Baixe Origem do Universo e outras Notas de estudo em PDF para Ciências Biologicas, somente na Docsity! Cosmologia: O estudo do Universo Cosmologia é o estudo científico das propriedades macroscópicas do Universo como um todo. E uma tentativa de usar método científico para compreender a origem, evolução e destino final de todo o Universo. Dependendo das observações as teorias tem de ser abandonadas, revistas ou estendidas para englobar os dados. A teoria que neste momento prevalece é a Teoria do BIG BANG. A hipótese colisão de Buffon (1779 Um cometa passando perto do Sol arrancou algum material que arrefeceu e formou a Terra. A hipótese Nebulosa de Laplace (1796) Laplace criou uma teoria que se tornou a mais conhecida das teorias evolucionárias da história moderna. Ele também começa com uma nuvem de gás em rotação. Conforme vai arrefecendo, vai condensando e rodando cada vez mais rápido e torna-se no disco de alta velocidade de gás. Os materiais na fronteira descolam-se em forma de anéis para se tornarem em planetas e luas. O material que ficou no centro formou o nosso Sol. A hipótese maré de Darwin (1590) O facto da Lua se estar a afastar da Terra já era conhecido nesta época, e então George teve a ideia que 4 milhões de anos antes, a lua estava quase ligada à Terra e que rodava a Terra em 5 horas. Um dia uma maré viva ocorreu nos oceanos e afastou-a para onde ela está agora. A hipótese da nuvem de poeira de Whipple (1948) Começou com nuvens de poeira. Ele fez a sugestão que a luz das estrelas empurrou a poeira para uma nuvem enorme. Pequenas turbulências criaram o Sol e os Planetas. As estrelas foram formadas por outras estrelas e essas ainda por outras. A hipótese do planeta protótipo de Kuiper (1951) Renovou totalmente a teoria de von Weizsacker. À nuvem de gás de Kuiper foi inicialmente formada na escuridão, mas depois o Sol começou a iluminar o centro, aquecendo a nuvem. A hipótese do átomo primordial de Lemaitre (1927 Um “super átomo” do diâmetro da órbita da Terra à volta do Sol apareceu misteriosamente. À volta dele não havia nada. Depois este átomo grande desintegrou-se radiocactivamente (explodiu). Ele expandiu-se rapidamente, abrandou e continuou a expandir. À medida que expandia os Planetas « as estrelas foram-se formando. A hipótese do Big Bang (1947 Foi G Lemaitre que fez a base para a teoria do Big Bang mas foi Goerge Gamow, RA. Alpher e R Herman que inventaram o modelo da bola primordial de fogo. O Universo do estado estático de Hovle (1945) Segundo esta teoria, o hidrogénio, como matéria que se cria a si própria, dá-se a tarefa de se tornar em estrelas, Planetas e por último em plantas, animais e pessoas. À teoria da evolução levada ao máximo. A hipótese ambiplasma de Alfven (1965) A teoria começa com matéria normal e anti-matéria. À mistura ele chamou ambiplasma. Gradualmente, durante um período de triliões de anos a matéria começa a diminuir. Conforme vai diminuindo, a matéria e anti-matéria vai entrando em contacto e anilando-se. Isto deixa protões e electões e muita radiação. Depois de mais uns triliões de anos a radiação faz com que a contracção se torne numa expansão. Cosmolosy do Bis Bang RE A(S at a p Ê Ê Did É O Tdi N ee » * k P, ] YA " + E É As bases da teoria do Big Bang O Modelo do Big Bang é baseado em dois pilares teóricos: 1) Relatividade Geral O fisico John Wheeler expós a ideia muito bem quando afirmou “A matéria diz ao espaço como curvar e o espaço diz à matéria como mover-se”. 2) O Princípio Cosmológico Um Universo homogéneo e isotrópico quando visto em enormes escalas APM Survey picture of a large part of the sky about 30 degrees across, showing almost a million galaxies out to a distance of about 2 billion light years. Universos abertos e Universos fechados Conceitos incorrectos do Big Bang e da expansão do Universo: 1. O Big Bang não ocorreu num ponto singular do espaço. 2. Por definição o Universo engloba todo o tempo e espaço como nós o conhecemos portanto este modelo não postula em que é que o Umverso se vai tornar. 3. Não está incluído no modelo do Big Bang o que é que deu origem ao Universo. A taxa de expansão (constante de Hubble); À velocidade relativa dos aglomerados em função da respectiva magmitude aparente Os elementos leves Síntese nuclear no Universo primordial Os termos síntese nuclear referem-se à formação de elementos mais pesados, núcleos atómicos com muitos protões e neutrões, por fusão dos elementos mais leves. A abundância prevista de deutério, hélio e lítio depende da densidade de matéria normal no Universo primordial ad] Helio 4 5 É tp +, 8 z À Helio 3 a é = 196 Ê / T E ã É De a. 4 Lítio qo-10 rr Deuterio ci ! r 000 om 01 10 Tens idade/CDensidade Critica) Para que as previsões dos outros elementos leves esteja de acordo com as observações, a densidade total da matéria normal tem que ser 4% da densidade crítica. O satélite MAP devia ser capaz de medir a densidade da matéria normal e comparar valores observados com os previstos pela teoria do Big Bang núcleo síntese. Isto constitui o teste mais rigoroso do modelo. A radiação cósmica de fundo (CMB) A teoria do Big Bang prevê que o Universo primordial era um lugar muito quente e conforme ele foi expandindo o gás no interior foi arrefecendo. Por esta razão o Universo devia estar cheio de radiação que é literalmente os restos do calor inicial do Big Bang, chamada radiação microondas de fundo (CMB). Prevista pela primeira vez por George Gamow em 1948, e por Ralph Alpher e Robert Herman em 1950. Observada pela primeira vez em 1965 por Arno Penzias e Robert Wilson. Penzias e Wilson receberam o prémio Nobel da Física em 1978 pela sua descoberta. licromave Receiver MAFEDODAS Robert Wilson A radiação CMB é muito fria, apenas 2.725º acima de zero absoluto. Porquê estudar a radiação CMB? A luz anda a uma velocidade finita. A maior parte das estrelas visíveis a olho nu à noite estão a uma distância de 10 a 100 anos luz. Nós vemos como elas eram entre 10 a 100 anos. A origem do fundo cósmico de microondas Uma das previsões da teoria do Big Bang é que o Universo está a expandir. Quando o Universo visivel tinha metade do seu tamanho actual, a densidade de matéria era 8 vezes superior e o fundo cósmico de microondas era duas vezes mais quente. Quando o Universo visível tinha um centésimo do seu tamanho actual, o fundo cósmico de microondas era cem vezes mais quente (273 K). Quando o Universo tinha apenas 1/100 000 000 (1/ cem milhões) do seu tamanho actual, a sua temperatura era 273 milhões de graus acima do zero absoluto e a densidade da matéria era comparável com a densidade do ar na superficie da Terra. A estas altas temperaturas, o hidrogénio estava completamente ionizado em protões e electrões livres. Os fotões da CMB facilmente dispersavam os electrões e andavam pelo Universo primordial como a luz óptica vagueia por entre nevoeiro denso. Este processo de dispersão múltipla produz um espectro “térmico” ou “corpo negro” de fotões. De acordo com a teoria do Big Bang a frequência do espectro da CMB devia de ter a forma de um “corpo negro”. Tux (10 We? sec) 205 po Magro da 6 Re T e õ 5 o 15 20 25 frequência (em) Distribuição do fluxo da radiação cosmológica em função da frequência. Cosmólogos que estudam a radiação CMB conseguem ver quase todo o Universo até onde ele estava opaco, 400 000 anos depois do Big Bang. Esta parede de luz e” chamada a superficie da última dispersão porque foi a última vez que a maioria dos fotões foram directamente dispersados pela matéria. Big Bang Present Só com instrumentos muito sensíveis, como COBE e MAP, os astrónomos podem detectar flutuações na temperatura da CMB. Ao estudar estas flutuações, os cosmólogos conseguem aprender sobre a origem das galáxias e das grandes estruturas de galáxias e medir os parâmetros básicos da teoria do Big Bang. Limitações e extensões da teoria do Big Bang Como é que se formou estrutura no Universo? A teoria do Big Bang é a teoria cosmológica com mais sucesso, mas está incompleta. Os astrónomos observam uma quantidade considerável de estrutura no Universo, de estrelas a galáxias a aglomerados e super-aglomerados de galáxias. Como é que estas estruturas se formaram? Observando as pequenas flutuações da radiação CMB Pequenas flutuações na densidade da matéria no Universo primordial deixaram a sua marca na radiação CMB na forma de flutuações de temperatura. O satélite MAP vai medir estas pequenas flutuações de temperatura na radiação CMB. Estas flutuações de temperatura são minúsculas, uma parte do céu pode ter uma temperatura de 2.7251K enquanto outra parte pode ter uma temperatura de 2.7249K. O satélite da NASA (COBE), detectou estas pequenas flutuações para grandes escalas angulares. MAP vai fazer uma nova medida das flutuações com uma melhor resolução angular e maior sensibilidade. O que é que criou estas pequenas flutuações? Enquanto a força gravítica pode aumentar as pequenas flutuações do Universo primordial, ela não pode criar estas flutuações. Os cosmólogos especulam sobre a nova física para produzir estas flutuações primordiais que formaram galáxias. As duas ideias mais populares são: “Inflação. “Defeitos Topológicos. A teoria inflacionária prevê que as maiores flutuações de temperatura deviam de ter uma escala angular de 1 grau. Os modelos de defeitos prevê uma escala característica mais pequena. MAP, com a sua alta sensibilidade deve poder distinguir entre as duas teorias ou eliminá-las por completo. Flutuações no CMB Imagens do céu com a Via Láctea na horizontal de cada figura. Elas foram produzidas pela equipa científica do COBE utilizando três cores falsas Azul: 0K, vermelho: 4K Existem duas fontes principais para as flutuações que vemos na última figura: “A emissão da Via Láctea domina o equador do mapa mas é muito reduzida no resto. “A emissão flutuante da fronteira do Universo domina as regiões não equatoriais. “Existe barulho residual nos mapas que vem dos próprios instrumentos, mas este é muito reduzido em relação ao sinal nestes mapas. Flutuações vistas pelo MAP? (Simulação de computador) Azul: 0K, vermelho: 4K Azul: 2.721K, Vermelho: 2.729K o zigzag na imagem é anisotropia dipolar resultante do efeito Solar. A cor azul é 0.0002K menor que o vermelho. A anisotropia dipolar foi retirada desta imagem. Interrogações “Quais os tipos de matéria e energia que compõem o nosso Universo? Qual é a percentagem de cada? «Qual é a velocidade de expansão do Universo neste momento? “Qual é a idade do Universo? “Que tipo de Universo é que temos? Aberto, plano, fechado ou outro? “Como é que a expansão está a mudar com o tempo? “Qual o destino final do Universo?