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MATÉRIA ESCURA E
FORMAÇÃO DE ESTRUTURAS
NO UNIVERSO
Inverno Astrofísico
2019
Hermano VeltenUniversidade Federal de Ouro Preto
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Ilya Shapiro
Hermano Velten
Saulo Carneiro
Júlio Fabris
Humberto Belich
Davi Rodrigues
Oliver Piattella
Valerio Marra
Wiliam Ricaldi
Nelson PintoNeto
Marc Casals
Martin Makler
Felipe Falciano
Ricardo Sturani
Hermano Velten
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Luca AmendolaScott Dodelson
David Wands
José Antônio de Freitas Pacheco
Hermano Velten
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Ouro Preto possui um dos primeiros
observatórios do Brasil.
Ensino de astronomia desde 1891 na
Escola de Minas (criada em1876).
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Aula I•O que conhecemos de todo o
cosmo?
Hermano Velten
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Aula II
• E o que NÃO conhecemos...
• Quais são as evidências sobre a existência de matéria escura?
• Quais são as evidências sobre a existência de energia escura?
Hermano Velten
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Aula III
•Qual sistema queremos estudar? Universo (como um todo) como sistema físico e suas componentes.
•Quais são as estruturas que estamos querendo entender? Galáxias e aglomerados de galáxias e sua distribuição em grande escala.
Hermano Velten
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Aula IV
•Entender como pequenas
perturbações existentes na
distribuição quase homogênea de
densidade de matéria no universo
primordial evoluem até o ponto de
formar uma estrutura como galáxias
e aglomerados de galáxias.
Hermano Velten
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Aula V
• Efeito Mészaros -> Bônus: Precisamos de
matéria escura
• Estágio não-linear de formação de
estruturas. Entender o porquê de um
excesso de densidade na distribuição de
matéria se desacopla do fluxo de Hubble e
colapsa para formar um objeto
astronômico.
Hermano Velten
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Aula I
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Primeiro passo:
COMO OBSERVAMOS?
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Como diferentes partes do espectro atravessam a atmosfera
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Fontes observacionais
Hermano Velten
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Passado distante
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Distribuição da Radiação Cósmica de Fundo em Microondas
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Satélite
PLANCK
Lançado em 2009.
Coletou dados até 2013.
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Estratégia de observação:
Satélite PLANCK - ESA
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Radiação gama
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O sol visto em diferentes frequências
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Hermano Velten
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Hermano Velten
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Hermano Velten
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Astronomia multi-espectralHermano Velten
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PRECISAMOS DE UMA TEORIA PARA
A INTERAÇÃO GRAVITACIONAL
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Relatividade Geral
Hermano Velten
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Testes da Relatividade Geral• Einstein propôs 3 testes (ditos Clássicos) :
1) Precessão do perihélio da órbita de Mercúrio;
2) A deflexão de um feixe de luz em um campo gravitacinal ;
3) O desvio para o vermelho de fótons ao viajar em um campo
gravitacional.
Erwin Shapiro mediu, em 1970, o atraso temporal (de origem
relativística) em sinais de radar que viajavam perto do Sol.
Hulse e Taylor mediram o decaimento do período orbital de uma
pulsar binário.
Em 2016 a colaboração LIGO anuncia a detecção direta das
Ondas Gravitacionais.
Hermano Velten
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Como e onde testar a Relatividade Geral
quase-estacionário/ CAMPO FRACO
Quase-estacionário/CAMPO FORTE
Altamente dinâmico/CAMPO FORTE
Regime Radiativo (ONDAS GRAVITACIONAIS)
Hermano Velten
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A expansão do Universo
Hermano Velten
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Hermano Velten
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O que seria o Universo?
Que objeto estamos estudando?
Só é possível construir esta figura sabendo da
existência de matéria e energia escuras.
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Do que é feito tudo isso?
A origem dos elementos no início do universo.
Nucleossíntese Primordial. Primeiros 3 minutos!
Fim:
1) Inexistência de
núcleos estáveis
5<A<8
2) Expansão do universo
amortecida,
temperatura menor,
não é possível fazer
fusão dos Z>5
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Do que é feito tudo isso?
A origem dos elementos nas estrelas. Nucleosíntese estelar
10 Bilhões
7 Milhões
Duração
do ciclo
evolutivo
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Do que é feito tudo isso?
A origem dos elementos nas estrelas.
Nucleosíntese estelar:
Ciclo próton-próton
Ciclo CNO
Ciclo Triplo alpha
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Produção dos elementos mais pesados que o Fe 56
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Supernovas e a formação dos elementos pesados
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Processos “S”
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A origem dos elementos
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E o que NÃO
conhecemos de
todo o Cosmos?
Hermano Velten
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Aula II• O SETOR ESCURO DO UNIVERSO:
• Matéria Escura e Energia Escura
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Matéria Escura
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Evidências de Matéria Escura
• Evidências Astrofísicas:
• - Ocorrem em sistemas isolados como galáxias e
aglomerados;
• - Próximos slides.
• Evidências Cosmológicas:
• - Levam em conta a expansão do Universo.
• - Matéria escura surge como elemento imprescindível
• - Tema das aulas V e VI.
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Fritz Zwicky 1898-1974: Primeira evidência sobre matéria escura
Hermano Velten
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Aplicando o teorema do Virial (2K+W=0) ao aglomerado
de galáxias de COMA
Resultado: a razão entre sua massa e luminosidade é
M/L ~180 em unidades solares
Sistema Newtoniano!
Hermano Velten
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Curva de rotação de galáxias espirais
Vera Rubin ~1980
Qual o perfil de velocidade das estrelas e gases nesse sistema?
Hermano Velten
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Uma alternativa Clássica à Matéria Escura
MOND – Modified Newtonian dynamics
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Velocidade de rotação de uma partícula
teste ao redor de uma esfera de raio R,
massa M e densidade constante
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Fenômeno de lenteamento gravitacional•
Medindo o ângulo de deflexão da luz de uma estrela distante é possível obter a massa do objeto de interesse
Hermano Velten
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Imagens reais e muito interessantes
Anéis de Einstein
Hermano Velten
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Aglomerado da bala (2005)
Hermano Velten
Vídeo !!!!!!!
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Qual partícula representaria a Matéria escura?
Se existe uma partícula para a Matéria escura seus requisitos mínimos:
1) Interagir gravitacionalmente;
2) Não possuir carga. Caso contrário já teria sido detectada;
3) Seção de choque com núcleons muito pequena;
Qual a massa essa partícula deveria ter?
Matéria escura quente: leve e rápida!
Matéria escura fria: pesada e lenta!
Matéria escura morna: Algo entre quente e frio!
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ENERGIA
ESCURA
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Supernovas e a expansão acelerada do Universo:
o fenômeno ENERGIA ESCURA
Hermano Velten
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Astronomia oriental:Chineses observaram uma supernova em 1054C
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"for the discovery of the
accelerating expansion of the
Universe through observations of
distant supernovae"
Hermano Velten
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O conteúdo material do Universo• Descrição padrão:
● Matéria Bariônica (~5%)
● Neutrinos & Fótons (~0.08%)
Matéria Escura(~25%)
● Energia Escura (~70%)
●
Hermano Velten
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Os resultados da sonda PLANCK (2015)
confirmam esse modelo padrão
https://www.astro.virginia.edu/class/whittle/astr553/Topic01/t1_cos_combined.gif
ENERGIA ESCURA
A necessidade de explicar a
expansão acelerada do
Universo
Hermano Velten
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Matéria escura e Energia Escura correspondem a
cerca de 95% do conteúdo do universo
Não há evidência dessas partículas!
Hermano Velten
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Alguns modelos de energia escura:
Em um universo com Matéria (Bárions + Matéria
escura) e energia escura:
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Alguns modelos de energia escura:
Equação de estado:
Equação da continuidade:
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Parâmetro de desaceleração
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Aula III
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Hermano Velten
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Princípio cosmológico
vs
Escala de homogeneidade do universo
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Hermano Velten
Superfície de último espalhamento
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Hermano Velten
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Hermano Velten
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Hermano Velten
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Partículas: Neutrinos
Hermano Velten
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Partículas: Matéria Escura
Hermano Velten
Fritz Zwicky (~1930)
Anos de 1970
Aglomerados de Galáxias: Mais massa do que se podia ver
Rotação de Galáxias:
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Energia: Energia escura
Hermano Velten
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Hermano Velten
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Hermano Velten
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Hermano Velten
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Hermano Velten
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Hermano Velten
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Reionização do hidrogênio cósmico
pelas primeiras estrelas
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Hermano Velten
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Aula IV
•Entender como pequenasperturbações existentes nadistribuição quase homogênea dedensidade de matéria no universoprimordial evoluem até o ponto deformar uma estrutura comogaláxias e aglomerados degaláxias.
Hermano Velten
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Perturbações cosmológicas• 1) Perturbações Newtonianas
• 1.a) Modos escalares (Foco dos próximos slides)
• 1.b) Modos vetoriais
• 2) Perturbações relativísticas
• 2.a) Modos escalares
• 2.b) Modos vetoriais
• 2.c) Modos tensoriais -> Ondas gravitacionais
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Hermano Velten
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Hermano Velten
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Efeito da energia escura no efeito Sachs-
Wolfe integrado
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Aula V
• Efeito Mészaros -> Bônus: Precisamos de
matéria escura
• Estágio não-linear de formação de
estruturas. Entender o porquê de um
excesso de densidade na distribuição de
matéria se desacopla do fluxo de Hubble e
colapsa para formar um objeto
astronômico.
Hermano Velten
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Evolução das perturbações na matéria
escura e bárions
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As perturbações lineares finalmente
chegaram ao estágio não-linear.
E agora?
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Simulações numéricas
Hermano Velten
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Hermano Velten
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O que as simulações revelam?
Existem problemas com nosso
modelo padrão para a matéria
escura?
• Distribuição da matéria ao longo do halo:
Core/cusp
• Muitos satélites preditos! Mas não vemos
todos eles.
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