Cosmologia. Thyrso Villela Neto INPE Divisão de Astrofísica

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Cosmologia

Thyrso Villela Neto

INPE

Divisão de Astrofísica

INPE, 29 de novembro de 2005

Parcialmente baseado no CD Astronomia para Poetas – UFRJ e em material cedido pelo Dr. Marcio Maia do ON/MCT

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Resumo

• Evolução do pensamento humano sobre o cosmo

• A Cosmologia no início do Século XX

• Os três pilares da Cosmologia Moderna

• Cosmologia: desenvolvimentos tecnológicos

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Tempestade

em Júpiter

Mais de 300 anos

de duração!

25.000 km de diâmetro !

“Ventos” de 430 km/h !

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Uma previsão para a morte do

Sol…

Nebulosa da Formiga, ~ 4500 anos-luz da Terra, na constelação de Norma. Imagem com resolução 10 vezes melhor do que a dos telescópios no solo, revelando 100 vezes mais detalhes

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O que “sabemos” hoje…

Tempo

Hoje

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Começando com um pouco de História ...

Astrônomo – Profissão Perigo

Tampa de caixão de um Faraó egípcio mostrando dois astrônomos assistentes (2000-1500 AC). Hieróglifos listam

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Uma

visão

do

Universo

por

volta

de 2000 a.C.

O deus-sol, Ra, criou a si mesmo, juntou-se à sua

sombra e tornou-se pai dos gêmeos Shu, o deus do ar,

e Telnut, a deusa da chuva.

Shu e Telnut uniram-se e também tiveram gêmeos: o

deus-terra Geb e a deusa-céu Nut. Geb e Nut também

se uniram, mas o avô, Ra, zangado e ciumento,

ordenou que Shu os separasse e que mantivesse Nut

bem acima da Terra, como convém a uma deusa-céu.

Desde então, Nut toca a Terra somente com as pontas

de seus dedos das mãos e dos pés. Sua barriga, coberta

de estrelas, que são seus filhos, formam o arco do

firmamento.

(14)

Demócrito

(400 A.C.)

Atribui a estrelas “não resolvidas” o brilho da banda luminosa que corta o céu noturno, que, mais tarde, viria a ser chamada de Via Láctea.

(15)

Aristóteles

(350 A.C.)

Refina modelo de Eudoxus, no qual a Terra seria o centro do Universo, com o Sol, planetas e estrelas girando em torno dela, fixas em esferas cristalinas.

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Aristarco de Samos

(~250 A.C.) Foi o primeiro a propor o sistema heliocêntrico.

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Nessa época, os modelos de Universo consideravam que a

Terra estava no centro de tudo e que o céu era uma tampa

com buracos.

A luz proveniente de fogos, ardendo no lado de fora,

brilharia através dos buracos e alcançaria a Terra como a

luz das estrelas.

Uma

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Nicolau de Cusa

(~1440)

Propôs idéias avançadas para a época:

• Acreditava que a Terra girava em torno do seu eixo e

que talvez girasse em torno do Sol

• Propôs que as estrelas seriam similares ao Sol e que

deveriam ter “mundos habitados” orbitando ao seu redor

• Mais especulações o levaram a concluir que o Universo

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Nicolau Copérnico

(1543)

Em seu livro De Revolutionibus apresenta a teoria heliocêntrica

(20)

Galileo Galilei

(1610)

Utilizando uma luneta, por ele (re)inventada, confirma que a Via Láctea é formada por estrelas. Além disso, vê satélites de Júpiter, o que reforça a teoria heliocêntrica.

“A Galáxia não é nada mais do que uma massa de inumeráveis estrelas plantadas juntas em aglomerações. Para qualquer parte que você dirija o telescópio, imediatamente uma vasta multidão de estrelas apresenta-se à vista.”

Galileo (1610)

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René Descartes

(1633)

Cogito ergo sum

Em O Mundo, Descartes propõe a idéia de que o Universo é formado por um número indefinido de

vórtices

contínuos.

A matéria que preenche o Universo seria coletada nos vórtices, que possuiriam uma estrela no centro de cada um deles. Eles apresentariam, com freqüência, “planetas orbitantes”.

(22)

Thomas Wright

(1750)

Foi o primeiro a propor idéias de um Universo organizado na forma de sistemas estelares em sua obra “An Original Theory or New Hypothesis of the Universe”

... that as the visible Creation is supposed to be full of sidereal Systems and planetary Worlds, so on, in like similar Manner, the endless Immensity is an unlimited Plenum of Creations not unlike the known Universe. See Plate XXXI, which you may if you please, call a partial View of Immensity, or without much Impropriety perhaps, a finite View of Infinity ...

That this in all probability may be the real Case, is in some Degree made evident by the many cloudy Spots, just perceivable by us, as far without our starry Regions, in which tho' visibly luminous Spaces no one Star or particular constituent Body can possibly be distinguished; those in all likelihood may be external Creation, bordering upon the known one, too remote for even our Telescopes to reach.

(23)

Immanuel Kant

(1755)

Em seu livro História Natural Universal e Teoria do Céu, sugere que “de maneira similar ao Sistema Solar, existiriam outros sistemas, de ordem maior, que se assemelhariam à distribuição de estrelas da Via Láctea ...” Suas idéias são basicamente as de Thomas Wright e incluem considerações sobre a existência de um Universo infinito em que todas as estruturas de mundo se relacionariam, possuindo um ponto central. Mais tarde esses outros sistemas se chamariam Universos-Ilhas.

Universal Natural History and Theory of Heaven

To the most serene, the mightiest king and master Frederick

King of Prussia

Margrave of Brandenburg

Lord Chamberlain and Elector of the Holy Roman Empire Sovereign and Highest Lord of Silesia, etc. etc.

My all honored King and Master, Most serene and mighty king, All honored King and Master...

Dedicatória para Frederico II da Prússia na Introdução da obra

(24)

Charles Messier

(1784)

Compilou o Catalogue des nébuleuses et des amas d'étoiles que l'on découvre parmi les étoiles fixes, sur l'horizon de Paris

.

Nele, estão as primeiras referências a aglomerados de galáxias. Messier listou 103 nebulæ, 30 das quais são galáxias.

M1 M101

(25)

Suas descobertas, com o telescópio construído por ele mesmo, fizeram com que o rei da Inglaterra financiasse a construção do maior telescópio da época, com 1,47 m de abertura.

Em 1785, ele publicou On the Construction of the Heavens, no qual sugeriu que

“o sistema sideral

que habitamos”

é uma nebulosa comum em aparência a muitas outras, as quais, por sua vez, devem ser externas à nossa.

Wilhelm Herschel

(1785)

(26)

William Parsons

(Lorde Rosse) 1845 Constrói um telescópio de 1,80 m de diâmetro e descobre que algumas nebulosas possuiam formato espiralado.

(27)

Desenhos de Parsons mostrando que algumas “nebulosas” apresentam uma estrutura espiral.

M51

(28)

Uma

visão

do

Universo

por

volta

de 1900 d.C.

Sistema Solar

Composição: estrelas

30.000 anos luz

Origem: ?

William Herschel

(1738-1822)

(29)

Estruturas encontradas no Universo:

Um dos objetivos da Cosmologia é o

estudo da estrutura do Universo em grandes

escalas

Estrelas

Aglomerados de galáxias

Galáxias

Vazios e Filamentos

Mas até o início do Século XX não conhecíamos tudo isso…

Foi nessa época que

quase

tudo o que sabemos hoje

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• 1900:

Max Planck

propõe a idéia de que a energia existe em

pacotes (chamados quanta)

• 1906:

Jacobus Kapteyn

repete a análise estatística de

estrelas feita por

William Herschel

e descobre que há ordem

no movimento das estrelas

– Suas medidas do tamanho da Galáxia indicavam um

tamanho maior para a Via Láctea.

– No entanto, indicaram um valor 60% menor que o

tamanho atualmente aceito. A presença de nebulosas

escuras impediram medidas mais precisas

(31)

Henrietta Leavitt

(1912)

Descobre, para as Cefeidas, uma relação entre o período de variação de seu brilho e sua luminosidade intrínseca. Com isso, torna possível a medida de distâncias dentro e fora de nossa Galáxia. Uma contribuição fabulosa!

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1912

Década 1910-1919

(33)

A estrutura dos átomos

Elétrons giram em torno

do núcleo

(34)

1913

Década 1910-1919

• Walter Adams mostra como deduzir a luminosidade de uma

estrela a partir de seu espectro. Uma vez que a luminosidade da estrela é conhecida, a distância até ela pode ser calculada a partir de seu brilho aparente

– Essa nova ferramenta permite a Ejnar Hertzsprung e Henry Russell medir a distância a Cefeidas próximas, construindo assim a escala de distância cósmica de Leavitt.

(35)

1913

Década 1910-1919

• Hertzsprung e Russell encontram uma relação entre cor e

luminosidade para estrelas. Estrelas azuis (quentes) tendem a ser luminosas, estrelas amarelas (temperatura média) tendem a ser menos luminosas, estrelas vermelhas (frias) tendem a ser fracas • Mais de 90% das estrelas se encaixam nessa classificação e são

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1913

Década 1910-1919

• O gráfico desses resultados é conhecido como diagrama de

Hertzsprung-Russell (ou H-R) e é muito importante no estudo da evolução estelar.

• Russell estuda o espectro do Sol para determinar sua composição química: 90% H, 9% de He e 1% de “outros elementos”. A maioria das estrelas tem composição química semelhante

• Neils Bohr aplica as idéias de Planck para o átomo, ajudando a explicar como e porque os espectros atômicos se formam.

(37)

(38)

1914

Década 1910-1919

• Slipher descobriu que as “nebulosas” espirais e algumas elípticas estão se movendo com grandes velocidades radiais, de forma que considerá-las como membros da Via Láctea é algo questionável.

(39)

Vesto Melvin Slipher

(40)

Década 1910-1919

A Física e a Astronomia sofrem uma revolução protagonizada por

Albert Einstein

1915

(41)

1915

Década 1910-1919

• A

Teoria da Relatividade Geral de Einstein

muda a

forma como os seres humanos encaram a gravidade

(42)

1915

Década 1910-1919

• A Teoria da Relatividade prevê que a luz seria influenciada por um campo gravitacional, o que seria provado durante um eclipse total do Sol alguns anos mais tarde

• A TRG fornece uma visão geral de todo o Universo indicando que ele não é estático. Einstein acha que o Universo é estático e altera parte de suas equações

(43)

Década 1910-1919

• James Jeans

apresenta uma idéia para a formação do

Sistema Solar: sugere que uma estrela “passante” possa

ter retirado material do Sol. Esse material teria se

condensado para formar os planetas

• Primeiro modelo cosmológico com base matemática

1917

Willem de Sitter (1872-1942)

(44)

1917

Década 1910-1919

• Vesto Slipher coleta espectro de 15 “nebulosas” e percebe que 13 delas apresentam as linhas deslocadas para o vermelho

• Surge a primeira evidência de que as galáxias

apresentam movimento de recessão

• Como elas ainda não eram consideradas objetos

(45)

1917

Década 1910-1919

• Vesto Slipher:

"For us to have such motion and

the stars not show it means that our whole stellar

system moves and carries us with it.

It has for a

long time been suggested that the spiral nebulae

are stellar systems seen at great distances ...

This

theory, it seems to me, gains favor in the present

observations

"

(46)

Herber G. Curtis X Harlow Shapley

Em 1920, um grande debate foi estabelecido entre Herber Curtis e

Harlow Shapley a respeito da natureza extragaláctica das galáxias.

Curtis defendia a idéia de que elas eram externas à Via Láctea, enquanto Shapley dizia que elas seriam objetos da nossa galáxia. Somente mais tarde foi possível estabelecer a natureza extragaláctica destas “nebulosas”. Curtis tenta difundir o nome Universos-Ilhas para galáxias.

(47)

1922 - 1927

Aleksandr Friedmann (1888-1925)

George LeMaitre (1894-1966)

(48)

Edwin Hubble

(entre 1923 e 1929) Consegue determinar a distância

de uma “nebulosa” na constelação de Andrômeda, usando, para isso, uma estrela cefeida (1923). Estava demonstrado que elas tinham natureza extragaláctica.

Observando mais galáxias, e adicionando os dados de Slipher, Hubble concluiu que

elas se

afastam mais rapidamente quanto

mais longe estão

(1929).

(49)

Cosmologia moderna...

• Herman Bondi

ao começar suas palestras:

“the data in cosmology are so likely to be

wrong that I propose to ignore them”.

• Ernest Rutherford

, descobridor do núcleo

atômico: ameaçava expulsar de seu

laboratório quem ousasse pronunciar a

palavra “Universo”.

(50)

Novas tecnologias: novas

janelas para o Universo

• Pulsares

• Quasares

• GRB

• CMB

• Supernovas

• Estrelas de nêutrons

• Estrelas anãs brancas

• Buracos negros

(51)

Bases do “Hot Big Bang”

• Teoria da Relatividade Geral

• Princípio Cosmológico

• Suposição de um início quente e denso

para o universo (“hot”)

(52)

inflação

380 mil anos

INÍCIO DO TEMPO

Pequena fração

de segundo

13,7 bilhões de anos

(53)

Evidências observacionais a

favor do “Hot Big Bang”

1. Expansão do universo

lei de Hubble: v = H . d

2. Abundância de elementos leves

3. Radiação cósmica de fundo de 2,7 K

(54)

1. A expansão do Universo

Hubble distância recessão de velocidade × = H

(55)

A lei de Hubble

(56)

(57)

2. Formação de elementos químicos leves

Alpher

Bethe

Gamov

1946: sugeriram a possibilidade de que os elementos

químicos leves teriam sido criados numa época em que

reinavam altas temperaturas no universo

(58)

A formação de elementos

leves

Nucleossíntese Primordial

p n 2_H p ₃_He 4_He n

Previsões baseadas em física bem

conhecida

Previsões da teoria:

– Formação de H,

4

_He,

2

_H,

3

_{He, Li}

(59)

(60)

3. RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO

EM MICROONDAS

(61)

Descoberta da RCFM

1964

1933

(62)

Década de 1970

•

H

_o

: Debate Sandage e Tammann X de Vaucouleurs e outros

Qual é o valor da constante de Hubble?

• “Interação forte”: Astrofísica + Física de Partículas

(63)

(64)

(65)

“Era pré-COBE”: Brasil nov. 1982

Protótipo do satélite COBE

(DMR 90 GHz)

Lubin, Villela, Epstein, Smoot 1985 Villela 1987

(66)

(67)

(68)

Satélite COBE

COsmic Background Explorer

1989

(69)

(70)

!

(71)

Temperatura do Universo:

(72)

1990

Década 1990-1999

• Abril de 1990:

Hubble Space Telescope é

colocado em órbita pelo ônibus espacial

Discovery

(73)

(74)

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(76)

(77)

BeppoSAX (30 abril 1996 – 30 abril 2002)

"Satellite per Astronomia X"

(78)

GRB 990123

(79)

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(83)

• Energia Escura, ou “quintessência” (

água,

ar, fogo, terra…

), é o componente invisível

da Natureza responsável pelo atual estado

de aceleração do Universo

• Entender sua natureza significa aumentar a

nossa compreesão sobre o Universo

(84)

(85)

HACME (UCSB + INPE +

UNI

FEI)

HEMTs

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BOOMERANG

(87)

Satélite WMAP

• Lançado em 30/06/2001

• 1,5 x 10

6

_{km da Terra}

• Massa: 830 kg

• Altura: 3,6 m

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BEAST: Background Emission Anisotropy Scanning Telescope UCSB INPE Univ. Milão Univ. Roma JPL/NASA Caltech

(90)

BEAST

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Composição do Universo

H, He: ~ 4% Elementos pesados: ~ 0,03% Neutrinos:~ 0,3% Estrelas: ~0,5% Matéria escura: ~

25%

Energia escura: ~

70%

(92)

Desenvolvimentos

Tecnológicos

• Sensor estelar CCD

• Sistema de controle de atitude de

plataformas espaciais (satélites e balões)

• Detectores de microondas

• Técnicas utilizadas em telecomunicações

• Criogenia

• Quantificação da interferência

eletromagnética em medidas astronômicas

• Técnicas computacionais para tratamento

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~100 anos atrás:

“microfísica” (Física Atômica)

Æ nova Física (Mecânica Quântica)

Hoje:

“macrofísica” (Cosmologia)

Æ nova Física?

(99)

(100)

FIM

O Astrônomo (Fábulas de Esopo)

Um astrônomo gostava de fazer passeios noturnos para olhar as estrelas. Certa vez ia tão distraído que caiu num poço. Enquanto tentava sair, seus gritos atraíram a atenção de um homem que passava. Ao ser informado do que havia acontecido, o homem riu e disse:

- Meu bom amigo, tanto o senhor se esforçou para olhar o céu que não lembrou de olhar o que tem debaixo de seus pés!