrupolo compatibles conresultados anteriores: 3.346±0.017 mK en ladirección (l,b)=(263.85, 48.25) y 8±2 µK.

Idade do Universo: 13.7 Gy

Edad de desacoplamiento: 379+8-9 My ó z = 1089

Densidade da matéria (h=0.72): 0.26

Densidade dos bárions (h=0.72): 0.043

Densidade total do Universo: 1.02 ± 0.02

Resultados Cosmológicos

Em este universo, 4.4% de bárions, 22% de matéria oscura y 73% de energia oscura.

Constante de Hubble: 72±5 km/s/Mpc

WMAP continúa a operar, así que la precisión de los resultados deberá mejorar.

Resultados Cosmológicos

Bennett et al. (2003)

Mapa de las ARCF obtenido por combinación linealinterna de los mapas individuales.

Spergel et al. 2003

WMAP Science Team