O Universo: do Big-Bang à Misteriosa Energia EscuraO Universo: do Big-Bang à Misteriosa Energia Escura

Oswaldo Duarte MirandaOswaldo Duarte Miranda

http://www.das.inpe.brhttp://www.das.inpe.br

Instituto Tecnológico de Aeronáutica – 08 de fevereiro de 2010Instituto Tecnológico de Aeronáutica – 08 de fevereiro de 2010

Oswaldo D. MirandaOswaldo D. Miranda O UniversoO Universo

A Divisão de Astrofísica do INPEA Divisão de Astrofísica do INPE

Atividades de Pesquisa em:

Física Solar e Exoplanetas

Astrofísica Estelar

Astrofísica Galáctica e Extragaláctica

Astrofísica de Altas Energias

Cosmologia

Radioastronômia

Gravitação (ondas gravitacionais)

Atividades de Pesquisa: Teóricas, Observacionais, Desenvolvimento Instrumental (experimentos em solo, balões estratosféricos e satélites científicos). Para conhecer mais: http://www.das.inpe.br

A CosmologiaA Cosmologia

É o estudo do Universo: sua estrutura, origem, evolução e destino.

O homem tenta compreender o universo que o cerca desde os tempos mais remotos!

Vejamos alguns exemplos de como o homem buscou entender o universo através dos tempos:

Cosmologia NeolíticaCosmologia Neolítica

20.000 anos atrás o Universo era aquilo que imediatamente interagia com os indivíduos. Qualquer coisa fora do cotidiano era interpretado como sobrenatural

Na Antiga MesopotâmiaNa Antiga Mesopotâmia

Pintura babilônica que mostra Marduk (deus Sol) lutando com Tiamat (o abismo – a escuridão do céu)

No Antigo EgitoNo Antigo Egito

Papiro egípcio que mostra a deusa Nut (o Céu) e o deus Geb (a Terra).O universo, e todos os deuses, foram criados por Nu → o universo vivia em densa escuridão antes de Nu!

Na GréciaNa Grécia

No começo do Universo existia a deusa Nyx representando a escuridão da noite

Nyx se encurva formando uma esfera cujas metades se separam → nascem a abóboda celeste (Urano) e a Terra (Gaia) → primeiros deuses gregos

Nyx nasceu do Caos que precedeu a criação do Universo

No Pós-impressionismo FrancêsNo Pós-impressionismo Francês

Paul Gauguin: O que somos? De onde viemos? Para onde vamos? (1897)

Portanto...Portanto...

... fosse na Arte, na Mitologia, na Religião, na Filosofia, na Ciência, o homem sempre buscou entender o que é e como funciona o universo!

À esta jornada em busca dos segredos do universo damos o nome de:

COSMOLOGIA – A Arte de Criar Modelos COSMOLOGIA – A Arte de Criar Modelos do Universodo Universo

II. De onde viemos ?

I. O que somos ?

III. Para onde vamos ?

Qual é a origem do universo e como ele evoluiu até o presente?

Do que o universo é formado ?

Qual é o destino do universo ?

GauguinGauguin CosmologiaCosmologia

I – Do que o universo é formado?I – Do que o universo é formado?

ÔmegaÔmega --

NêutronNêutron

MÉSONSMÉSONS BÁRIONSBÁRIONSPíonPíon PrótonPróton

LambdaLambda

KáonKáon

BB00 EtaEta00

Os Hádrons (Mésons e Bárions)Os Hádrons (Mésons e Bárions)

A Matéria EscuraA Matéria Escura

Fritz Zwicky em 1933 através de observações do Aglomerado de Coma (> 1.000 galáxias) → matéria escura = 160 x matéria luminosa.

Distância média da Terra ~ 321 milhões de anos luz

A Matéria Escura – Lente GravitacionalA Matéria Escura – Lente Gravitacional

REALOBSERVADO

“OBSERVADOR”

Crédito da imagem: Dave Jarvis http://davidjarvis.ca/dave/gallery/lg/gravitational-lens-02.jpg

A Matéria Escura – “Bullet Cluster”A Matéria Escura – “Bullet Cluster”A maior parte da matéria bariônica está em forma de gás nos aglomerados.

AZUL: Distribuição de matéria calculada por efeito de lentes.

ROSA: Distribuição de gás detectado em raio-X

A Matéria Escura – “Bullet Cluster”A Matéria Escura – “Bullet Cluster”

A Matéria Escura – O que ela é?A Matéria Escura – O que ela é?

1- O que ela é, não sabemos!

2- O que ela pode ser?

WIMPS (Partículas massivas que interagem fracamente): partículas supersimétricas → LHCLHC;

Modificação na lei da gravidade → gravidade de Einstein seria incompleta;

Algo completamente diferente ................

O Universo em ExpansãoO Universo em Expansão

Conforme observado por Edwin Hubble em 1929, as galáxias estãose afastando umas das outras.

Evidência para o Universo em ExpansãoEvidência para o Universo em Expansão

Lâmpada de hidrogênio

O espectro de um elemento químico é como a impressão digital desse elemento.

~ 75% dos bárions do universo estão na forma de hidrogênio

Evidência para o Universo em ExpansãoEvidência para o Universo em Expansão

Analisando o espectro de objetos astrofísicos, nós podemos identificar a “impressão digital” dos elementos químicos

Nebulosa de Órion

Evidência para o Universo em ExpansãoEvidência para o Universo em Expansão

A Expansão Acelerada do UniversoA Expansão Acelerada do UniversoA informação de que o universo passou por uma fase de expansão acelerada vem, basicamente, de objetos chamados “Supernovas do tipo Ia” → são “velas padrão” (luminosidade conhecida).

A Expansão Acelerada do UniversoA Expansão Acelerada do Universo

Para que o universo expanda aceleradamente, como é inferido pelas curvas de luz das supernovas Ia, é necessário que a dinâmica do universo seja dominada por um componente que tenha características anti-gravitacionais (ou de pressão negativa).

Esse componente do Universo não pode ser matéria pois matéria não possui equação de estado (**) “com pressão negativa”.

A expansão acelerada é produzida por um componente chamado de “Energia Escura”.

(**) Equação de Estado relaciona Pressão com Densidade. No caso da energia escura temos: P = - ρ → constante cosmológica.

A Energia EscuraA Energia Escura

1- O que ela é, não sabemos!

2- O que ela pode ser?

Energia do vácuo → constante cosmológica (**);

Algum fluido cósmico desconhecido que evolui lentamente no tempo;

Um efeito produzido pelo fato do universo ter “dimensões extras”;

Talvez a relatividade geral (gravitação de Einstein) seja incompleta.

• (**) a energia do vácuo “teórica” é 10120 maior que a “observada”!

II – Qual é a origem do universo?II – Qual é a origem do universo?

O Universo “nasceu” a cerca de 13,7 bilhões de anos no evento chamado Big-Bang → estado de densidade de energia e temperatura infinitas concentrado num ponto.

Nós não sabemos o que aconteceu exatamente em t = 0. As leis da física só começam a valer a partir do chamado tempo de Planck → t ~ 10-44 seg após o Big-Bang.

Porém, sabemos que a medida que o tempo passa o universo expande (aumenta de tamanho) e a temperatura diminui!

Fase InflacionáriaFase Inflacionária

Radiação Cósmica de Fundo em MicroondasRadiação Cósmica de Fundo em Microondas

Radiação Cósmica de Fundo em MicroondasRadiação Cósmica de Fundo em Microondas

Radiação Cósmica de Fundo em MicroondasRadiação Cósmica de Fundo em Microondas

III. Para onde vamos? - Qual é o destino do III. Para onde vamos? - Qual é o destino do universo?universo?

III. Para onde vamos? - Qual é o destino do III. Para onde vamos? - Qual é o destino do universo?universo?

a) Energia Escura constante: daqui 100 bilhões de anos apenas uma a) Energia Escura constante: daqui 100 bilhões de anos apenas uma pequena quantidade de galáxias serão observadas !pequena quantidade de galáxias serão observadas !

III. Para onde vamos? - Qual é o destino do III. Para onde vamos? - Qual é o destino do universo?universo?

b) Big Crunch: energia escura leva para uma lenta expansão do b) Big Crunch: energia escura leva para uma lenta expansão do universo seguido por um recolapso → Big Crunch!universo seguido por um recolapso → Big Crunch!

III. Para onde vamos? - Qual é o destino do III. Para onde vamos? - Qual é o destino do universo?universo?

c) Big Rip: se a energia escura crescer com o tempo o universo c) Big Rip: se a energia escura crescer com o tempo o universo poderá experimentar uma catastrófica e violenta expansão que poderá experimentar uma catastrófica e violenta expansão que dentro de 100 bilhões de anos romperá galáxias, estrelas e os dentro de 100 bilhões de anos romperá galáxias, estrelas e os próprios átomos → Big Rip!próprios átomos → Big Rip!

Algumas Questões em Aberto na CosmologiaAlgumas Questões em Aberto na Cosmologia

O que é matéria escura ?

O que é energia escura ?

O que determinou as condições iniciais do Universo ?

Qual é a dimensionalidade do espaço-tempo ? É 4D ?

As leis da física (constantes fundamentais) são as mesmas em todos os

pontos do Universo e em todos os tempos ?

O nosso Universo é uma bolha dentro de uma estrutura maior ?

Ondas gravitacionais existem e transportam energia ?

Em que época foram formadas as primeiras estrelas do Universo ?

Como foram formados os buracos negros supermassivos ?

Obrigado pela atenção de vocês