Cosmologia- A Estrutura do Universo

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Cosmologia: a estrutura do 
nosso universo
MSc Rodrigo Nemmen
FIS2207 – Fundamentos de Astronomia
Dez. 2006
Qual o modelo cosmológico 
“padrão” atual para a evolução 
do universo?
Modelo cosmológico “padrão” atual 
Evolução e composição do universo
Teoria do Big Bang: o universo surgiu de um estado 
extremamente comprimido no passado distante, e tem se 
expandido desde então. O próprio espaço foi originado.
Termo “Big Bang” proposto ironicamente pelo astrofísico Fred 
Hoyle na década de 50.
Hipóteses:
• universo é homogêneo e isotrópico
(princípio cosmológico)
• as leis da física são universais
• validade da teoria da relatividade geral (Einstein, 1915)
Previsões teóricas:
• universo está em expansão
• radiação cósmica de fundo em microondas
• abundância dos elementos primordiais: H, He, Li 
(nucleossíntese primordial)
WMAP
Teoria do Big Bang 
Comprovação observacional
Previsão: Universo está em expansão 
Comprovado: Lei de Hubble (1929)
Relação entre a velocidade de 
afastamento v das galáxias distantes 
e suas distâncias d até nós
H é a constante de Hubble, medida a 
partir de observações astronômicas
H ≈ 73 km s-1 Mpc-1
v Hd=
Revisar: Aulas da Profa Thaisa no início 
do semestre sobre distâncias! 
Quanto mais longe uma galáxia está de 
nós, mais rápido ela está se afastando
Teoria do Big Bang 
Comprovação observacional
Previsão: Radiação cósmica de fundo em microondas 
Comprovado: Penzias & Wilson (1964), Labs. Bell
Observações mais recentes: 
• satélite COBE (1992)
• satélite WMAP (2003 até hoje)
Prêmio Nobel da 
física deste ano!!!
nobelprize.org
C. Frenk
Radiação cósmica de fundo 
em microondas: radiação 
emitida pelo universo quando 
tinha ~400000 anos de idade 
(menos de 1% da idade atual, 
quando surgiram os primeiros 
átomos)
Esta radiação vem 
igualmente de todas as 
direções ao redor da Terra!
“Temperatura” da radiação ≈
3 K (3° C acima do zero 
absoluto!)
Em 1992 o satélite COBE 
descobriu flutuações na 
“temperatura” dessa 
radiação, consistentes com a 
teoria do Big Bang!
A Radiação Cósmica de Fundo em Microondas
C
al
dw
el
l &
 
Ka
m
io
nk
ow
sk
i
C. Frenk
Radiação Cósmica de Fundo
Teoria do Big Bang 
Comprovação observacional
Previsão: abundância dos elementos primordiais: H, He, Li 
(nucleossíntese primordial)
Teoria prevê as abundâncias dos elementos mais leves, originados
alguns minutos após o “Big Bang”
Abundâncias preditas: 4He/H = 0.25, 2H/H = 10-3, 3He/H = 10-4
Comprovado: Concordam muito bem com medidas no presente!!
(abundâncias químicas de estrelas, nebulosas e galáxias)
Relembrando rapidamente a aula da 
Profa Thaisa sobre idade do universo...
C. Frenk
Nucleossíntese
Modelo cosmológico “padrão” atual 
Geometria do universo
Quais tipos de geometria o universo pode ter?
tamanho
finito
infinito
infinito
Bucher & Spergel
tempo
ta
m
an
ho
aberto
fechado
plano
presente
Li
dd
le
Modelo cosmológico “padrão” atual 
Geometria do universo
A geometria do universo depende de quanta energia ele contém 
(incluindo radiação e matéria)
Densidade crítica para o univ. ser plano: 
A densidade costuma ser parametrizada em termos de ρc:
Comparem com a densidade da água: 
Universo aberto (hiperbólico): 1
Universo plano: 1
Universo fechado (esférico): 1
Ω <
Ω =
Ω >
Observações da radiação de fundo (entre outras) mostram que Ω ≈ 1, 
evidências bastante fortes de que o universo é plano
(h ≈ 0.7)
Modelo cosmológico “padrão” atual 
A idade do universo 
Tarefa: recordem a aula da Profa. 
Thaisa no início do semestre 
Essa aula está disponível para 
download na internet
http://www.if.ufrgs.br/~thaisa/FIS02207/fis02207.htm
Modelo cosmológico “padrão” atual 
Composição do universo
Temos uma receita de quais são os ingredientes básicos 
que compõem o nosso universo
Átomos: ≈ 4% 
Dos quais:
Elementos pesados: 0.03%
Estrelas: 0.2%
H e He no espaço: 3.5%
E todos os 96% 
restantes???
Vivemos numa época em que os cientistas estão começando a entender a 
composição do universo
Inventório Cósmico
obs. da rad. cósmica de fundo +
estudos de nucleossíntese
Modelo cosmológico “padrão” atual 
Composição do universo: MATÉRIA ESCURA
Evidência clássica: estudos do padrão de velocidades 
das estrelas nas galáxias (curvas de rotação) 
A massa visível é quantificada nas galáxias 
(estrelas, gás), decresce com o raio
Física básica - gravitacão Newtoniana: a 
velocidade circular das estrelas deve-se à massa 
interna às órbitas consideradas
2
2
( )
g
GMm mvF GM
r r
rv
r
== = ⇒
Esperado
Inventório Cósmico
Modelo cosmológico “padrão” atual 
Composição do universo: MATÉRIA ESCURA
Evidência clássica: estudos do padrão de velocidades 
das estrelas nas galáxias (curvas de rotação) 
A massa visível é quantificada nas galáxias 
(estrelas, gás), decresce com o raio
Física básica - gravitacão Newtoniana: a 
velocidade circular das estrelas deve-se à massa 
interna às órbitas consideradas
2
2
( )
g
GMm mvF GM
r r
rv
r
== = ⇒
Esperado
Medido!!
Possíveis explicações: 
ou a gravitação Newtoniana está errando...
ou há mais matéria do que estamos 
enxergando!
Inventório Cósmico
Modelo cosmológico “padrão” atual 
Composição do universo: MATÉRIA ESCURA
Atualmente: vários tipos de observações astronômicas 
mostram que há uma grande quantidade de matéria não-
visível que permeia o universo
• curvas de rotação das estrelas em galáxias
• velocidades orbitais de galáxias em aglomerados de galáxias
(aula anterior do Prof. Basílio)
• observações via efeito de lentes gravitacionais (aula anterior do 
Prof. Basílio)
Matéria “escura”: ≈ 23% Não emite ou reflete luz
Apenas seu efeito gravitacional é sentido pelo resto do 
universo
Inventório Cósmico
Um dos grandes desafios da física: descobrir a composição da matéria escura!
Não é composta por nada convencional: elétrons, prótons, nêutrons (ou 
neutrinos)...
Candidatos: partículas elementares hipotéticas – WIMP, axion
Weakly Interacting Massive Particles
Estrutura de uma galáxia
matéria 
escura
matéria 
normal
Modelo cosmológico “padrão” atual 
Composição do universo: ENERGIA ESCURA
Surpresa na cosmologia em 1998
Supernovas do tipo IA: é bem conhecida a magnitude absoluta 
delas (brilho intrínseco)
Como são extremamente brilhantes, podem ser observadas a 
distâncias cosmológicas (bilhões de AL)
Medindo o redshift z delas e o brilho (magnitude) aparente, é
possível saber a distância até elas
Inventário Cósmico
Observações recentes sugerem 
que o universo está em 
expansão acelerada, o que 
surpreendeu os cosmólogos!!
Hogan+
Modelo cosmológico “padrão” atual 
Composição do universo: ENERGIA ESCURA
O que está causando a aceleração do Cosmos?
Se o universo fosse dominado por matéria, se esperaria o contrário: a atração 
gravitacional tenderia a desacelerar a expansão
Alguma outra coisa (em maior quantidade que a matéria normal + escura) está
acelerando o Cosmos, através de repulsão gravitacional!!
Esta “outra coisa” é chamada de energia “escura”
Inventário Cósmico
Expansão acelerada
Energia escura é um tipo de energia que permeia uniformemente o universo, e exerce 
uma força oposta à atração gravitacional, causando a aceleração do Cosmos
Modelo cosmológico “padrão” atual 
Composição do universo: ENERGIA ESCURA
Observações recentes com o satélite WMAP sugerem que 
a energia escura compõe ≈ 73% do universo!
O espaço existente entre as galáxias não é vazio como 
parece, mas aparentemente está preenchido com energia 
escura!
Um dos grandes desafios da física: descobrir a natureza da 
energia escura!
Inventário Cósmico
Candidata: “constante cosmológica” (Λ)
o espaço vazio do Cosmos tem energia (energia de vácuo)
esta energia é explicada pela mecânica quântica: surge das flutuações 
do vácuo, consequência do princípio da incerteza de Heisenberg!
Modelo cosmológico “padrão” atual 
Composição do universo
1
c
ρ
ρ
Ω = ≈Densidade de energia total do universo:
mat. "normal" mat. escura en. escura 1Ω = Ω +Ω +Ω =
0.040.23 0.73
(universo plano)
Questões
O que é a teoria do Big Bang?
Quais as previões teóricas básicas da teoria do Big 
Bang, que foram comprovadas?
O que é a radiação de fundo em microondas?
Qual a idade do universo quando ocorreu a 
nucleossíntese (formação dos primeiros núcleos 
atômicos)?
Quais tipos de geometria o universo pode ter? Qual é a 
geometria favorecida pelas observações?
Quais são os constituintes do universo, e as suas 
proporções?
O que é, em termos gerais, a matéria escura e energia 
escura? 
Quais as principais evidências observacionais para a 
existência da matéria escura e da energia escura, 
respectivamente?