A idade do universo

GRUPO SPUTNIK

Alexandre Bagdonas HenriqueBruno L´AstrorinaGabriel BarrrosOsvaldo Souza

Tassiana Carvalho

Aula 1

Alex:Apresentar Documentário da BBC sobre “O que é cosmologia?”Discutir diferenças entre cosmologia e astronomia.Bruno/ Gabriel:Apresentar vídeos sobre Escalas no Universo. Por que estudar cosmologia?Tassi:Explicar algumas informações que podem ser obtidas a partir da luz dos corpos celestes.Desenvolver atividade prática sobre espectros utilizando um CD

Alex:Apresentar Documentário da BBC sobre “O que é cosmologia?”Discutir diferenças entre cosmologia e astronomia.Bruno/ Gabriel:Apresentar vídeos sobre Escalas no Universo. Por que estudar cosmologia?Tassi:Explicar algumas informações que podem ser obtidas a partir da luz dos corpos celestes.Desenvolver atividade prática sobre espectros utilizando um CD

O que é cosmologia?

Fonte: BBC, (Al-Khalili, 2008)

Lost Horizons, Big Bang: Introdução

As questões fundamentais

Quase todos os povos tentaram responder: O que é o homem?

O que é o universo? Qual o lugar do homem no universo?

Quase todos os povos tentaram responder: O que é o homem?

O que é o universo? Qual o lugar do homem no universo?

O universo foi criado por um ser inteligente? Existe um sentido para a vida ou para o universo?Por que o universo existe? Por que algo deve existir? Por que as coisas são como são? De onde surgiu o universo? Ele vai existir para sempre?

O universo foi criado por um ser inteligente? Existe um sentido para a vida ou para o universo?Por que o universo existe? Por que algo deve existir? Por que as coisas são como são? De onde surgiu o universo? Ele vai existir para sempre?

Tradução de Science Cartoons de S. Harris.

De onde tudo surgiu? De onde

tudo surgiu?

O que é cosmologia?

Cosmologia é ciência?

Cosmologia é filosofia?

Cosmologia é religião?

Cosmologia é ciência?

Cosmologia é filosofia?

Cosmologia é religião?

Cosmologia e astronomia

Fonte: GREF,Mecânica 4Fonte: GREF,Mecânica 4A figura foi retirada da palestra “Cosmologia”, de Wilton Dias, ministrada no Observatório do CDCC-USPA figura foi retirada da palestra “Cosmologia”, de Wilton Dias, ministrada no Observatório do CDCC-USP

O BIG BANG Escalas do universo

Escala de tamanhos de estrelas: http://www.youtube.com/watch?v=-7cVzkupot8Escala de distâncias: http://www.youtube.com/watch?v=UhJh5EgYt7M Animação interativa: http://primaxstudio.com/stuff/scale_of_universe/

Escala de tamanhos de estrelas: http://www.youtube.com/watch?v=-7cVzkupot8Escala de distâncias: http://www.youtube.com/watch?v=UhJh5EgYt7M Animação interativa: http://primaxstudio.com/stuff/scale_of_universe/

Astronomia

Estrelas

Lua

Meio interestelar

Planetas

Cometas

Galáxias

Terra

Cosmologia

Estudo do universocomo um

todo

O que é o universo?

O que é o universo para você? Podem existir vários universos?O que é o universo para você? Podem existir vários universos?

Fonte: GREF, Mecânica 4Cosmicômicas, (Calvino N)Fonte: GREF, Mecânica 4Cosmicômicas, (Calvino N)

Por que estudar cosmologia?

-Mercado de trabalho?

-Vestibular?

-Útil na vida cotidiana?

-Formar cidadão críticos e participativos numa sociedade democrática?

-Mercado de trabalho?

-Vestibular?

-Útil na vida cotidiana?

-Formar cidadão críticos e participativos numa sociedade democrática?

Por que estudar cosmologia?

-Entender notícias e matérias de divulgação científica

-Cosmologia é cultura

-Cosmologia é multidisciplinar

-Formação de uma visão de mundo científica

-Cosmologia é legal!

-Entender notícias e matérias de divulgação científica

-Cosmologia é cultura

-Cosmologia é multidisciplinar

-Formação de uma visão de mundo científica

-Cosmologia é legal!

A emissão de radiação

• Gás monoatômico + descargas elétricas• Colisões de elétrons: aumento da energia dos

átomos átomo excitado• Ao voltar ao estado fundamental há emissão

de radiação eletromagnética.

Retirado de Física Conceitual – Paul G. Hewitt (2002)

Radiação / Espectro

• Espectro contínuo X Espectro discreto• A radiação eletromagnética emitida por

átomos livres está concentrada em um conjunto de comprimentos de onda discretos: LINHAS ESPECTRAIS

• Espectros emitidos por diferentes tipos de átomos mostra que cada tipo tem seu espectro característico próprio

Observando o espectro

• Fundamentalmente, a radiação deve ser colimada por uma fenda prisma (rede de difração anteparo

Retirado deFísica Quântica - Robert Eisberg e Robert Resnick (1979)

Física Conceitual – Paul G. Hewitt (2002)

Alguns espectros de emissão

• Conjuntos característicos de comprimentos de onda nos quais as linhas dos espectros são encontradas:

Retirado de Física Conceitual – Paul G. Hewitt (2002)

Espectro de absorção

• Presença de linhas escuras no “espectro contínuo” da luz branca

• Linhas escuras = LINHAS DE ABSORÇÃO• Para cada linha do espectro de absorção há

uma linha correspondente no espectro de emissão. O inverso não é verdade

Obtendo espectro de absorção

http://www.gobiernodecanarias.org/educacion/3/usrn/lentiscal/1-cdquimica-tic/HotPotatoes-Q/EstructuraAtomica/estructuratom-jbc.htm

Espectro do Hidrogênio

• É o átomo mais simples, com apenas 1 elétron.• A maior parte do Universo consiste de átomos

de hidrogênios isolados

Retirado deFísica Quântica - Robert Eisberg e Robert Resnick (1979)

Linhas do Hidrogênio

• O espaçamento entre as linhas do espectro vão diminuindo a medida que o comprimento de onda diminui

• Converge para o limite da série em 3645,6Å• Linhas com comprimentos de onda menor são

difíceis de serem observadas experimentalmente (pequeno espaçamento e região do ultravioleta)

Séries do Hidrogênio

• Busca por uma fórmula empírica para obter os comprimentos de onda das linhas.

• Balmer (1885)

(em Å)

n=3 Hα

n=4 Hβ

n=5 Hγ

43646

2

2

n

n

Espectro de estrelas

• Ao observar a luz de uma estrela, por um espectroscópio, observa-se um espectro contínuo com linhas de absorção.

• Essas linhas revelam os elementos químicos das camadas superficiais da estrela

A descoberta do Hélio

• As linhas observadas das estrelas revelam que elas possuem uma atmosfera de gases mais frios que absorvem algumas frequências do espectro.

• A maior parte dos elementos que existem nas estrelas existiam na Terra.

• Em 1868 novas linhas chamaram a atenção para um elemento desconhecido na Terra.

• O novo elemento foi chamado de hélio (He), em homenagem a Hélios, o Sol em grego.

Espectros das estrelas: classificação de temperatura

http://astro.if.ufrgs.br/rad/espec/espec.htm

http://astro.if.ufrgs.br/rad/espec/espec.htm

Espectros de Galáxias

• Como medir?

A figura foi retirada de Braz Júnior 2002 p. 86

Galáxia M77

Aula 2

Alex:Aula expositiva sobre Hubble e a descoberta da expansão do universo Tassi:Apresentar o documentário sobre redshift e efeito Doppler (5 min)Análise do documentário comparando ondas sonoras e luminosas Oz: Mostrar como estimar a idade do universo a partir dos dados de Hubble

Alex:Aula expositiva sobre Hubble e a descoberta da expansão do universo Tassi:Apresentar o documentário sobre redshift e efeito Doppler (5 min)Análise do documentário comparando ondas sonoras e luminosas Oz: Mostrar como estimar a idade do universo a partir dos dados de Hubble

Aula 3: Hubble e a expansão do universo

BBC: Lost Horizons, Hubble

A lei de Hubble

[no eixo y vemos] velocidades radiais, corrigidas pelo movimento solar e no eixo x as distâncias das galáxias

estimadas a partir das luminosidades médias das nebulosas no aglomerado

(Hubble 1929, p. 172)

[no eixo y vemos] velocidades radiais, corrigidas pelo movimento solar e no eixo x as distâncias das galáxias

estimadas a partir das luminosidades médias das nebulosas no aglomerado

(Hubble 1929, p. 172)

0radialv H d

Hubble a expansão do universo

Edwin Hubble(1889-1953)Edwin Hubble(1889-1953)

Não aceitou a ideia de um universo em expansão

Em uma carta a De Sitter em 1931, escreveu que ele e seu colaborador Milton Humason sentiam

"que a interpretação (dos redshift das galáxias) deve ser deixada para você e os outros poucos que são suficientemente competentes para discutir esta questão com autoridade"

(Hubble 1931 apud Kragh & Smith 2003, p. 152).

Não aceitou a ideia de um universo em expansão

Em uma carta a De Sitter em 1931, escreveu que ele e seu colaborador Milton Humason sentiam

"que a interpretação (dos redshift das galáxias) deve ser deixada para você e os outros poucos que são suficientemente competentes para discutir esta questão com autoridade"

(Hubble 1931 apud Kragh & Smith 2003, p. 152).

Dados de Hubble

0radialv H dComo sabemos os valores de V e d?Como sabemos os valores de V e d?

Desvio espectral

e

eoz

A figura foi retirada de Braz

Júnior 2002 p. 86

Astrônomo Mirim

A figura foi retirada de Braz Júnior 2002 p. 86

Descobrindo os elementos químicos presentes no Sol

Objeto de aprendizagem do Portal do Professor

Aula 4: Efeito Doppler

BBC: Lost Horizons: Redshift

Efeito Doppler

A figura foi retirada de Braz Júnior 2002 p. 85

Aula 3

Oz/ Gabriel:Discutir os resultados obtidos na aula anterior.

AlexRelacionar com o problema da idade do universo, comentando sobre possíveis soluções

Oz/ Gabriel:Discutir os resultados obtidos na aula anterior.

AlexRelacionar com o problema da idade do universo, comentando sobre possíveis soluções

O BIG BANG Quando olhamos para o céu vemos o passado

Quando olhamos para o céu vemos o passado

Quando olhamos para o céu vemos o passado

2 milhões de anos luz

O BIG BANG O universo tem bilhões de anos

Fonte: Fagundes 2002Fonte: Fagundes 2002

A lei de Hubble

[no eixo y vemos] velocidades radiais, corrigidas pelo movimento solar e no eixo x as distâncias das galáxias

estimadas a partir das luminosidades médias das nebulosas no aglomerado

(Hubble 1929, p. 172)

[no eixo y vemos] velocidades radiais, corrigidas pelo movimento solar e no eixo x as distâncias das galáxias

estimadas a partir das luminosidades médias das nebulosas no aglomerado

(Hubble 1929, p. 172)

0radialv H d

O BIG BANG O problema da idade do universo

Supondo v constante:

O BIG BANG Os dados de Hubble

H0=454 km/s. MpcH0=454 km/s. Mpc

1/ H = 2,1 bilhões de anos 1/ H = 2,1 bilhões de anos

Por que isso é um problema?Por que isso é um problema?

O BIG BANG O problema da idade do universo

Como poderia o universo ter menos que dois bilhões de anos se ele contém rochas de 3 bilhões de anos? Esta discrepância incomodou os que propuseram modelos de universo em expansão por várias décadas, desde o trabalho original de Hubble até a década de 1950. Uma possibilidade foi sugerida por Lemaître, que introduziu a constante cosmológica, originalmente utilizada por Einstein para construir um universo estático.

Como poderia o universo ter menos que dois bilhões de anos se ele contém rochas de 3 bilhões de anos? Esta discrepância incomodou os que propuseram modelos de universo em expansão por várias décadas, desde o trabalho original de Hubble até a década de 1950. Uma possibilidade foi sugerida por Lemaître, que introduziu a constante cosmológica, originalmente utilizada por Einstein para construir um universo estático.

A presença dessa força faria o universo expandir com uma velocidade cada vez maior e mudaria o valor estimado para a idade do universo (Gamow 1952, p. 29).

A presença dessa força faria o universo expandir com uma velocidade cada vez maior e mudaria o valor estimado para a idade do universo (Gamow 1952, p. 29).

O BIG BANG O problema da idade do universo

Friedman:

modelos matemáticos

Friedman:

modelos matemáticosEddington:

universo eternoEddington:

universo eternoHubble:

Postura cautelosa

Hubble:

Postura cautelosa

Uma redeterminação da constante de Hubble poderia provavelmente ser realizada, aumentando a precisão. Medidas da velocidade de recessão de nebulosas suficientemente distantes, para que sejam pouco influenciadas pelas velocidades aleatórias, seria particularmente valioso (Bondi 1952, p. 165).

Uma redeterminação da constante de Hubble poderia provavelmente ser realizada, aumentando a precisão. Medidas da velocidade de recessão de nebulosas suficientemente distantes, para que sejam pouco influenciadas pelas velocidades aleatórias, seria particularmente valioso (Bondi 1952, p. 165).

Aula 4

Oz/ Gabriel

Estimar a idade do universo com dados contemporâneos.Discutir os resultados

AlexMostrar soluções atuais para o problema da idade do universo.

Oz/ Gabriel

Estimar a idade do universo com dados contemporâneos.Discutir os resultados

AlexMostrar soluções atuais para o problema da idade do universo.

O BIG BANG Medidas posteriores da constante de Hubble

• 1952: Walter Baade, astrônomo alemão • Mudanças na forma de medir distâncias

• T~ 3,6 bilhões de anos

• 1952: Walter Baade, astrônomo alemão • Mudanças na forma de medir distâncias

• T~ 3,6 bilhões de anos

Enfraquecimento “psicológico” da teoria do Estado Estacionário

Enfraquecimento “psicológico” da teoria do Estado Estacionário

O BIG BANG Desafio

Dados de 1995: H0=85 km/sDados de 1995: H0=85 km/s Dados de 1998, H0=59 km/s. MpcDados de 1998, H0=59 km/s. Mpc

•Estime a idade do universo a partir destes dados

•Compare com o valor atribuído por obras de divulgação

científica para esse valor (Idade do universo ~ 13,7

bilhões de anos)

•Interprete os valores obtidos explicando as diferenças entre

eles.

•Estime a idade do universo a partir destes dados

•Compare com o valor atribuído por obras de divulgação

científica para esse valor (Idade do universo ~ 13,7

bilhões de anos)

•Interprete os valores obtidos explicando as diferenças entre

eles.

Nós estamos em expansão?

“Se o universo inteiro está expandindo, então porque você está surpresa com o nosso afastamento?”

1. As distâncias entre as pessoas estão realmente aumentando? Por quê?

“Se o universo inteiro está expandindo, então porque você está surpresa com o nosso afastamento?”

1. As distâncias entre as pessoas estão realmente aumentando? Por quê?

2. Qual seria a analogia mais adequada sobre a expansão do universo levando em conta a resposta da questão 1? A do balão com pontos desenhados ou a da granada? E se substituirmos os pontos desenhados por discos de papel?

2. Qual seria a analogia mais adequada sobre a expansão do universo levando em conta a resposta da questão 1? A do balão com pontos desenhados ou a da granada? E se substituirmos os pontos desenhados por discos de papel?

Fonte: Science Cartoons de S. Harris. Fonte: Science Cartoons de S. Harris.

O BIG BANG A revolução copernicana

Estamos no centro do universo?Estamos no centro do universo?

O BIG BANG O universo como uma bexiga

-Bexiga inflando representa o afastamento das galáxias

-O centro do universo está fora do modelo

-Diferença entre movimento próprio e velocidade de recessão

-Bexiga inflando representa o afastamento das galáxias

-O centro do universo está fora do modelo

-Diferença entre movimento próprio e velocidade de recessão

Imagem: Exercícios sobre Cosmologia da ESA: Astroex

O BIG BANG Movimento próprio

e velocidade de recessão

Efeito Doppler: movimento próprio no espaçoEfeito Doppler: movimento próprio no espaço

Redshift cosmológico: velocidade de recessão causada pelo movimento do espaçoRedshift cosmológico: velocidade de recessão causada pelo movimento do espaço

Fonte: Efeito Doppler :Cool cosmosRedshift cosmológico: Astronomy Ohio

Universo bidimensional

Fonte: Big Bang para principiantes Animação: http://www.cnrt.scsu.edu/~dms/cosmology/2D_hubble_law.html

Fonte: Big Bang para principiantes Animação: http://www.cnrt.scsu.edu/~dms/cosmology/2D_hubble_law.html

Como uma bexiga inflandoComo uma bexiga inflando