O QUE SO O BIGBANG A ENERGIA E

O QUE SÃO O BIG-BANG, A ENERGIA E A MATÉRIA ESCURAS? NELSON PINTO NETO ICRA-CBPF

COSMOLOGIA • Descrição da totalidade do mundo físico pelo método científico. - Objeto de estudo é tudo que existe, incluindo observadores. - É único: não temos outras amostras para manipular: PROBLEMAS COM A MEC NICA QU NTICA! - O único ponto de vista é do observador na Terra através de ondas eletromagnéticas - ondas gravitacionais: outra janela.

Espectro Eletromagnético • Hoje o universo é observado em todos os comprimentos de onda.

Aglomerados de Galáxias Hydra A no ótico Hydra A em raios x Mgás ~ 20 x Mestrelas Gás é distribuido mais suavemente

DIST NCIAS DAS GALÁXIAS Distâncias muito grandes: medidas em ano-luz Velocidade da luz: 300. 000 km/s A luz dá 8 voltas ao mundo em 1 segundo! Um ano-luz: distância percorrida pela luz em 1 ano: 9. 460. 800. 000 km! 1 parsec: distância para a qual paralaxe vale 1 segundo de arco ~ 3 anos-luz.

PARALAXE

Natureza das Galáxias • Henrietta Leavitt (1912): relação entre período de estrelas variáveis cefeidas e sua luminosidade intrínseca • Edwin Hubble (1923): determina a distância da “nebulosa” de Andrômeda (M 31), usando uma estrela cefeida

O Desvio para o Vermelho • Efeito Doppler Desvio para o azul Desvio para o vermelho

A Expansão do Universo • Vesto Slipher (1917): desvio para o vermelho de galáxias (13 de 15) • Hubble (1929): descobre a expansão do universo

Velocidade (km/s) O Diagrama de Hubble (Versão Atual) Dados do Hubble Distância (Mpc)

A RELATIVIDADE GERAL DE EINSTEIN A gravidade atua em tudo! Todas as partículas caem da mesma forma! Os corpos livres também seguem todos a mesma trajetória. Gravitação não é uma força! Uma grande massa curva o espaço-tempo!

ESPAÇO CURVO DE UMA ESTRELA

Geometria Cosmológica ngulos: Analogia 2 D: Esférica Hiperbólica Plana

A EXPANSÃO DO UNIVERSO

A Expansão do Universo I Não é explosão! Não possui centro! Relação linear: O Parâmetro de Hubble: H 0 = 24 km/s /milhão de anos-luz Há quanto tempo começou a expansão? T = 1/H 0 = 14 bilhões de anos

Evolução do Universo Nomenclatura: “Big-Bang”: d Extrapolação para d 0 sela ρ<ρC Fator de escala ρC plano esfera ρ>ρC agora tempo

Breve História Térmica do Universo

A MATÉRIA-ENERGIA CONHECIDA DO UNIVERSO

AS FORÇAS DA NATUREZA

Recombinação plasma matéria neutra

Recombinação • Quando a temperatura cai abaixo dos 3. 000 C os elétrons ficam presos aos núcleos Ø O Universo passa a ser trasparente Ø A luz se propaga livremente: 380. 000 anos!

A Radiação Cósmica de Fundo Região a partir da qual nada podemos ver Temperatura hoje T = - 270 C

Intensidade [10 -4 ergs cm-2 s-1 sr-1 cm] O Espectro da Radiação Cósmica de Fundo espectro térmico com T = 2. 725 ± 0. 002 K dados com erros x 100 Freqüência [cm-1]

Nucleossíntese: Alquimia no Universo Primordial Produção de 7 Li, 3 He, D, 4 He T ~ 1010 C - 109 C, 1 s a 3 min “DBB”

Abundância de Elementos Leves Produção de 7 Li, 3 He, D, 4 He Todos com o mesmo h=ηB/ηF! D é o melhor “bariômetro” ρB / ρC =0, 04

Alguns Marcos da História do Universo T (radiação) -270 C, 13, 7 109 anos -263 C, 109 anos 104 C, 400. 000 anos 105 C, 40. 000 anos 107 C, 1 a 200 s 1012 C, 10 – 3 s 1028 C, 10 – 34 s 1032 C, 10 – 43 s Evento Hoje Formação das Galáxias Recombinação do H, radiação de fundo Dominação pela matéria Formação dos elementos leves (He 4, He 3, D e Li) Formação dos prótons e nêutrons. Grande Unificação? Cosmologia quântica?

Evolução do Universo Nomenclatura: “Big-Bang”: d Extrapolação para d 0 sela Fator de escala plano esfera agora tempo

Outubro de 2008 Dezembro de 2008

Diferenças de Temperatura na Radiação Cósmica de Fundo A OBSERVAÇÃO DESTAS DIFERENÇAS PERMITE SABER COMO ERA O UNIVERSO A 14 BILHÕES DE ANOS!

Prêmio Nobel 2006 John Matter e George Smoot

Espectro de Potência Segundo WMAP ρ=ρC

Satélite Planck: 2011

Composição do Universo

Blocos fundamentais: Galáxias

Galáxias no UHDF

Mapa 3 D do Universo Lei de Hubble

Mapa do Two Degree Field Mais de 220. 000 galáxias Estruturas complexas: Filamentos, paredes e bolhas, contendo 80% da matéria luminosa

As escalas no Universo Existem cerca de 60 bilhões de galáxias no Universo! 60. 000

Velocidades de rotação das estrelas em torno dos centros das galáxias. Perto do centro: ρ = const M(r) r 3 V(r) r Na periferia: ρ = 0 M(r) = const. V(r) 1/r 1/2

A Matéria Escura l Curvas de rotação de galáxias Estimativa simples: Matéria escura é menos concentrada

Matéria Escura no Universo Evidências: • • Curvas de rotação de galáxias Movimentos de galáxias e aglomerados Lentes gravitacionais Anisotropias da CMBR. . . Há ~10 x mais matéria escura que matéria usual! Interage muito fracamente (não dissipa nem emite luz), fria. Não pode ser bariônica (gás, planetas, BN): nucleossíntese. Axions, WIMPS (partículas supersimétricas? ) Energia provável da ordem do Tev: LHC. A matéria escura é a componente - que se aglomera dominante na densidade de massa do Universo

MATÉRIA ESCURA

Supernovas do Tipo Ia e Cosmologia Vantagens: • Luminosidade Extrema (109 - 1010 Lo) • Altamente homogêneas Vela padrão Desvantagens: • Eventos raros e aleatórios • Duração curta Solução: • Busca automatizada • (SCP, High-z team)

O Universo Acelerado Diagrama para grandes distâncias com boa precisão Þ O Universo está em expansão acelerada. Þ Mas Gravidade é atrativa! Energia escura: gravidade repulsiva!

Energia Escura 2/3 da densidade do universo estão sob a forma de Energia Escura! Evidências: • • Expansão acelerada de galáxias distantes Idade do Universo Espaço quase plano Análise combinada de diversos observáveis cosmológicos Candidatos (Taxonomia da Energia Escura): – Constante cosmológica: energia do vazio quântico Problema : ρTQC = 1062 ρOBS – Força (campo) extra: • Quintessência, phantom. Nova teoria da gravitação!

DARK ENERGY SURVEY: possibilidade de distinguir sobre estas possibilidades.

COMPOSIÇÃO DO COSMOS

Questões Cosmológicas 1) O que é o Big-Bang? Se entendido como uma fase quente primordial, quase um fato. Se entendido como o início de tudo: UM MITO. Nenhuma evidência observacional indica que o Universo teve um começo! Possibilidade concreta de o Universo não ter tido um começo. Isto poderá ser decidido pela observação das pequenas diferenças de temperatura da radiação de fundo.

2) O que é a matéria escura? WIMPS, pode ser encontrada no LHC. Determina as estruturas do Universo. 3) O que é a energia escura? Energia do vácuo, novo campo, campo fantasma. Pode ser determinado no DES. Determina o futuro do Universo: terá este um fim? Não (supernovas) se energia escura for a energia do vazio quântico. Não conhecemos 97% dos constituintes do Universo!

• Sucessos importantes da Cosmologia científica: previsão da expansão do Universo, da radiação de fundo cósmica e suas pequenas anisotropias, da abundância dos elementos leves. Pode-se explicar inúmeras observações com uma teoria simples. • Avanços notáveis na cosmologia observacional: talvez seja possível testar idéias sobre como era o Universo há muito tempo atrás. • Entretanto, apenas 4% da matéria do Universo é conhecida. Serão as teorias que estamos usando realmente válidas? è Estes mistérios da Cosmologia podem revelar novos conhecimentos sobre a Natureza!

Assimetria Matéria/Anti-Matéria • No universo primordial: equilíbrio entre partículas e anti-partículas (equipartição) • Aniquilação produz fótons: Ø Assimetria de 1 parte em 109!

A Expansão do Universo I -v v A -2 v B Em relação a B C -v v A B 2 v C Em relação a A Homogênea e aumenta linearmente com a distância

BURACOS NEGROS

UM POSSÍVEL BURACO NEGRO

BURACOS DE MINHOCA