RESUMO DA HISTÓRIA DO UNIVERSO
Época Tempo
(após o Big-
Bang)
Densidade
(kg/m3)
Temperatura
(K)
Característica principal
Planck 0 - 10-43 s - 1095 - 1032 Física desconhecida
Gravitação quântica
4 forças unificadas
GUT 10-43 – 10-35 s 1095 - 1075 1032 - 1027 Separação da força
gravitacional
3 forças unificadas
Matéria GUT
Final da era GUT: separação da
força forte da eletrofraca
Hadrônica 10-35 – 10-4 s 1075- 1016 1027 - 1012 4 forças separadas
Formação dos léptons, quarks
e prótons e nêutrons (por
produção de pares ou
confinamento de quarks).
T grande o suficiente para
formar partículas de maior
massa.
Leptônica 10-4 - 102 s 1016 - 104 1012 - 109 Somente partículas leves
(léptons) formam-se por
produção de pares.
Neutrinos desacoplam.
Era da radiação
t ~15 s depois do Big-bang (T~108 K)
Matéria no universo consiste em prótons + nêutrons + elétrons, com prótons ~ 5 nêutrons
Começam as reações de fusão nuclear: formação do deutério
n + p D +
D + D 3He + n T + p 3He + n T + p T + D 4He + n
Transformação do deutério em elementos + pesados
D = 1 próton + 1 nêutron T = 1 próton + 2 nêutrons 3He = 2 prótons + 1 nêutron 4He = 2 prótons + 2 nêutrons
Mesmo elemento = mesmo número atômico (no de prótons) Pode ter diferente número de massa (no de prótons e de nêutrons)
ERA NUCLEAR
t > 1 min T < 107 K
Formação principalmente de deutério D e Hélio He
cadeia de reações:
n + p D +
D + D 3He + n
T + p 3He + n T + p
T + D 4He + n
reações ocorrem até ~ 4 min
Nota: o He formado em estrelas não explica a abundância de He observada atualmente uma quantidade significativa de He foi formado na época radiativa do universo (He primordial).
Após ~ 4 min não há energia suficiente para formar núcleos
mais pesados
O 4He calculado é ~ 24% da massa dos elementos formados
no universo (próximo ao observado), o 76% restante é de H.
A maior parte do He formado nas estrelas ainda está no seus
interiores.
os 25% de He observados no gás interestelar e atmosferas
de estrelas foram necessariamente formados no Big-Bang
Sucesso do modelo cosmológico padrão (Big-Bang)
previsão da nucleossíntese primordial
Matéria no universo encontrada em ~ 4 minutos após o Big-Bang:
• elétrons • prótons (deutério) • núcleos de He •dark matter
T ~ 3000 K e t ~ 500,000 anos
elétrons começam a se recombinar com os núcleos
formando os átomos neutros
Universo transparente aos fótons = fótons não
interagem mais com a matéria
FIM DA ERA RADIATIVA
A radiação (fótons) interage com os elétrons livres
Até t ~ 500,000 anos e T ~ 3000 K
ERA DA RECOMBINAÇÃO
Fótons não interagem
mais com a matéria
Radiação cósmica de fundo observada hoje!
Voltando a
RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO (RCF)
fótons da RCF raios gamma
Fotóns visíveis em t~500 000 anos do big-bang desacoplamento
RCF também se “expande com o universo”
Flutuações da RCF
Mapas da RCF:
1 vermelho = + quente
azul = + frio
aparência de dipolo:
movimento da Galáxia
numa dada direção
redshift / blueshift
da RCF
corrigindo ...
emissão no
far-IR pelo
gás no plano
galáctico
correção:
assumindo uma certa distribuição de matéria na Galáxia
2
corrigindo ...
resultado flutuações na temperatura dos fótons da RCF
flutuações na densidade do gás no momento da recombinação
3
Isotrópica > 1 parte em ~ 105
Cosmic Background Explorer (COBE)
Resolução = 7o
para criar as nuvens protogalácticas:
É necessário crescimento de algumas flutuações de densidade
As flutuações da RCF são a ligação entre o BB e a estrutura em
larga escala de galáxias no universo e suas distribuições em
termos de aglomerados de galáxias e filamentos.
Simulação de formação e evolução
de estruturas, começando com uma
mistura de 4% de matéria bariônica,
com 23% de matéria escura fria e
73% de energia escura.
1 min após o Big-Bang
Matéria escura não interage com matéria normal e radiação, logo o seu agrupamento independe da radiação de fundo.
Provavelmente a matéria escura começou a agrupar-se bem antes da era do desacoplamento dos fótons em z~6000 (um pouco antes
do universo ser dominado pela matéria).
1 min após o Big-Bang
Medimos hoje uma RCF ~isótropica sua
temperatura é ~ constante (T=2.7 K)
A RCF medida hoje corresponde a uma radiação vinda de uma distância de 14 Gpc, o que dá um redshift z=1500.
O PROBLEMA DO HORIZONTE
o universo é considerado homogêneo e isotrópico
em grandes escalas
Mas …. os dois limites do universo A e B
que observamos hoje foi em
z=1500. Nesta época o tamanho
do horizonte observável era
menor. A e B estavam fora do
horizonte observável, logo fora
de conexão desde o big-bang.
Então não há razão para que os dois extremos que não possuiam contato causal entre si sejam parecidos!!
O PROBLEMA DA CURVATURA
grupos e aglomerados de galáxias (+ matéria escura): M ~ 0.2-0.3
Energia escura = 0.7-0.75
O valor de o é próximo a 1, o que caracteriza um universo de geometria plana…
Para que hoje em dia tenhamos um valor de O tão próximo a 1, no passado O deve ter sido 0.999999999999999 ( 1 parte em 1015)
O MODELO INFLACIONÁRIO DA
EXPANSÃO DO UNIVERSO
Harvey Guth e modificado por Steinhardt e Linde (1981)
aplicação de idéias provenientes dos GUTs
Vimos que em t tGUT ~ 10-35 s
há a separação das forças
forte e eletrofraca
T~ 1028 k (de acordo com o modelo padrão)
há uma quebra de simetria neste instante
Quando há a quebra de simetria no final da era GUT resultando na separação da força forte da eletrofraca (t=10-35 s) há uma mudança significativa na expansão do universo!
INFLAÇÃO
Quebra de simetria = transição de fase
transições de fase ocorrem nos pontos de unificação das
forças fundamentais desacoplamento de uma das forças
causa uma mudança no universo como um todo.
Em tGUT a transição de fase (separação da força forte)
leva a um estado meta-estável durante um certo t
ESTADO DE VÁCUO FALSO
(força repulsiva torna-se muito maior que a atrativa (gravidade)
como o super-resfriamento
de um líquido...
Nesta época o universo aumenta o seu tamanho cerca de 1050 vezes !!!
Após, o universo continua com a sua expansão normal.
expansão ocorre a v > c?! SIM!
expansão na geometria (E-T) do universo e não da matéria e radiação! não há violação da TRG…
Consequências:
a) Antes da inflação: pontos A e B em contato b) Imediatamente após a inflação: expansão com velocidade acima da
luz, A e B não estão mais em contato nem conosco. Um pequeno pedaço do universo é observável.
c) expansão “normal” até hoje: nosso horizonte se expande mais
rápido do que o universo se expande. Voltamos a observar A e B, que são regiões homogêneas pois estiveram em contato antes da inflação.
Consequências:
Inflação:
somente uma partedo BB
original está dentro no
nosso horizonte
nosso universo
Resolução do problema do horizonte: nosso universo é um
pequeno pedaço isotrópico de um universo maior
todo o pedaço sempre esteve em contato causal antes
da época da inflação, então têm as mesmas propriedades
físicas
Universo de “bolhas”
Nosso universo visível é uma “bolha” de um universo maior
Outras bolhas não são fisicamente reais, pois estão fora do nosso
horizonte (“bolhas teóricas”) não há comunicação entre elas
Após a inflação…
Toda a região dentro da nossa “bolha” é homogênea pq sempre esteve em contato na
época pré-inflacionária.
Resolução do problema da curvatura: inflação = zoom de uma muito
pequena seção do universo (deverá ser localmente plano!)
Qualquer geometria que o universo tivesse para nós antes da inflação, com o crescimento de 1050 vezes o
universo observável torna-se plano…
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