o comeÇo do universo o big-bang parte i - uspthais/aga210_files/bigbangpartei.pdf · era...
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O COMEÇO DO UNIVERSO
O BIG-BANG
Parte I
A RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO
Como podemos observar o universo a distâncias bem
maiores do que o mais distante quasar detectado?!
Resposta: através de um experimento realizado por Arno
Penzias e Robert Wilson (1964) projeto para eliminar
interferências em satélites de comunicação
prêmio nobel em física de 1978
Eles detectaram um ruído fraco de baixa frequência, que
vinha aparentemente de todas as direções e permanecia em
qualquer época do ano.
Após todas as tentativas de explicação para este ruído de
fundo, chegou-se a conclusão que, sendo esta radiação
aparentemente uniforme em todas as direções e
invariante no tempo, ela pode ter sido emitida pelo
universo num passado bastante remoto.
RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO
Predições teóricas da radiação cósmica já tinham
sido feitas em 1940
logo após o Big-Bang universo preenchido com radiação
térmica de alta energia raios gama de muito curto
Esta radiação primordial
deveria ser observada hoje em
frequências mais baixas ( mais
altos) devido ao redshift sofrido
por esta radiação pela expansão
do universo.
radiação hoje na faixa de
microondas
Relembrando…
• O universo em maiores escalas mistura
aproximadamente homogênea de matéria (escura e bariônica) + radiação + energia escura
Resultados mostram que a densidade de matéria
atual é m=0.3 c ~ 310-27 kg/m3
Universo aberto em expansão eterna
= existência de energia de caráter repulsivo 70% da massa-energia total existe na forma de
dark energy D ~ 610-27 kg/m3 (resultados de SNIa)
+
Para Ho=70 km/s/Mpc C = 910-27 kg/m3
5 átomos de H por metro cúbico!!!!
RADIAÇÃO E MATÉRIA NO UNIVERSO
Matéria no universo é constituída de:
•átomos (matéria bariônica) •Matéria escura (normal ou exótica)
As principais fontes de radiação no universo são:
• estrelas em galáxias • radiação cósmica de fundo
Qual destas fontes emite mais energia?
Estrelas + galáxias são fontes mais intensas, mas ocupam somente uma pequena fração do volume total do universo
A radiação cósmica de fundo (RCF) é mais fraca, mas ocupa todo o volume do espaço
Etotal(RCF) ~ 10 E
Fonte mais significativa de energia no universo = RCF
R: a radiação cósmica de fundo
Qual a componente que domina atualmente o universo : matéria ou energia(radiação) ?
Como comparar as densidades de energia e matéria? R: usando E = mc2
2 2 2
rad rad
E mse E mc c c
V V
2
rad
radc
densidade em massa de energia radiativa
Ps. E=mc2 conservação massa e energia: massa ou energia não podem ser destruídas (E/m=c2 )ou a quantidade máxima de
energia que se pode obter de um objeto é a massa do objeto multiplicada pelo quadrado da velocidade da luz.
2
rad
radc
Levando em conta a temperatura da RCF, pode-se
estimar rad e então rad : rad ~ 510-31 kg/m3
2.7 K
rad=aT4
A densidade de radiação de um corpo negro (Stefan-Boltzmann):
a = constante da radiação T = temperatura do corpo negro
m ~310-27 kg/m3 >> rad ~ 510-31 kg/m3
Vê-se que:
m ~ 6000 rad
Atualmente vivemos em um universo dominado pela matéria!!!
A densidade de matéria foi sempre maior do que a densidade de energia no universo?
R: Não! De acordo com as equações de Friedmann, calculando-se a densidade de matéria e energia no passado (supondo o Big-Bang) teve uma época em que o universo foi dominado pela radiação.
Com a expansão do universo, tanto a densidade da matéria e de fótons diminuem (massa e energia por unidade de volume (R3)). No entanto os fótons também diminuem em energia por causa
da expansão (redshift de ) (por R4).
Logo rad cai mais rápido no tempo do que m.
E a energia escura ?
De acordo com as observações feitas pelas SNIa, energia escura é um fenômeno de larga-escala. Ela aumenta sua influência à medida que o universo expande (aumenta seu tamanho), então no começo do universo não deveria ser importante… (será?!)
No modelo padrão do Big-Bang, usando as equações de Friedmann vemos que os estágios iniciais do universo eram caracterizados por condições de alta densidade e alta temperatura.
Como se comportava a energia e matéria no universo dentro destas condições?
Chave para o entendimento: produção de pares
Produção de pares = 2 fótons dão origem a um par partícula- antipartícula
(a) matéria é criada diretamente da energia
(radiação eletromagnética).
Exemplo para pósitron (e+) e elétron (e-)
(b) processo reverso: partícula e antipartícula
aniquilam-se para produzir radiação.
Acima de uma certa T (energia dos fótons) há criação e aniquilação contínua de
matéria-antimatéria.
A medida que o universo se expande universo se resfria fótons diminuem sua energia até não ser mais possível a formação de
qualquer partícula por este meio.
A uma dada temperatura temos um universo constituído de quarks-antiquarks + elétrons-
antielétrons + neutrinos-antineutrinos +radiação (fótons)
QUARKS = FORMAM OS PRÓTONS E NÊUTRONS
1. Léptons (elétrons, neutrinos)
2. Quarks (formam os prótons, nêutrons, etc..)
Matéria é constituída de:
A medida que o universo se expande, num certo momento quando a temperatura é abaixo da TL para formação de partículas, a quantidade de matéria resultante foi maior do que a de anti-matéria...
Isso fez com que a toda a matéria não fosse aniquilada pela antimatéria, resultando no universo observado hoje que é composto de matéria.
A medida que a temperatura foi diminuindo, a matéria foi se agrupando e formando estruturas cada vez mais complexas: átomos planetas estrelas galáxias estrutura em larga escala
A EVOLUÇÃO DO UNIVERSO
4 forças fundamentais na natureza
1) gravitacional
2) eletromagnética
3) nuclear forte
4) nuclear fraca
•Gravitacional : força de alcance infinito, varia com 1/d2, afeta tudo no universo
•Eletromagnética: força de alcance infinito, varia com 1/d2, afeta somente partículas carregadas.
•Nuclear forte: força de curto alcance (10-15 m), mantém ligados os constituintes de um núcleo atômico: prótons e nêutrons
•Nuclear fraca: força de curto alcance (10-17 m), responsável pelo decaimento radiativo (ex. C14 em N14 decaimento beta)
Força forte = 137 x força eletromagn. 105 x força fraca 1039 x força gravitacional
Decaimento do nêutron
ERA DE PLANCK
t < 10-43 s , T > 1032 K
ERA DE PLANCK
• unificação das 4 forças fundamentais
gravitação
eletromagnética
nuclear forte
nuclear fraca
• supergravidade ou gravitação quântica
Leis conhecidas da física não podem explicar a evolução do universo neste tempo
Na era de Planck estas forças são indistinguíveis
comprimento de Planck:
rPLANCK ~ 10-33 cm = raio visível do universo em tPLANCK tPLANCK ~10-43 s = limite de validade da TRG
10-33 cm
Comparação do tamanho do universo e um núcleo de Hélio
Era de planck
Teoria das cordas e supercordas (cordas cósmicas)
• Tentativa de unificação das forças fundamentais • Tentativas de descrição de t < tPL :
descreve forças e partículas elementares como modos de vibração de cordas (loops) (modelo matemático) Cada frequência diferente de vibração corresponde a uma partícula subatômica ou “quanta”
Cordas =vibram num E-T de inúmeras dimensões
Postulado: matéria e energia podem ser reduzidas a fios minúsculos de energia, que
vibram num universo de n dimensões
De acordo com esta teoria, nossos corpos, que são feitos de partículas subatômicas podem ser descritos pelas ressonâncias de trilhões e trilhões de cordas minúsculas.
A vibração de uma corda faz o continuum E-T circunvizinho se deformar. Assim temos uma descrição harmoniosa que funde a teoria dos quanta com a teoria do continuum E-T.
“Notas" da supercorda =partículas subatômicas “Harmonias" das supercordas = leis da física “Universo" = sinfonia de supercordas vibrando.
(1984) + atual: teoria das cordas cósmicas ou superstrings Michael Green e John Schwarz
Universo começou com 10 dimensões
Do ponto de vista matemático, somar dimensões mais altas tem uma grande vantagem: permite descrever cada vez mais forças. Há mais "tolerância" em dimensões mais altas para unir a força eletromagnética a força gravitacional.
Acrescentando sempre mais dimensões a uma teoria, permite unificar as leis da física.
Teoria requer a existência de 9 dimensões espaciais e uma temporal = 10 dimensões no total
Cada ponto do E-T quadri-dimensional tem dimensões extras que não podem ser detectadas a distâncias ~ rPL
estão “enroladas” sobre si mesmas com distâncias << rPL
As dimensões se compactaram após 10-43 s após a formação do universo (tPL!!!)
Na era de Planck
Nestas altíssimas energias e temperaturas: forças são SIMÉTRICAS
são indistinguíveis em intensidade e forma
Quebra de simetria = forças distintas
ERA GUT
ERA DOS GUTs (Teoria da Grande Unificação)
• E-T quadridimensional
• Forças eletromagnética, forte e fraca unificadas
• Separação da gravitação (desacoplamento de grávitrons??)
Universo contém matéria GUT = combinação do que
vai ser quarks, leptons e fótons (energia e temperatura eram muito altas para a formação destas partículas).
10-43 s ≤ t < 10-35 s a partir de T = 1032 K
ERA HADRÔNICA
t = 10-35 s
separação entre a força forte e eletrofraca (eletromagnética + fraca)
ERA HADRÔNICA
formação dos quarks e leptons (produção de pares)
10-35 s < t < 10-4 s
era das partículas pesadas
hadrons: partículas formadas por
conjuntos de quarks
1) No início
1. Leptons (elétrons, neutrinos, etc...) interagem através de forças eletrofracas
2. Quarks (formam os prótons, nêutrons, etc..) interagem através das forças fortes e eletrofracas
Toda a matéria conhecida no universo pode ser descrita em termos de léptons e quarks e as forças que atuam entre eles:
ERA HADRÔNICA
Até t=10-11 s formação de uma quantidade maior de quarks do que anti-quarks mais matéria do que anti-matéria
aniquilação matéria-antimatéria deixa mais matéria!!!
Evolução da matéria
ERA HADRÔNICA
ERA HADRÔNICA
t = 10-12 s T = 1015 K
separação das forças eletromagnética e fraca
abaixo desta energia ou T
a força fraca agirá somente
a distâncias < 10-16 cm (~ 1000 menor que o tamanho de um núcleo)
ERA HADRÔNICA
t ≤ 10-6 s T = 1014 K
Fótons colidem para formar q e q
+ q + q = interconversão de partículas
ou produção de pares
reações mais rápidas do que a variação de densidade
(devido à expansão)
tempo para estabelecer um estado de equilíbrio
Matéria e radiação em equilíbrio durante a era radiativa
ERA HADRÔNICA
Com a diminuição de T os quarks começam a ficar
confinados: formação de prótons e nêutrons
FINAL DA ERA HADRÔNICA
Para T < 1011 K: não é mais possível formar p e n ou quarks por produção de pares
Mas continua a aniquilação: p + p +
● T ~ 1011 K (t~2x10-6 s) os pares tem E ~ 0 e se aniquilam
época da maior aniquilação!!!
T <<1011 K vai decrescendo a aniquilação
Em t~10-5s ocorre o total confinamento de quarks em prótons
e nêutrons e outras partículas
transição quark-hádron
Teoria de partículas elementares também tenta explicar porque
temos mais matéria do que anti-matéria ...
3 quarks=bárions
Resultado: léptons (è, , , ,suas antipartículas)
+ hádrons que não se aniquilaram
FINAL DA ERA HADRÔNICA
ERA LEPTÔNICA
ERA LEPTÔNICA
formação de todas as partículas constituintes da
matéria: léptons e hádrons.
10-4 s < t < 102 s 1012 K < T< 109 K
ERA LEPTÔNICA
era das partículas leves
energia de colisão dos fótons menor
construção de partículas mais leves
Tais como elétrons e neutrinos
A criação por produção de pares de quarks-antiquarks, logo de partículas mais pesadas como prótons e nêutrons, deixa de ocorrer pois os fótons não tem energia suficiente.
+ e– + e+
+ +
t ~ 0.3 s: começo do universo transparente aos neutrinos (e)
os neutrinos não interagem mais com a matéria a seção de choque dos
neutrinos é muito pequena, e com a expansão do universo a probabilidade
de choque entre eles e outras partículas fica cada vez menor.
t < 0.3 s : estão em equilíbrio térmico com os fótons + outros léptons
e– + e+ e + e
t ~ 2 s: DESACOPLAMENTO DE TODOS OS TIPOS DE NEUTRINOS
t ~ 1s-2 s T ~ 1010 K
universo com fotóns, elétrons ,
prótons , nêutrons , neutrinos + anti-partículas
p e n estão em equilíbrio através das reações:
p + e– n + e
p + e n + e+
n decaem espontaneamente em p
n p + e– + e
n fora do núcleo são instáveis
+ provável a formação de um p do que um n
Enquanto T ~ 1010 K : o número de prótons é
praticamente igual ao de nêutrons np ~ nn
Quando T > 1010 K (t~2s) o no de prótons cresce
em relação ao de nêutrons
Os nêutrons não desaparecem completamente
porque as reações nucleares começam a
acontecer, ou seja, prótons e nêutrons começam
a agregar-se formando os núcleos atômicos. Isso
acaba com a reação espontânea n p + e– +
e
No final da era leptônica temos formadas todas as partículas
constituintes da matéria: léptons e hádrons.
A medida que a T decresce com a expansão do universo,
os prótons e nêutrons começam a se agregar para
formar os núcleos atômicos
ERA NUCLEAR