Cosmologia

Cosmologia é a ciência que estuda:
Origem
Estrutura
Evolução do Universo
Como formou-se
Por que tem essa forma
Qual será o seu futuro
Ferramentas: Física
Astronomia
Matemática
Química
Filosofia

Cosmologia geométrica – que investiga as
propriedades locais e globais do espaço-tempo,
sua forma e sua fronteira, singularidades e
horizontes; se o universo é ou não finito.

Cosmologia física – trata dos processos materiais
que se desenrolam no universo em qualquer
estágio de sua evolução. Defeitos topológicos,
monopolos, cordas cósmicas, texturas deixando
marcas na CBR.

Cosmologia observacional – registra os fatos,
desvios espectrais de galáxias, RCF, lentes
gravitacionais, quasares, aglomerados e
superaglomerados de galáxias.

O que é espaço?
O que é tempo?
O que é vácuo?
Quando o tempo começou?
O universo é infinito?
O Big bang realmente aconteceu?
O que havia antes do Big Bang?
Qual é a composição material do universo?
Quando se formaram estrelas e galáxias?
Existem outros universos?

Princípio cosmológico:
O universo é
homogêneo
e
isotrópico

Homogeneidade: da mesma
espécie, de estrutura igual
Isotropia: com as mesma
propriedades em todas as direções

O universo não possui
fronteiras
nem
centro

A seguir a foto do:
Hubble Ultra Deep Fields (HDFs) (Pencil beam)
Resultado de 800 exposições feitas entre 2/09/2003 e
16/01/2004.
Instantâneo de 400 a 800106
anos após o BB.
A foto contém 10.000 galáxias.
Uma pequena região do céu, na constelação de
Fornax, (um décimo do diâmetro da Lua vista da Terra), foi
escolhida por causa da baixa densidade de estrelas
brilhantes na região.
Perceber o formato das galáxias.

Paradoxo de Olbers
Porque
o céu
noturno
é escuro?
Olbers

Hipóteses do paradoxo de
Olbers:
— O universo é estático
— O universo é eterno
— O universo é infinito
— A estrelas tem o mesmo brilho
— Estão uniformemente
distribuídas

A força da gravidade não permite
que o universo seja estável
Newton já havia
percebido esse
problema.
Argumentou que o
espaço seria
infinito, com
infinitas estrelas
cercando cada
uma.

Soluções do paradoxo de
Olbers:
— O universo está em
expansão e:
é finito no tempo
é finito no espaço
— A luz é absorvida pela
poeira

Conteúdo do Universo:
Matéria Bariônica
Matéria Escura (não Bariônica)
Radiação
Energia Escura

O Big Bang
e
universo
em
expansão

O Big Bang
História do universo
observável

A polêmica dos anos 40
Nos primeiros instantes o Universo era quente,
e estavaem rápida expansão.
Nestas condições
ocorre a formação do Hidrogênio.
(George Gamow)
Este modelo do Big Bang é uma grande bobagem.
O Universo deve ter a mesma aparência em
qualquerinstante do tempo.
Para compensar a expansão cosmológica a matéria
deve brotar espontaneamente
como uma transição do vácuo.
(Fred Hoyle)

Previsões do Big Bang
1. Expansão do universo
2. RCF
3. Formação das galáxias
4. Nucleossíntese primordial

O que acontece
às galáxias
nessa
expansão?

Uma representação da expansão

Parece que estamos no centro do Universo

O que acontece
com o espaço
ao se expandir?

As galáxias estão se expandindo:
Para dentro de um espaço previamente existente?
Ou O espaço é que está se expandindo ?

Parâmetro de Hubble
H0=71 (km/s)/Mpc
ou
H0=71 (km/s)/ 3,3 ·106
al
A cada 3,3 milhões de anos luz a
velocidade de expansão do universo
aumenta 71 km/s

Idade do Universo
t = 1/H0 = 1/[71 (km/s)/Mpc]
t = 13 bilhões de anos

Modelos cosmológicos
(conteúdo de matéria)

Densidade crítica
crítica =10-26
kg/m3
(6 átomos de H /m3
)
Parâmetro de densidade
0 =  real /  crítica

Universo ligado
(muito denso e fechado)
0>1 (real > crítico)

Universo não ligado
(pouco denso e aberto)
0<1 (real < crítico)

Universo crítico
(densidade crítica aberto ou fechado)
0=1 (real = crítico)

Possíveis
geometrias do universo
formas
do
espaço-tempo

RCF – Formada 300.000 anos após o BB

Resultados do WMAP
Resolução
melhor que o
COBE
(7 vezes )

Animação sobre
formação da
RCF

3
Formação
das primeiras
Galáxias

As primeiras galáxias,
originaram-se por um
mecanismo, chamado
instabilidades gravitacional

Modelo botton-up
com matéria escura
fria:
poços de potencial
nucleando sistemas
menores primeiro
e depois
aglomerando-se em
sistemas de grande
porte.

Simulação de
formação
de galáxias

Simulação
Estruturas em
grande escala

JKCS041 - aglomerado de galáxias mais antigo encontrado, a 10,2 bilhões de al
da Terra. (Chandra-RX Ótico e InfraV)

GRB a 13 bilhões de al da Terra, estrelas massivas já se formavam apenas 630
milhões de anos depois do BB, z=8,2. (Swift three band)

Vazio de 1 bilhão de anos luz
A maior estrutura do
Universo
Com 200 milhões de
anos-luz de diâmetro,
constituída por
galáxias e grandes
acumulações de gás.
Se formaram cerca de
dois bilhões de anos
após o BB

Animação sobre
vazios cósmicos

Nucleossíntese
Durou 3 minutos, de
1,4 mins até 5,4 mins
de vida do universo

Antes e após a recombinação

A teoria do Big Bang
padrão,
possuía pontos que
não eram muito bem
explicados

Problemas do Big Bang
1. Do horizonte
2. Da sintonia fina
3. Da origem das flutuações de
jdensidade
4. Dos monopólos
5. Da planura

2. O problema da Sintonia Fina

Parâmetro de densidade
 = exit/crit
 =1  universo plano
 >1  universo fechado
Ω<1  universo aberto
 =9,2·10-27
kg/m3
(~ átomos de H por m3
)

hoje 00,1 e t0=1010
s com tp=10-43
s
Desenvolvendo em série
p(t)=1 – 5· 10-55
(na era de Planck)
p(t)= 1- 0,000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.05

3. Problema da origem das
flutuações de dendidade
De onde surgiram as flutuações
na densidade da matéria,
que deram origem às galáxias?

4. Problema dos monopólos
magnéticos
Onde estão os monopólos
magnéticos produzidos em
grande profusão no BB

5. O problema da planura
A teoria do BB teria de explicar,
porque o universo parece ter uma
geometria plana

A inflação durou 10-35
s
Durante esse tempo
o raio do universo aumentou
1050
vezes

A velocidade de expansão foi de
1085
km/s
Contradição com as leis de Einstein?
Não, porque àquela época essas leis
não se aplicavam.

Inflação como
solução dos
problemas
do Big Bang

2. Problema da sintonia fina
Na teoria da inflação
Ω = 1
Contudo o  medido
é diferente de 1

Para termos um  = 1
Proposta: Matéria escura
e
Energia escura

Evidências
da
Matéria Escura

2) Excesso de gás
quente em
galáxias
A galáxia elíptica
NGC 720 é envolvida
por uma nuvem de
gás emitindo RX com
T = 7106
°C, e é
impossível confinar
o gás em torno da
galáxia apenas pela
força gravitacional
das estrelas visíveis.
D = 80106
al
Chandra - cores falsas

3) Velocidade
de dispersão nos
aglomerados
As galáxias
possuem
velocidades muito
maiores do que a
força gravitacional
da massa visível
poderia reter.

4) Gás quente
em aglomerados
Aglomerado
Abell 1698
Possui halo de RX
Composição
de
imagens
ótico e RX
HST e Chandra
Cores falsas

5) Efeito lente
em aglomerados
Efeito lente
gravitacional,
maior do que seria
produzido com a
massa visível
Cl 0024+17
(ZwCl 0024+1652)
D=5106
al
Dois aglomerados
que colidiram

Anel de matéria
escura, deduzido
por estudo das
lentes
gravitacionais.
 = 2,6106
al.

Expansão Acelerada
Supernovas Tipo Ia
Anão branca + outra estrela
A anã absorve massa da estrela até o limite de
Chandrasekar, então colapsa e explode em
supernova, como o limite é sempre o mesmo, a
luminosidade é sempre a mesma
L  10109
L
Ocorre um explosão a cada 400 anos por galáxia.

Dois grupos procuraram essas
supernovas
High-z Project
Brian Schmidt
Supernova Cosmology Project
Saul Pelmutter

Descobriram que elas são menos
luminosas do que deveriam ser.
A solução foi supor que algo expande o
universo além do esperado, assim a luz
dessas estrelas percorrem uma distância
maior e assim ficam mais fracas.
Energia Escura

Composição do Universo - hoje

3. Problema da origem das
flutuações de densidade
Flutuações quânticas
gerariam os contrastes de
densidade

4. Problema dos
monopólos magnéticos
Com o estrondoso aumento
do espaço os monopólos
seriam tão diluídos que
não se conseguiria
encontrar um hoje

5. O problema da planura
A inflação
tornou o
espaço-tempo
plano.

Problemas adicionais
• Problema da origem da matéria
escura
• Problema da origem da energia
escura
?

Problema da origem da matéria
escura
Existem muitos candidatos a matéria escura,
depende da teoria de unificação que se adota.
MACHOs – (Massive Compact
Halo Objects – Objetos compactos
com grande massa do halo)
WIMPs – (Weakly Interacting Massive Particles -
Partículas de Grande Massa de Fraca Interação)

Problema da origem da energia
escura
Constante cosmológica – uma densidade de
energia constante e suave que preenche todo o
universo, uma espécie de campo escalar gerado
pela energia de vácuo, contudo, sem uma teoria
da gravitação quântica a energia prevista é 10120
maior que a observada.
Quintessência – campo escalar que pode varia no
tempo e no espaço

Algumas objeções ao BB
“Alguma coisa não pode vir do nada”
A teoria do BB não é uma teoria sobre a
origem do universo, apenas sobre sua
evolução.
Não está claro se a lei de conservação pode ser
aplicada ao início do universo.
(As leis vieram após o universo ser criado, t >0)
Não está claro se podemos falar de tempo antes
do BB.

A energia total do universo pode ser nula,
então o pp da conservação não é violado. A
energia potencial gravitacional, negativa,
pode ser igual a energia da matéria e
radiação.
“Um universo ordenado como é hoje, não
poderia vir de uma explosão”
1º) Não houve uma explosão.
2º) No início o universo possuía um baixíssima
entropia.
A questão de porque o universo iniciou com
uma entropia tão baixa e altamente
simétrico está em aberto...

Modelos cosmológicos alternativos
Nenhum deles se ajusta aos dados observacionais como o BB
a) Estado estacionário ou quase estacionário
b) MOND (Modified Newtonian Dynamics) – Teoria da gravitação de
Newton modificada – A grandes distâncias a teoria da
gravitação já não seria mais válida. (Suas previsões ainda não se
ajustam às observações)
c) Luz cansada – Tenta explicar o redshift por outras causas
que não a expansão, a gravidade drenaria a energia da luz,
contudo os cálculos mostram que não é o suficiente para
explicar o redshift observado.
d) Universo de criacionistas...

A real origem do Universo ainda é
uma questão em aberto, sujeita a
especulações e modelos
(Inflação caótica,
Teoria de cordas,
Modelo Ecpirótico, ...)

Teoria
da
Relatividade
Restrita

Relatividade
da
Simultaneidade

Maria vê a luz percorrer 2d
João vê a luz percorrer 2l
Como c=cte e l  d
João conclui que o tempo para
Maria dilatou, porque luz
percorreu mais espaço com a
mesma velocidade.

Maria mede l0
João mede l
João conclui que
l < l0 , isto é,
os comprimentos
encurtaram

Exemplo de
Dilatação do Tempo
e
Contração da
Distância
Decaimento do
Múon

O múon é uma partícula elementar
semelhante ao elétron, com carga elétrica
negativa, mas com massa cerca de 200
vezes maior.
É instável com um tempo de vida de 2,2 s.
Formam-se múons na alta atmosfera,
quando raios cósmicos colidem com
moléculas do ar.

A velocidade dos múons gira em
torno de 0,998c.
O que permitiria ao múon
percorrer apenas 600 m em 2,2 s.
Contudo ele percorre 9.000 m,
porque a essa velocidade, o tempo
dos múons, visto no referencial da
Terra, passa mais devagar, ou as
distâncias se contraem.

Princípio de Mach
A inércia (massa) dos corpos não é
uma propriedade intrínseca destes,
é uma relação entre eles e o restante
das massas do universo
Mach

Equação de Einstein
Matéria
e/ou
Energia
Curvatura
do
espaço-tempo

 

Animação sobre a órbita
da Terra

Galáxia distorcida
por efeito lente no
aglomerado

Frase de John Wheeler
“O espaço diz a matéria por
onde trafegar,
e a matéria diz ao espaço
como se curvar”

BNs e a
geometria do
espaço
tempo

M84 – 400 km/s BN com 300106
M

Velocidade do gás 2 milhões km/h

Animação sobre
BN no
espaço-tempo

Pontes Einstein-
Rosen
(ou Buracos de minhoca)

Animação sobre
Buracos de Minhoca

Visão artística
da ponte
Einstein-Rosen

Chris Dunseath
nascido em 1949 na
Nova Escócia.
Escultor profissional da
Inglaterra

Animação sobre
Ondas
Gravitacionais

Animação sobre
Ondas Gravitacionais
produzidas pela
formação de um BN

“A eternidade é instável” – Barrow e
Tipler
Um universo que em vez de acabar na
morte térmica, se tornaria instável no
futuro, e a evaporação dos buracos
negros causaria uma vorticidade instável
(flutuações do vácuo),
e um o aumento da entropia.
E máxima desordem pode gerar ordem,
um novo universo?

Física Quântica
e
Cosmologia

Como era o Universo em seus momentos
iniciais ?
Pode-se inferir uma resposta
rodando o “filme” da expansão ao
contrário

Toda a matéria e
radiação do Universo
contidas num
pequeno volume
O Universo numa
pequeníssima fração de
segundo, logo após
a seu surgimento

Nesses instantes a lei que rege o
universo é a gravitação quântica.
O micro agora determina o
macro.

E se as leis que regem o micro
são as leis da física quântica e
essas parecem depender da
existência de um observador,
quem agora determina o macro?

Quem colapsa a função de onda
do universo?

“O homem é a
medida de todas as
coisas?”

Vida – momento particular
Coincidência de fatores, que possibilitam a
vida.
Sol – estabilidade, sem ela não é possível a
vida
Meteoros – interregno entre quedas
Campo magnético da Terra – estável –
mudanças podem ser letais a civilização
Supernovas – radiação letal
GRB – esterilização
Corpos solitários desgarrados – BN, planetas,
etc.
Vírus – grande população aumento do risco

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Notas do Editor