COSMOLOGIA
• Modelos físicos para a estrutura, origem e evolução do Universo
baseados na OBSERVAÇÃO
• Desenvolvimento principal no século XX
teoria da relatividade geral (TRG) cosmologia newtoniana
Histórico da Cosmologia do século XX
• No início: distribução achatada, esferoidal e estática de estrelas :
universo de Kaptein
mas “nebulosas espirais” (= galáxias) fora
ou dentro da distribuição de estrelas?
1915
TRG de Einstein  fundamental para o desenv. da cosmologia
gravitação = interação física dominate em escalas cosmológicas
na TRG uma manifestação da geometria espaço-tempo
relação entre matéria, energia e geometria
1917
1o modelo cosmológico relativístivo (Einsten)
universo com espaço estático de curvatura K>0 e cte.
+ matéria uniformemente distribuída
introdução da constante cosmológica  para o equilíbrio
do universo em relação à força gravitacional
1922
Modelos homogêneos e isotrópicos dinâmicos
(Friedmann e Lemaître)
universo em expansão a partir de uma
singularidade inicial (Big-Bang)
1924
HUBBLE
descoberta das variáveis cefeidas  indicadores de distância
determinação da distância de Andrômeda
“nebulosas espirais” são extragalácticas
Universo formado por galáxias
1929
LEI DE HUBBLE
A velocidade de uma galáxia  distância
evidência do universo em expansão
1933
Análise do aglomerado de Virgo por Zwicky
1) gravitacionalmente ligado
2) massa total > > m em estrelas
matéria escura
1934
Milne e McCrea
Correspondência entre a dinâmica newtoniana
de uma esfera gasosa e a teoria de Einstein
a escala de expansão satisfaz ambas as teorias (para p=0)
1935
Princípio Cosmológico:
Em escalas suficientemente grandes:
universo isotrópico e homogêneo
1946
Gamow
No começo da formação do universo:
matéria quente e densa o suficiente para ocorrer
reações termonucleares
densidade de matéria e energia dominada pela radição
1948
Bondi, Gold e Hoyle  modelo do estado estacionário
universo homogêneo no tempo + criação contínua de matéria
Alpher, Bethe e Gamow  radiação quente do ínicio do Universo
esfriou devido à expansão com Thoje ~ 25 K
Radiação cósmica de fundo (1965):
T calculada de 2.726 ± 0.01 K
1963
Maarteen Schmidt  quasares
1981
Guth  modelo inflacionário
Baseado na teoria de grande unificação das partículas elementares
tenta resolver os problemas do modelo cosm. padrão (Big-Bang)
Nos seus instantes iniciais o universo teria sofrido
uma transição de fase que teria provocado uma
expansão exponencial (esta expansão = inflação!!)
O modelo cosmológico padrão
• universo começou a formar-se a ~ 10 a 20 Ganos atrás
através do Big-Bang
BB = singularidade nas equações que descrevem o universo:
1) T e  inicialmente arbitrariamente elevadas
2) Estágios iniciais do universo dominados pela radição
3) Universo se expande com T e  diminuindo com t
Conforme T diminui …
Formação das partículas elementares
E do campo de radição é convertido em pares partícula-antipartícula
Para T < 1010 K
nucleossíntese primordial: núcleos de He e D
(até 3 min de idade…)
T < 104 K (t ~ 500 mil anos)
Época da recombinação
<E> dos fótons < E de ionização do H: p e è se combinam  H
primeiros átomos no universo!
densidade da matéria > densidade da radiação
início da ERA DA MATÉRIA
Após a época da recombinação:
Formação dos corpos celestes
Flutuações de densidade = embriões dos corpos celestes
Modelo padrão explica bem:
A) expansão do universo
B) abundâncias do elementos leves H, D e He
C) radiação cósmica de fundo de T=2.7 K
D) Paradoxo de Olbers : porque a noite é escura??
inventário da
ESTRUTURA DO UNIVERSO
Unidades: 1 M  2×1033 g
1 pc  3.1 × 1013 km  3.3 anos-luz
I. GALÁXIAS
Sistemas autogravitantes constituídos por :
•estrelas
•gás
•poeira
•matéria escura
•raios cósmicos (90% p, 9% el. + pesados)
MORFOLOGIA: CLASSIFICAÇÃO DE HUBBLE
4 tipos básicos:
espirais
irregulares
elípticas
espirais barradas
PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS
ESPIRAIS
• disco em rotação, braços de espirais e bojo
• densidade estelar maior no centro do bojo
Sa, Sb e Sc  tamanho do bojo
Sc: estrutura
espiral
“indefinida”
ESTRUTURA DE ESPIRAIS  VIA LÁCTEA
HALO : estrelas
velhas
DISCO: gás, poeira,
estrelas velhas e
jovens
BOJO: estrelas
velhas e jovens,
sem gás
ÓRBITAS DAS ESTRELAS
• DISCO: órbitas circulares ao
redor do centro (v~2d/T)
viz. solar  v~ 220 km/s
se d=8 kpc  ~ 225 milhões
de anos p/ fazer uma volta
rotação diferencial
• HALO: comp. randômica
>> comp. “ordenada”
alta excentricidade
• BOJO: comp. randômica < halo
• mas ainda >> comp. “ordenada”
OS BRAÇOS DE ESPIRAIS
Esboço dos braços:
emissão em rádio da
linha de 21-cm do H
pelo gás interestelar
Diâmetro do disco ~ 30 kpc
Espessura ~ 300 pc (estrelas)
~ 140 pc (gás)
viz. solar
MASSA DA GALÁXIA
Para discos de galáxias: gás e estrelas seguem
leis de Kepler + Newton  a vel. orbital em torno de um
potencial central cresce com a M central e decresce com
a distância ao centro
2
mv
GMm
GM

v
2
R
R
R
M do volume contido na órbita do Sol
r ~ 8 kpc; T ~ 225 × 106 anos  ~ 1011 M
Para medir a maiores distâncias  observações em rádio do gás
velocidade de rotação em cada
ponto da Galáxia
curva de rotação
Região luminosa até 15 kpc ~ 2 x 1011 M
Se toda a massa estivesse concentrada na região luminosa:
vel. orbital diminuiria a partir de 15 kpc (v2=GM/R)
Mas até 40 kpc ~ 6 x
1011
M
região luminosa cercada por
um halo escuro
MAssive Compact Halo Objects
Matéria escura:
(anãs marrons, anãs brancas, etc)
Weakly Interating Massive Particles
(partículas subatôminas com m, mas sem interação)
ESPIRAIS BARRADAS
ELÍPTICAS
• sem estrutura espiral e sem disco (maior parte)
• E1…E7  elipticidade
• estrelas velhas, sem formação estelar, sem gás (frio) interestelar
órbitas randômicas
• elípticas gigantes: diâm. ~ n Mpc Galáxia: diâm. ~ 30 kpc
anãs: diâm. ~ 1 kpc
mais comuns
• gás quente (fig. c): T ~ n x 106 K
Massa de elípticas: TEOREMA DO VIRIAL
supondo que as estrelas dentro da galáxias tenham atingido
uma situação de equilíbrio orbital, ou seja, as órbitas estão
virializadas
2T  U  0
GM2
U
2R
2Rv 2
M
G
,
T  Mv
1
2
2
V = dispersão de velocidades
R = raio da galáxia
LENTICULARES
• Evidência de disco e bojo, pouco gás e sem estrutura espiral
constituído por estrelas velhas
• Entre E7 e Sa : S0  sem barra SB0  com barra
IRREGULARES
• gás interestelar, estrelas jovens, sem estrutura definida
• Irr1 e Irr2
intensa formação estelar
(anãs irregulares : mais comuns)
Observadas a distâncias bem maiores que as galáxias brilhantes:
• rádio galáxias  núcleos brilhantes que emitem em rádio,
associados a galáxias elípticas
• quasares (QSO)  distâncias muito maiores (grande redshift)
quasar 3c 273
Normalmente galáxias agrupam-se em:
• pares
• grupos (~ 1 Mpc)
• aglomerados ( ~ alguns Mpc) (10% das galáxias)
• super aglomerados ( ~ 50-100 Mpc)
massas vão de 1015 a 1016 M (aglom. a super aglom.)
da mesma forma supõe-se aglomerados =
sistemas virializados M=2Rv2/G, onde
v = vel. média das galáxias e
R= raio médio onde se mediu a v
Outra maneira: medir a v individual das gal. E supor que v < vescape
2
GMm
RV
2
1
mv

M
2
R
2G
v= maior v medida
R= distância ao centro do aglom.
II. GRUPO LOCAL
A nossa Galáxia forma um pequeno grupo com :
Nuvens de Magalhães a algumas esferoidais anãs
Grupo Local: Galáxia + Andrômeda + dezenas de gal. menores
45 galáxias no total
Massa, diâmetro e distância de algumas galáxias
do grupo local  tabela 1 (pág 8)
vermelho: elípticas
azul: espirais
Andrômeda  Galáxia : 800 kpc
branco: irregulares
III. AGLOMERADO DE VIRGO
• Contém 2500 galáxias
M86
M87
• 3 Mpc de dimensão
IV. O SUPERAGLOMERADO LOCAL
• tamanho total ~ 40-50 Mpc
(junto com Centaurus e Hydra)
Grupo local situa-se a18 Mpc do centro
(centro ~ aglomerado de Virgo)
muitos superaglomerados apresentam estruturas filamentares
ou paredes (assinalado em vermelho na fig.)
vazios ~ 50h-1 Mpc
similar ao tamanho dos
aglomerados...
• mapas construídos atavés da lei de Hubble (vrec  d)
• survey com 1057 galáxias
• distâncias são dadas assumindo-se h=65 km/s/Mpc
distâncias estimadas com h=65 km/s/Mpc
V. RADIAÇÃO DE FUNDO
Detectada por Penzias e Wilson (1964) durante pesquisa
sobre a interferência nas comunicações via satélite
• microondas é mais intenso ( entre 80 cm e 1 mm)
• espectro de corpo negro com T = 2.7 K
• fontes distantes ou meio intergaláctico
Modelo cosmológico padrão: supõe ser relíquia dos instantes iniciais
do universo (radiação primordial)  radiação de altíssimas energias
( ~ raios gamma) observado hoje com  ~ rádio
Satélite COBE = Cosmic Background Explorer (1989)
Mediu a radiação de fundo em vários s
corpo negro de 2.735 K
• rad. Homogênea, contendo anisotropias de amplitude T/T ~ 10-5
+ tarde serão discutido os resultados do COBE