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Alex H. Blin Departamento de Física

Universidade de Coimbra alex@uc.pt

Medição de distâncias cosmológicas A expansão do Universo Supernovas tipo Ia Energia negra

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DISCOVERY OF A SUPERNOVA EXPLOSION AT HALF THE AGE OF THE UNIVERSE

Nature 391, 51 (1998)

S. Perlmutter, G. Aldering, M. Della Valle, S. Deustua, R. S. Ellis, S. Fabbro, A. Fruchter, G. Goldhaber, D. E. Groom, I. M. Hook, A. G. Kim, M. Y. Kim, R. A. Knop, C. Lidman, R. G. McMahon, P. Nugent, R. Pain, N. Panagia, C. R. Pennypacker, P. Ruiz-Lapuente, B. Schaefer & N. Walton

SAUL PERLMUTTER, University of California, Berkeley Lawrence Berkeley National Laboratory & University of California, Berkeley

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OBSERVATIONAL EVIDENCE FROM SUPERNOVAE FOR AN ACCELERATING UNIVERSE AND A

COSMOLOGICAL CONSTANT

Astronomical Journal 116, 1009 (1998)

Adam G. Riess, Alexei V. Filippenko, Peter Challis, Alejandro Clocchiattia, Alan Diercks, Peter M. Garnavich, Ron L. Gilliland, Craig J. Hogan, Saurabh Jha, Robert P. Kirshner, B. Leibundgut, M. M. Phillips, David Reiss, Brian P. Schmidt, Robert A. Schommer, R. Chris Smith, J. Spyromilio, Christopher Stubbs, Nicholas B. Suntzeff, John Tonry

ADAM G. RIESS, University of California, Berkeley BRIAN P. SCHMIDT, Australian National University Mount Stromlo Observatory

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ALGUNS MÉTODOS DE MEDIÇÃO DE DISTÂNCIAS Verifica-se a precisão dum método utilizando um outro.

Laser e radar Distâncias curtas: d=ct/2 para o sinal refletido; distâncias máximas: planetas vizinhos.

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Triangulação Por exemplo, método utilizado por Johannes Kepler

(A) Planeta “inferior” em posição de elongação P, Terra em E. (B) Planeta “superior” em P, depois de uma órbita completa, Terra em E e E’.

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Método de paralaxes Triangulação, observação de um objeto a partir de posições diferentes (visão

estereoscópica!); viável até ~ 103 anos-luz (1 AL 10

16m).

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Método de paralaxes Triangulação, observação de um objeto a partir de posições diferentes (visão

estereoscópica!); viável até ~ 103 anos-luz (1 AL 10

16m).

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Método da régua padrão Triangulação de objetos de tamanho conhecido. Exemplo: explosão de supernova, tamanho deduzido da velocidade da expansão

R=vt

tan = R/x

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Eco de luz

A superfície de reflexão de um pulso de luz é um elipsoide; o caminho total aumenta com o tempo de acordo com a velocidade da luz.

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y

x

Posição da estrela em x=-0.5, da Terra em x=+0.5, com o tempo a aumentar.

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►

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Método da vela padrão Lei de intensidade observada 1/d

2 aplicada a fontes de luminosidade conhecida:

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Exemplos: sequência principal (diagrama Hertzsprung-Russell), útil até ~ 105 AL.

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Cefeidas Henrietta Swan Leavitt estudou 1908 estrelas der luminosidade variável, cefeidas: método utilizável até ~ 10

7 AL

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Supernovas tipo Ia

Luminosidade alta, método utilizável até > 10

9 anos-luz.

O método da vela padrão tem de ser corrigido pela extinção, à absorção e espalhamento por matéria interstelar e intergaláctica.

A extinção altera o espectro.

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Tamanhos e distâncias

1 segundo-luz 3108m

1 ano-luz (AL) 1016

m

objeto distância diâmetro massa

Lua 1,3 seg-luz 3 500 km 71022

kg Sol 8,3 min-luz 5 seg-luz 210

30 kg

Proxima Centauri 4,2 AL 1 seg-luz 21029

kg

Andromeda M31 2,5106 AL 10

5 AL 10

12 estrelas

Quasar mais distante 2,91010

AL

Universo observável - 4,71010

AL 2...81011

galáxias

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O princípio cosmológico do Universo homogéneo

Há mais matéria nuns sitios que noutros.

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Volumes que englobam muitas galáxias parecem iguais; modelo de poeira.

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A EXPANSÃO DO UNIVERSO

Linhas espectrais Um conjunto de linhas (riscas) espectrais é característico do átomo ou da molécula que as emite ou absorve.

Só radiação com a energia (frequência , comprimento de onda) "certa" pode ser absorvida. Exemplo esquemático:

h=E3-E2 h=E3-E2

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(a) estado fundamental, (b) 1o estado excitado do átomo de hidrogénio (H).

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(a) linhas de absorção, (b) linhas de emissão de sódio (Na).

Os "códigos de barras" de H, Na, He, Ne, Hg.

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A observação de linhas espectrais leva a um resultado fantástico:

Os mesmos elementos e moléculas existem em todo o Universo observado!

As mesmas leis da natureza são validas em todo o Universo observado!

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Desvio de linhas espectrais para o vermelho Observação: galáxias afastadas têm as linhas espectrais desviadas para frequências

mais baixas (azul vermelho).

Linhas espectrais originais e deslocadas.

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Interpretação: efeito de Christian Doppler, frequência f depende da velocidade relativa.

A velocidade de afastamento em função da distância.

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O gráfico implica um universo em expansão Vesto Slipher 1912 Georges Lemaître 1927 Edwin Hubble 1929

velocidade H0 distância, H0 = constante de Hubble = 2,3 10-18

s-1

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Tudo foge de nós. Estamos no centro do Universo? Não!

“Galáxias” na superfície dum balão: Todos observadores vêm a mesma lei de Hubble.

Onde se encontra a origem do universo? Em todo lado!

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O BIG BANG Idade e tamanho do Universo O Universo expande. Recuando no tempo: O Universo começou num ponto, com densidade e temperatura altíssimas, há cerca de

14 mil milhões de anos (1,371010

anos). Consequência: Sendo a velocidade da luz a velocidade mais alta, o tamanho do universo observável é limitado. Horizonte à distância de 46,5 mil milhões anos-luz.

(1 ano-luz 1016

m)

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A interpretação da lei de Hubble com o efeito Doppler não está correta.

Relatividade Geral: as galáxias estão em repouso no Universo.

É o próprio espaço que expande, esticando os comprimentos de onda dos fotões:

Como consequência, a temperatura do Universo diminui durante a expansão.

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Radiação de fundo de microondas - vestígio do Big Bang

Radiação descoberta 1964 por Arno Penzias e Robert Wilson (Nobel 1978), de 2,725 K

Espectro térmico. A posição do máximo depende da temperatura.

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Flutuações da temperatura da radiação de fundo de microondas de 2,725K ±100K observadas pela sonda WMAP (Wilson Microwave Anisotropy Probe).

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A expansão do Universo depende de duas tendências opostas:

atração gravítica da massa total

energia cinética de expansão

Equação de Alexander Friedmann, consequência da eq. de Einstein (para poeira):

R2=

a

R− kc

2

Os valores de a e k dependem da atual velocidade de expansão e da densidade de matéria-energia no Universo.

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Universo aberto: expande eternamente, densidade decresce continuadamente, probabilidade de criar novas estrelas diminui constantemente. Finalmente o universo morre a morte fria. Universo fechado: A energia cinética não chega para uma expansão eterna; esta é travada pela atracção gravítica. Depois de um tamanho máximo o Universo entra em colapso e acaba na morte quente do Big Crunch.

Em todos os casos, a atração gravítica trava a expansão.

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Matéria normal, 4% A matéria normal (bariões & leptões) é apenas 4%:

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Matéria negra, 22%

Composição? Física nova?

Só observada indiretamente pela acção gravítica:

Dinâmica das galáxias e dos enxames

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Distribuição das flutuações da radiação de fundo de microondas

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Lentes gravíticas

A luz é afetada pela presença de campos gravíticos.

Observação de imagens múltiplas e deformadas devido à deflexão da luz.

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SUPERNOVAS TIPO IA – A DESCOBERTA DA ENERGIA NEGRA

Fusão nuclear nas estrelas Estrelas estabilizadas pelo equilíbrio de forças:

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E=mc2

: O hélio tem menos massa que os protões iniciais.

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Gigantes vermelhas e anãs brancas

Quando o “combustível” hidrogénio acabar:

O centro do Sol contrai, começa a fusão de hélio: 4He +

4He

8Be

8Be +

4He

12C* +

As zonas periféricas expandem até à órbita da Terra e a luz fica vermelha gigante vermelha.

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Quando a fusão de hélio no centro acaba: A região central contrai ainda mais, mas não consegue iniciar outro estágio de fusão no caso de estrelas “leves”. A periferia expande.

O centro torna-se uma anã branca do tamanho da Terra e já não produz energia (anã preta no fim).

As camadas exteriores são expelidas e formam uma nebulosa planetária.

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Nebulosa planetária Eskimo, vista de cima.

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Nebulosa Helix.

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Nebulosa planetária Retina, vista de lado.

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Nebulosa planetária W43a (perspetiva oblíqua).

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Nebulosa planetária “Cat’s Eye” NGC6543.

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A anã branca é estabilizada pelo gás degenerado de eletrões: força repulsiva baseada no princípio de exclusão de Wolfgang Pauli (Nobel 1945).

Relação de incerteza de Werner Heisenberg (Nobel 1932)

2 eletrões por cada célula de espaço de fases

de tamanho .

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Massa máxima que pode ser suportada: cerca 1,4 × massa solar = massa de Chandrasekhar MC.

Subrahmanyan Chandrasekhar (Nobel 1983)

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Anã branca em sistema binário

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A matéria acumulada da estrela vizinha faz ultrapassar MC: colapso, fusão nuclear explosiva → supernova Ia. Como a condição inicial é sempre próxima de MC → luminosidades parecidas, cerca de 5 mil milhões vezes a luminosidade do Sol.

Vela padrão muito boa e muito luminosa utilizada por Perlmutter, Schmidt e Riess, para medir a taxa de expansão do Universo. SN1994D:

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Dificuldades técnicas:

descobrir supernovas (CCDs sensíveis, tratamento de imagens)

observar espectro e verificar se é do tipo Ia

corrigir pela presença de gás intergaláctico

medir efeito de Doppler etc.

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Resultado inesperado: o Universo acelera!

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ENERGIA NEGRA (A CONSTANTE COSMOLÓGICA), 74%

Albert Einstein (Nobel 1921) inventou uma constante adicional para “estabilizar” o Universo. Quando Hubble observou a expansão do universo, Einstein realizou que fez um grande erro.

Equação de Einstein com constante cosmológica:

G – g = 8 c-4

G T →

Equação de Friedmann alterada (para poeira):

R2=

a

R− kc

2

+ R

2

3

Com outro valor de o Universo acelera.

Orígem? Física nova!

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também confirmado entretanto por outros métodos:

O Universo é plano

As ondas acústicas do plasma do Universo jovem deixam rastos na radiação de fundo de microondas; servem de régua padrão.

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A soma dos ângulos do triângulo medido a partir da Terra é 180º.

A equação de Friedmann pode ser reescrita como

Com =0 e com a massa (normal+negra) de 26%, a energia negra tem de ter 74%.

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A estrutura à grande escala

As flutuações aumentam com a expansão do Universo, que depende de .

Distribuição de galáxias.

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O efeito Sachs-Wolfe:

Os fotões saem com mais energia: o potencial gravítico é mais profundo quando o fotão

entra e menos profundo quando sai, devido à expansão que depende de .

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Aceleração do Universo até ao Big Rip?

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Astronomia na Internet ESA: http://www.esa.int/export/esaCP/Portugal.html ESO: http://www.eso.org/ NASA: http://www.nasa.gov/ http://www.jpl.nasa.gov/ Planetary Society: http://www.planetary.org/ Space.com: http://space.com/ Prémios Nobel: http://www.nobelprize.org/

FIM