A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept....
Transcript of A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept....
![Page 1: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/1.jpg)
A Descoberta da A Descoberta da Radiação Cósmica de Radiação Cósmica de
Fundo e suas Fundo e suas ConseqüênciasConseqüências
Ronaldo E. de Souza
Dept. Astronomia, IAG/USP
![Page 2: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/2.jpg)
O que Podemos Aprender O que Podemos Aprender com a Radiação Cósmica com a Radiação Cósmica
de Fundo?de Fundo?História térmica do Universo.
Formação dos elementos leves.
Abundância dos bárions.
Parâmetros cosmológicos.
Formação das galáxias e aglomerados de galáxias.
![Page 3: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/3.jpg)
Arno Penzias & Robert Arno Penzias & Robert WilsonWilson
Antena projetada em 1960 para testes de comunicação de baixo ruído com o satélite echo.
Sistema direcional de baixo ruído (< 0.05 K).
![Page 4: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/4.jpg)
Qual é a Fonte do Ruído Qual é a Fonte do Ruído Observado?Observado?
0.1 dB = 6.6 K
Tcéu =3 K
O excesso de ruído que é observado não pode ser explicado seja pela antena, pelo detector ou por contaminação de fontes terrestres.
Portanto, o ruído é real e a sua origem é cósmica.
![Page 5: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/5.jpg)
Não Muito Longe Dali ...Não Muito Longe Dali ...
Robert Dicke, Jim Peebles e Dave Wilkinson estavam planejando medir o fundo de radiação conforme havia sido previsto por Gamow e colaboradores no final dos anos de 1940!
![Page 6: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/6.jpg)
Idéia Original de GamowIdéia Original de Gamow
Talvez os elementos químicos observados no Universo tenham sido construídos em uma fase do Universo primordial em que a temperatura era elevada (~10 K) e matéria e radiação estavam em equilíbrio termodinâmico.
A densidade nesta fase devia ser comparável àquela que ocorre no carôço central das estrelas (~1 g/cm ).
Como a densidade atual do Universo é da ordem de 10 g/cm, concluímos que houve uma expansão por um fator da ordem de 10 .
O resultado final é que o Universo deve estar preenchido com um fundo de radiação cuja temperatura deve ser da ordem de 1 K.
9-10
3
-30
10
3
![Page 7: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/7.jpg)
Conclusão:Conclusão:
Penzias e Wilson foram agraciados com o prêmio Nobel de 1978 pela relevância da descoberta no entendimento do Universo.
![Page 8: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/8.jpg)
A Missão COBEA Missão COBE
A temperatura do fundo de radiação, T0=2.726 +- 0.01 K, e segue a curva de um corpo negro, indicado uma origem térmica.
![Page 9: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/9.jpg)
Caracte rísticas de um Caracte rísticas de um Corpo NegroCorpo Negro
A emissão de corpo negro decorre de um equilíbrio termodinâmico entre matéria e radiação e o seu pico de intensidade ocorre no comprimento de onda,
Quanto maior a temperatura mais para o azul se desloca o pico da emissão.
![Page 10: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/10.jpg)
Origem da Radiação Origem da Radiação Cósmica de FundoCósmica de Fundo
Em algum momento da evolução do Universo a matéria e a radiação estavam em equilíbrio termodinâmico, confirmando as idéias de Gamow.
Posteriormente a radiação desacoplou-se da matéria preservando o espectro de corpo negro que observamos hoje como um registro fóssil da era da radiação.
Em que momento ocorreu esta transição e quais foram as conseqüências deste estado de equilíbrio termodinâmico inicial?
![Page 11: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/11.jpg)
A expansão do Universo e A expansão do Universo e os Fótonsos Fótons
Se consideramos uma região que atualmente tem uma dimensão L a sua dimensão no passado era menor L=R L
Onde R é o chamado fator de escala. Atualmente R=1 e no passado R<1.
R=1
R<1
R
= h = h c /
Os fótons da radiação de fundo eram muito mais energéticos no universo primordial.
0
0
obs obs
![Page 12: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/12.jpg)
Evolução da Temperatura Evolução da Temperatura de fundode fundo
No universo primordial a temperatura da radiação de fundo era muito maior,
T = T / R
Por exemplo quando R=0.001 a temperatura do fundo de microondas era mil vezes maior ou cerca de 3 000 K.
0
![Page 13: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/13.jpg)
A atual densidade de energia da radiação é igual a
=
devido à evolução do elemento de volume e da energia dos fótons a densidade de energia no universo primordial era
ou seja, quando R=0.001 a densidade de energia do campo de radiação era cerca de um trilhão de vezes superior ao seu valor atual.
Evolução da Densidade de Evolução da Densidade de EnergiaEnergia
4
r0
r
_________N fótons
L c230
______
r0
R
![Page 14: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/14.jpg)
Evolução da densidade de Evolução da densidade de matériamatéria
Devido à compressão do volume a densidade de matéria no universo primordial era
R
portanto, quando R=0.001 a densidade de matéria era um bilhão de vezes superior à atual.
O resultado final é que a densidade de energia no campo de radiação se torna superior à densidade de matéria quanto mais nos aproximamos do universo primordial.
3m0m
![Page 15: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/15.jpg)
Era da radiaçãoEra da radiação
Como a densidade de energia no campo de radiação evolui mais rapidamente houve um momento no universo primordial em que a radiação era dominante.
Portanto, como atualmente a densidade de matéria é cerca de mil vezes maior, resulta que por volta de R=0.001, ou z=1000, a densidade no campo de radiação era igual à densidade de matéria.
![Page 16: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/16.jpg)
Eras TérmicasEras Térmicas
Os elementos químicos complexos não existiam no Universo primordial!
![Page 17: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/17.jpg)
Formação do HeFormação do He
A formação do He primordial durou cerca de 5 minutos!
44
4
![Page 18: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/18.jpg)
Elementos Primordiais
Devido à rápida expansão somente os elementos leves podem ser formados durante a fase de nucleossíntese primordial.
Os elementos mais pesados são sintetizados nas estrelas.
![Page 19: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/19.jpg)
Razão Fóton/Bárion ( Razão Fóton/Bárion ( ))
As taxas de reação dependem da densidade de bárions presentes no meio especificada através do parâmetro,
________n
bárions
nfótons~ 6.14 x 10
-10
Cujo valor se manteve inalterado e pode ser inferido a partir de observações no Universo local.
![Page 20: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/20.jpg)
Nucleossíntese Primordial Nucleossíntese Primordial X ObservaçõesX Observações
O acordo dos cálculos detalhados com as medidas empíricas de abundâncias dos elementos leves é um dos pilares da Cosmologia moderna.
![Page 21: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/21.jpg)
Densidade de Matéria no Densidade de Matéria no UniversoUniverso
É costume especificar a densidade de matéria comparando-se o seu valor com o requerido para o modelo plano
= 9.2 x 10 g/cm ( H = 70 km/s/Mpc)crit
- 30 30
Definindo-se o parâmetro de densidade
= _____crit
As observações atuais indicam que ~ 0.04, consistente com a
nucleossíntese primordial. bb
![Page 22: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/22.jpg)
A Matéria EscuraA Matéria Escura
A densidade de matéria inferida a partir dos aglomerados de galáxias indica que ~ 0.3, cerca de 10 vezes superior à quantidade de bárions requerida para a nucleossíntese primordial.
m
M < v > =disp
2 _____GM2
R
M ~ 10 Mtot bárions
Teorema do Virial:
![Page 23: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/23.jpg)
Superfície de Último Espalhamento
No final da era da radiação os fótons da radiação de fundo escoaram livremente gerando a chamada superfície de último espalhamento.
![Page 24: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/24.jpg)
A Era COBEA Era COBE
No anos de 1980 a NASA enviou ao espaço o satélite COBE com a finalidade de realizar medidas detalhadas da radiação de fundo, inclusive das flutuações de temperatura.
![Page 25: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/25.jpg)
![Page 26: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/26.jpg)
A Origem das Flutuações A Origem das Flutuações de Temperaturade Temperatura
Ao cruzarem os poços de potencial gravitacional das flutuações de densidade os fótons sofrem perturbações que são detectadas na radiação cósmica de fundo.
T = _____
3 c 2
Conhecido como o efeito Sachs-Wolfe
![Page 27: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/27.jpg)
A Era WMAPA Era WMAP
Em 2002 a NASA enviou ao espaço o satélite WMAP capaz de realizar observações muito mais detalhadas que o satélite COBE.
![Page 28: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/28.jpg)
Perturbações na Radiação Perturbações na Radiação de Fundode Fundo
Ao se desacoplar o fundo de radiação deixou registrado a impressão das perturbações primordiais que posteriormente geraram as galáxias e aglomerados de galáxias.
![Page 29: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/29.jpg)
O Espectro de PotênciaO Espectro de Potência
A posição do primeiro pico acústico indica que vivemos em um Universo plano
Mas, sendo = 0.04 e = 0.3 como podemos ter = 1 ?
bm
![Page 30: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/30.jpg)
O Cenário CDMO Cenário CDM
As perturbações na matéria escura fria sobreviveram à era da radiação e posteriormente serviram de sementes em torno das quais se formaram galáxias e aglomerados de galáxias.
![Page 31: A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas Conseqüências Ronaldo E. de Souza Dept. Astronomia, IAG/USP.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062418/552fc10d497959413d8c4ade/html5/thumbnails/31.jpg)
FimFim