A Descoberta da Radia

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A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo e suas
Conseqüências

• Ronaldo E. de Souza
• Dept. Astronomia, IAG/USP

2
O que Podemos Aprender com a Radiação Cósmica de
Fundo?

• História térmica do Universo.
• Formação dos elementos leves.
• Abundância dos bárions.
• Parâmetros cosmológicos.
• Formação das galáxias e aglomerados de galáxias.

3
Arno Penzias Robert Wilson

• Antena projetada em 1960 para testes de
  comunicação de baixo ruído com o satélite echo.
• Sistema direcional de baixo ruído (lt 0.05 K).

4
Qual é a Fonte do Ruído Observado?

• 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.

0.1 dB 6.6 K
Tcéu 3 K
5
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!

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Idéia 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
3
10
7
Conclusão

• Penzias e Wilson foram agraciados com o prêmio
  Nobel de 1978 pela relevância da descoberta no
  entendimento do Universo.

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A Missão COBE

• A temperatura do fundo de radiação, T02.726 -
  0.01 K, e segue a curva de um corpo negro,
  indicado uma origem térmica.

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Caracte rísticas de um Corpo 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.
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Origem da Radiação Cósmica 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?

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A expansão do Universo e os Fótons

• Se consideramos uma região que atualmente tem uma
  dimensão L a sua dimensão no passado era menor
  
  
  
  
  LR L
• Onde R é o chamado fator de escala.
  Atualmente R1 e no passado Rlt1.

0
0
R1
Rlt1
e h n h c / l
l
l l R
obs
obs
Os fótons da radiação de fundo eram muito mais
energéticos no universo primordial.
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Evolução da Temperatura de fundo

• No universo primordial a temperatura da radiação
  de fundo era muito maior,

T T / R
0
Por exemplo quando R0.001 a temperatura do fundo
de microondas era mil vezes maior ou cerca de 3
000 K.
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Evolução da Densidade de Energia

• A atual densidade de energia da radiação é igual
  a
  
  
• r
  
  
  
• devido à evolução do elemento de volume e da
  energia dos fótons a densidade de energia no
  universo primordial era
• 
  
  
  r
  
  
  
• ou seja, quando R0.001 a densidade de
  energia do campo de radiação era cerca de um
  trilhão de vezes superior ao seu valor atual.

N e
_________
fótons
r0
2
3
L c
0
r
______
r0
r
4
R
14
Evolução da densidade de matéria

• Devido à compressão do volume a densidade de
  matéria no universo primordial era
• 
  
  
  r r R
  
  
  
• portanto, quando R0.001 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.

3
m0
m
15
Era 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 R0.001, ou z1000, a densidade no campo de
radiação era igual à densidade de matéria.
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Eras Térmicas

• Os elementos químicos complexos não existiam no
  Universo primordial!

17
Formação do He
4
4

• A formação do He primordial durou cerca de 5
  minutos!

18
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.
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Razão Fóton/Bárion ( h )

• As taxas de reação dependem da densidade de
  bárions presentes no meio especificada através do
  parâmetro,

n
-10
________
bárions
h
6.14 x 10
n
fótons
Cujo valor se manteve inalterado e pode ser
inferido a partir de observações no Universo
local.
20
Nucleossíntese Primordial X Observações

• O acordo dos cálculos detalhados com as medidas
  empíricas de abundâncias dos elementos leves é um
  dos pilares da Cosmologia moderna.

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Densidade de Matéria no Universo

• É costume especificar a densidade de matéria
  comparando-se o seu valor com o requerido para o
  modelo plano

- 30
3
r 9.2 x 10 g/cm ( H 70
km/s/Mpc)
0
crit
Definindo-se o parâmetro de densidade
r
_____
W
r
crit
As observações atuais indicam que W 0.04,
consistente com a nucleossíntese primordial.
b
b
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A Matéria Escura

• A densidade de matéria inferida a partir dos
  aglomerados de galáxias indica que W 0.3,
  cerca de 10 vezes superior à quantidade de
  bárions requerida para a nucleossíntese
  primordial.

m
Teorema do Virial
2
GM
2
_____
M lt v gt
disp
R
M 10 M
tot
bárions
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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.

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A 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.

25
(No Transcript)
26
A Origem das Flutuações de Temperatura

• Ao cruzarem os poços de potencial gravitacional
  das flutuações de densidade os fótons sofrem
  perturbações que são detectadas na radiação
  cósmica de fundo.

D F
_____
D T
2
3 c
Conhecido como o efeito Sachs-Wolfe
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A Era WMAP

• Em 2002 a NASA enviou ao espaço o satélite WMAP
  capaz de realizar observações muito mais
  detalhadas que o satélite COBE.

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Perturbações na Radiação de Fundo

• Ao se desacoplar o fundo de radiação deixou
  registrado a impressão das perturbações
  primordiais que posteriormente geraram as
  galáxias e aglomerados de galáxias.

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O Espectro de Potência

• A posição do primeiro pico acústico indica que
  vivemos em um Universo plano

W 1.02 - 0.04
Mas, sendo W 0.04 e W 0.3
como podemos ter W 1 ?
b
m
30
O 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.

31
Fim