Astronomia Para Poetas
De Onde Viemos?
O Universo Primitivo
“Omnibus ex nihil ducendis sufficit unum”
Leibniz
Ioav Waga
Instituto de Física
GEA /Observatório do Valongo
UFRJ
Uma visão do Universo por volta de 2000 a.C.
O deus-sol Ra criou a si mesmo, juntou-se a sua
sombra e tornou-se pai de 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 deusacéu Nut. Geb e Nut por sua vez uniram-se, 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.
Uma visão do Universo por volta de 1000 d.C.
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 visão do Universo por volta de 1500 d.C.
Niclas Kopernik
(1473 – 1543)
Uma visão do Universo por volta de 1900 d.C.
Composição: estrelas
Organização:
Sistema Solar
30,000 anos luz
Origem: ?
William Herschel
(1738-1822)
Uma visão do Universo
por volta de 2000 d.C.
Preliminares
Notação científica
prefixo
Pico
Nano
Micro
Mili
potencia de 10
10 -12
10 -9
centi
10 -2
10 -1
Deci
Kilo
Mega
Giga
Tera
10 -6
10 -3
10
Diâmetro do núcleo atômico = 10-13 cm
3
Distância Terra - Sol = 1.5 x 1013 cm
6
Distância Sol- Andrômeda = 2.2 x 1023 cm
10
109
10
1 Giga = 109 = 1000000000
1 Mega = 106 = 1000000
1 Kilo = 103 = 1000
1 Mili = 10-3 = 0,001
1 Micro = 10-6 = 0,000001
12
1023 = 100000000000000000000000
1 parsec = 3,26 anos-luz = 3,09 x 1013 Km
Preliminares
Grandes Números
Nossa galáxia possui 100 bilhões (1011) de estrelas.
No Universo observável há 100 bilhões (1011) de galáxias.
No Universo observável há portanto 1022 estrelas
Um balde cheio de areia possui 1 bilhão de grãos de areia.
Cem baldes cheios de areia terão 100 bilhões (1011) de grãos de areia
que é igual o número de estrelas na galáxia.
Em todas as praias do mundo há em torno de 1023 grãos de areia.
Número de células no corpo humano – 1014
Número de átomos em um grama – 6 x 1023
Número de átomos no corpo humano – 6 x 1023 x (60 x 103 g) = 4x1028
Número de prótons no Universo observável - 1078
Preliminares
Um dos objetivos da Cosmologia é estudo da
estrutura do Universo em grandes escalas.
Estruturas encontradas no Universo:
Estrelas
Galáxias
Aglomerados de galáxias
Vazios e Filamentos
Preliminares
Quando olhamos para o espaço estamos
vendo o Universo em seu passado.
A luz de Andromeda, por exemplo, leva 2.3 x 106 anos para
chegar até nós.
O Universo tem uma história.
Existe uma evolução no Universo.
É também objetivo da Cosmologia entender esta evolução.
Uma visão do universo por volta de 2000 d.C.
Hubble
Deep
Field
3000
galáxias
aqui
100 bilhões
Em todo o
céu
Edwin Powel Hubble: 20/11/1889 - 28/9/1953
Observatório do Monte Wilson
• 1923 - Hubble observa 2
novas e uma estrela
variável em Andrômeda.
• A estrela variável foi uma
descoberta fundamental!
• Por que?
• Após uma sequência de
observações Hubble
concluiu que a estrela
variável era uma Cefeida.
Andrômeda
ANDRÔMEDA
Um esquema de nossa galáxia
1kpc = 1000 pc = 3260 anos luz
Grupo Local
Distância ou tamanho
Simbolo
Valor
Valor Relativo
Raio da Terrra
RT
6371 Km
Raio do Sol
RS
696000 Km
100 RT
Distância Terra - Sol
AU
150 x 106 Km
200 RS
1 parsec
pc
Estrela + próxima
R*
1.275 pc
7 x 107 RS
RG
10 kpc
8000 R*
RA
670 kpc
70RG
RV
11 h-1 Mpc
30RA
RU
3000 h-1Mpc
300RV
Distância Sol - centro da
galáxia
Raio do grupo local
(Andrômeda)
Aglomerado + próximo
(Virgem)
Raio do Universo observável
3.09 x 1013Km
200000 AU
Idade
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Universo – ~ 14 bilhões de anos
Terra – 4,5 bilhões de anos (45 anos)
Primeiras formas de vida (35 anos atrás)
A vida nos oceanos florece abundantemente (6 anos atrás)
Plantas e animais na terra (4 anos atrás)
Dinossauros atingem o máximo 1 ano atrás e desaparecem a ~
4 meses
Os primeiros humanoides aparecem na última semana.
A nossa espécie (homo sapiens) só surge a 4 horas atrás.
A agricultura foi inventada na última hora.
O Brasil foi descoberto a 3 minutos atrás.
O modelo padrão da Cosmologia
• A cosmologia moderna parte de algumas hipóteses de
trabalho.
 As leis da física, válidas no sistema solar valem também para o
resto do Universo.
 As leis da física, podem também ser extrapoladas para o passado.
Principio de Copérnico: não ocupamos um lugar privilegiado somos observadores típicos.
Princípio Cosmológico: o Universo é espacialmente homogêneo e
isotrópico.
isotropia local + homogeneidade = isotropia global
 Gravitação é dominante em grandes escalas.
Alcance das interações fraca e forte ~ 10-13 cm. Embora
e2/GMp2 >>1, os grandes agregados são eletricamente neutros.
A. A. Friedmann
Os 3 pilares básicos da
Cosmologia
1
1. A expansão do universo
A expansão do Universo
Hubble
velocidade
de
 H  dist ância
recessão
A lei de Hubble
Não há centro do Universo
Para onde estão as galáxias se
expandindo?
Não
Sim
Curvatura espacial positiva
Curvatura espacial nula
Curvatura espacial negativa
Separação entre galáxias
A expansão do Universo
Acelerado
Desacelerado sem recolapso
Desacelerado com recolapso
tempo
Kolb
Os 3 pilares básicos da
Cosmologia
2
2. A existência de uma radiação
cósmica de fundo de microondas
A Radiação Cósmica de Fundo
Penzias e Wilson
Em 1964, os rádio-astrônomos Arno
Allan Penzias (1933-) e Robert
Woodrow Wilson (1936-) do Bell
Laboratories descobriram
acidentalmente a radiação cósmica de
fundo de microondas. Essa descoberta
é uma enorme confirmação do
chamado modelo padrão da Cosmologia
e por essa descoberta eles receberam
o prêmio Nobel em 1978. A radiação
cósmica de fundo havia sido predita
nos anos 40 por George Gamow (19041968) e seus estudantes Ralph Asher
Alpher e Robert Herman, como a
radiação remanescente do estado
inicial do Universo, ou mais
precisamente, de quando ele ficou
transparente à radiação, isto é,
quando o Universo tinha ~300000
anos.
Núcleos e
elétrons livres
Átomos
Universo
opaco
Universo
transparente
Terra
Superfície de último
espalhamento (z ~1000)
A Radiação Cósmica de Fundo
COBE
1989
• Características principais:
• É uma radiação de corpo negro de
microondas (T ~ 3 oK).
• A radiação é, altamente isotrópica
DT/T ~ 1.2 x 10-5 .
• Contudo ela possui uma anisotropia
dipolar, DT/T ~ 1.2 x 10-3 , que
decorre da nossa velocidade em
relação ao referencial da radiação
de fundo; v ~ 360 km/seg
Radiação
Isotrópica
Sem desvio
Desvio para
o vermelho
Desvio para
o azul
Sem desvio
Problema de horizonte ou isotropia
Limite de influência < 2˚
As 2 regiões não possuem
conexão causal entre elas.
Universo
Observável
Terra
O cenário Inflacionário
A. Guth
Expansão Usual
Período Inflacionário
Hoje
Os 3 pilares básicos da
Cosmologia
3
3. A formação de elementos leves
A formação de elementos leves
Alpher
Bethe
Gamov
Em 1946, Alpher, Bethe e Gamov sugeriram a possibilidade de que
todos os elementos químicos teriam sido gerados através de uma
longa cadeia de captura de nucleons em 1 Universo primordial em
expansão e que estaria esfriando-se. O esquema falha pois não há
elementos leves estáveis com número de massa 5 e 8.
A formação de elementos leves
Nucleosíntese Primordial
–
–
–
–
Predições da teoria:
Forma, essencialmente,
Hydrogênio & 4Hélio
Também forma 2H, 3He, Li.
Depende da razão entre
prótons e neutrons na época
e da taxa de decaimento do
neutron.
• Razão (p:n) = 7:1
Abundância (por massa) de
hélio = 25% do total.
p
2H
n
p
3He
n
4He
+2He
(Raro)
6Li
1H
2H
3He
9Be
7Li
4He
A=5
A=8
Predições estão basseadas em física bem conhecida
A formação de elementos leves
Nucleosíntese Primordial
Valor Observado
excelente acordo com as
previsões teóricas.
 Forte suporte ao modelo
padrão da Cosmologia
1
Abundância Relativa
 As observações estão em
Valor Predito
He
~25%
Região
permitida
10-3
D
10-6
Li
10-9
0.005
0.01
0.02
Densidade Atual de Bárions Bh2
B 
B
; hoje cr  10 prótons/m3
cr
H 0  100 h km / seg Mpc 1
O modelo padrão da Física de Partículas
A BUSCA DA UNIFICAÇÃO
 Mecânica Celeste
Newton 
Mecânica Terrestre
 Eletricidade E A GRAVITAÇÃO
Maxwell 
 Eletromagnetismo
Magnetismo
?
Por que a busca da unificação?
Glashow

Eletromagnetismo
Salam  sem relação aparente
 Eletrofrac
a tendo a
1) Fenômenos
surgem como
Fraca


SUPERCORDAS, TEORIA M ???
mesma
origem.
Weinberg
2)Parâmetros arbitrários passam a ter uma explicação.
3)Simplicidade (razão estética).
Georgi Eletrofraca
 Grande Unificação (?)

Glashow  Forte
O modelo padrão da Física de Partículas
SU (3)C  SU (2)L U (1)Y
•
•
Excelente base experimental .
Contudo, os físicos de partículas não estão satisfeitos e não
acreditam que essa seja a última teoria.
Algumas razões:
1. Estrutura de grupo complexa.
2. 21 parâmetros livres.
3. Por que a carga elétrica do próton é igual, em valor absoluto,
a do elétron ?
4. Por que os férmions repetem-se em famílias ?
5. Não há uma explicação para a origem da matéria escura.
O modelo padrão da Física de Partículas
1. Interação Eletromagnética (QED)
A força esta associada a carga elétrica
T
E
M
P
O
Fóton
Elétron
ESPAÇO
As partículas elementares
SABOR
3
F
A
M
Í
L
I
A
S
MASSA
GeV
CARGA
ELÉTRICA
SABOR
MASSA
GeV
CARGA
ELÉTRICA
O modelo padrão da Física de Partículas
2. A Interação Forte
Cromodinânica Quântica - QCD
• Os quarks possuem outra propriedade além da carga elétrica. Os
quarks possuem
COR
Eles apresentam-se em 3 cores
Vermelho  R
Verde
 V
Azul
 A
• Os léptons não possuem cor. Eles não sofrem a interação forte.
carga elétrica oposta
Antipartículas 

cor oposta

 
O modelo padrão da Física de Partículas
Os quarks estão confinados em hádrons
Só existem 2 possibilidades:
1. 3 quarks com cores distintas
2. Quark e antiquark com cores e anticores correspondentes.
u

Próton  u
d






Méson 
d

Neutron  d
u

+
u

d








O modelo padrão da Física de Partículas
2. A Interação Forte – Cromodinânica Quântica - QCD
Interação Forte
Cromo – A força atua não sobre
a carga elétrica mas sobre
a carga de cor. A força é também proporcional ao produto
das cargas.
QCD possui os mesmos princípios que a QED, porém é
mais complexa.
QED – 1 carga (elétrica)
QCD – 3 cargas (cor)
QED – 1 mediador (fóton)
Méson +
QCD – 8 mediadores (gluons)
O modelo padrão da Física de Partículas
A Interação Fraca
3. A Interação Fraca
L - esquerdo
Próton
R - direito
A interação
spin 3 mediadores
spin fraca possui
CF CE
W + +1 +1
Eletromagnética
Fraca
Forte
W
-1
-1
Gravidade
Direção
do
movimento
Direção do movimento
Eletrofraca
0
W
0 se a0partícula é direita ou esquerda.
•A interação fraca distingue
Fóton
Gluon
Gráviton
W- Z0
•Mediador
Somente partículas
direitasW
e +antipartículas
esquerdas possuem
carga fraca. A interação fraca praticamente dobra o número de
Quarks
Quarks
partículas
Quarks
Atua sobre
Todas
Léptons
Neutron
Primeira geração: 2 léptons eLéptons
6 (2x3) quarks
= 8 partículasGluons
carregados
-39
-5 16 x 2 (R , L)-2= 32 partículas
8Intensidade
partículas + 10
8 antipartículas
=>
10
1
Decaimeto
do Neutron 10
Só são encontradas na natureza neutrinos esquerdos e antineutrinos
direitos => 32 – 2 = 30 partículas
Tempo
hoje
Temperatura do
Universo
Energia
O Universo Primitivo
1. T < 1 GeV ~ 1.2 x 1013 oK – física bem conhecida
2. 1 GeV < T < 1016 GeV – até 100 GeV a física é
3.
razoavelmente conhecida ; para T > 100 GeV as predições
dependem de modelos.
1016 GeV < T < 1019 GeV – bastante especulativo.
Para T > 1019 GeV a gravitação deve ser quantizada.
História do Universo
Desacoplamento
matéria radiação
Era EletrofracaT. Fase Eletrofraca
Era GUT
Inflação
Era
Planck
T. Fase Quark-Hádron
Nucleosíntese
primordial
Formação de galáxias
Futuro Possível
do
Universo
Hoje
Sol torna-se
uma gigante
vermelha
Até o Inferno congela
Botafogo volta a
Primeira Divisão
Fim do
Universo
bilhões de
bilhões de anos
Centenas de
Bilhões de anos
Centenas de
bilhôes anos
19 bilhões
de anoss
14 bilhões
de anos
t
Maiores avanços teóricos e sucessos da Cosmologia no século XX
Relatividade Geral como teoria de gravitação ; existência de um quadro
auto-consistente.
Expansão do Universo e a lei de Hubble (1929) .
Alpher, Herman e Gamov fazem a previsão da existência de uma RCF de 3oK.
Descoberta da RCF por Penzias e Wilson (1964).
Previsão da nucleosíntese primordial (Alpher, Bethe e Gamov - 1948).
Concordância da teoria com as observações.
Previsão da existência de matéria escura (não bariônica) e seu papel na
formação de estruturas.
Inflação e o problema das condições iniciais no Universo (Guth – 1980). Origem
das flutuações de densidade para formação de estruturas.
Bariogênese e assimetria matéria e antimatéria.
Energia escura e a aceleração da expansão (1998).
Grandes questões abertas
Natureza da matéria e da energia escura.
Gravitação quântica e a origem do Universo.
Quadro mais completo para a formação de galáxias e aglomerados.
•
•
•
•
•
•
•
Cosmology: The Science of the Universe - E. R. Harrisson
Astronomy Today – Chaisson & McMillan
Uma biografia do Universo – F. Adams e G. Laughlin
A Short History of the Universe - J. Silk
Os 3 Primeiros Minutos – S. Weinberg
Dobras no Tempo – G. Smmot & K. Davidson
A expansão do Universo: Notas didáticas do IF/UFRJ - I. Waga
http://www.if.ufrj.br/~ioav/nota.html
O conceito de elementos
Para Aristóteles existiam
4 elementos
Ar
Água
Fogo
Terra
Dalton (1808) listou, vários
elementos que hoje reconhecemos.
A Tabela Periódica
Mendeleev (1869) introduziu a tabela periódica.
A estrutura dos átomos
Rutherford (1912)
mostrou que os
átomos contem
um núcleo central.
Elétrons giram em torno
do núcleo
-10
10 m
A estrutura do núcleo
10
-14
m
Os núcleos possuem
prótons com carga
+e e neutrons sem
carga elétrica.
A estrutura dos nucleons
-15
10 m
Neutrons e prótons
são formados por
quarks
Estrutura dos quarks?
?
Não há evidência de
outras estruturas
<10
-18
m
Antimatéria
P A M Dirac previu a existência
do pósitron em 1928.
A equação de Dirac implica:
massa do pósitron = massa do elétron
carga do pósitron = + e
Descoberta de antimatéria
Anderson (1932) descobriu o pósitron
Produção de pares
Aniquilação de pares