Lista de figuras 3 lista de tabelas 7 Introdução 8



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COSMOLOGIA

LISTA DE FIGURAS 3

LISTA DE TABELAS 7



7.1. Introdução 8

7.0.1 Uma perspectiva histórica 8

7.0.2 O que é Cosmologia? 10

7.0.3 Quais problemas a Cosmologia se propõe a resolver? 11



7.1 O UNIVERSO EM QUE VIVEMOS 13

7.2 O Modelo cosmológico Padrão 15

7.2.1 O arcabouço teórico 16

7.2.2 O suporte observacional 18

7.2.3 A evolução do Universo, segundo o MCP 20



7.3 as observações que sustentam o MCP 23

7.3.1 A Velocidade de recessão das galáxias 23

7.3.2 A radiação cósmica de fundo em microondas 26

7.3.3 A produção dos primeiros elementos químicos 32



7.4 A evolução do universo 34

7.5 as estruturas em grande escala 36

7.6 os componentes desconhecidos 39

7.6.1 Matéria Escura 39

7.6.2 Energia escura 41

7.7 a composição e O quadro atual 44

7.8 O FUTURO DO UNIVERSO 46

7.9 CONCLUSÃO 49

7.10 REFERÊNCIAS 51

LISTA DE FIGURAS


Figura 7.1 – Espectro da radiação eletromagnética, de raios gama até ondas longas de rádio. A faixa superior mostra as faixas de radiação acessíveis a observações a bordo de satélites ou foguetes, acima da atmosfera. Na faixa inferior da figura, as regiões que absorvem radiação estão marcadas em cinza. 12

Figura 7.2 – Fotografia em corte da história do Universo. Regiões mais próximas do vértice encontram-se mais próximas de nós no tempo. 15

Figura 7.3 – Foto do levantamento de galáxias APM, contendo 2 milhões de galáxias e 10 milhões de estrelas, cobrindo cerca de 4.000 graus quadrados, em torno do Pólo Sul Galáctico. Os buracos são áreas excluídas em torno de estrelas brilhantes e aglomerados globulares. (Fonte: http://www-astro.physics.ox.ac.uk/~wjs/apm_colour.gif). 19

Figura 7.4 – O desacoplamento da matéria comum da radiação. Na figura à esquerda, o espalhamento Thomson obriga os fótons a percorrerem um caminho aleatório. Após a recombinação, os fótons podem ser propagar livremente pelo Universo. 22

Figura 7.5 – Levantamento de galáxias em função do “redshift”, feito pela equipe do Center for Astrophysics (CfA) nas décadas de 70 e 80. O centro da figura representa o observador, ou seja, nós. As galáxias mais distantes nesse levantamento possuem velocidade de recessão de 12000 km/s, que corresponde a um redshift de 0,04. Fonte: cfa-www.harvard.edu/~huchra/zcat/ 24

Figura 7.6 – Gráfico da Lei de Hubble inclui os dez maiores aglomerados de galáxias.(esquerda) O quadrado no canto inferior esquerdo representa as galáxias observadas por Hubble (Fonte: adaptada de Ferris, pág. 157). O diagrama à direita foi produzido somente com medidas de variáveis Cefeidas feitas pelo Telescópio Espacial Hubble. (Ref: http://hubblesite.org/newscenter/archive/1999). 26

Figura 7.7 – Espectro da RCF medido pelo satélite COBE. O pico encontra-se próximo da freqüência de 6 cps e possui a forma de um corpo negro a 2,7 graus K. 28

Figura 7.8 – Mapas das flutuações de temperatura, desde as medidas de Penzias e Wilson, passando pelo COBE até o WMAP. As manchas azuis (mais frias) e vermelhas (mais quentes) correspondem às flutuações de temperatura no Universo jovem. As manchas verdes correspondem à T=2,726 K (superior) e T=0 K (central e inferior). 29

Figura 7.9 – Espectro de potência angular das flutuações de temperatura da RCF. Em destaque encontram-se os picos acústicos, causados por diferentes processos físicos antes e durante o período da recombinação. 30

Figura 7.10 – Esquema de polarização 31

Figura 7.11 – Abundância relativa dos elementos leves em relação ao hidrogênio. A soma dos valores definidos na linha cinza central, para cada um dos elementos à direita, mais a porcentagem relativa ao hidrogênio (da ordem de 0,75), deve ser igual a 1. 33

Figura 7.12 – Comparação das diferentes geometrias no Universo (aberta, plana e fechada) e seu efeito na distribuição angular de temperaturas da RCF. 35

Figura 7.13 – Distribuição das galáxias vizinhas até cerca de 2 milhões de anos luz, medidas pelo 2dF Galaxy Redshift Survey. Fonte:http://www.mso.anu.edu.au/2dFGRS/. 37

Figura 7.14 – Curva de velocidade radial da nossa Galáxia, uma espiral. A curva azul é a combinação das curvas de disco, gás e halo e esperava-se que ela decrescesse para raios maiores que 20 ou 30 kpc, conforme a curva vermelha, de acordo com as leis de Newton (Fonte: http://astro.if.ufrgs.br). 40

Figura 7.15 – Curva de velocidade radial da nossa Galáxia espiral. Acredita-se que a diferença entre as curvas é causada pela presença de matéria escura (Fonte: http://astro.if.ufrgs.br). 41

Figura 7.16 – Diagrama de fluxo (m-M) versus distância para supernovas tipo I observadas pelos grupos de Perlmutter e Riess. O painel inferior mostra a diferença entre os dados e as previsões de um modelo sem constante cosmológica e densidade de matéria = 0,3. Fonte: http://www.cfa.harvard.edu/oir/Research/supernova/HighZ.html. 43

Figura 7.17– Distribuição percentual dos componentes de matéria e energia no Universo. 45



LISTA DE TABELAS


Tabela 7.1 – VALORES DOS PRINCIPAIS PARÂMETROS COSMOLÓGICOS (Em Março de 2006)
    1. Introdução


Nas últimas décadas temos percebido um aumento rápido no conhecimento sobre a nossa vizinhança cósmica e, com as observações de objetos cada vez mais distantes, a fronteira do Universo parece ter sido empurrada para os confins do tempo. Somos a primeira geração de seres humanos capazes de perceber os grandes detalhes da História Cósmica, das origens do Universo até o desfile das galáxias pelos céus, da formação de sistemas planetários próximos ao nosso próprio sistema solar à descoberta que moléculas essenciais para a formação da vida encontram-se espalhadas por toda a nossa Galáxia. Nosso futuro será fortemente influenciado pela apreciação e entendimento dos processos físicos que ocorrem no Universo. Nesse capítulo faremos um breve resumo da História da Cosmologia e discutiremos os constituintes do Universo nas maiores escalas conhecidas, bem como as idéias relativas às suas origens e evolução. Discutiremos também as observações que nos permitem formular um modelo mais consistente de Universo, conhecido como o Modelo Cosmológico Padrão (MCP) e as observações que o sustentam. Finalizaremos este capítulo com uma breve discussão sobre o futuro do Universo.

7.0.1Uma perspectiva histórica


As origens históricas de uma visão cosmológica do Universo estão diretamente ligadas aos conceitos míticos que povoaram as religiões dos povos antigos. Como as fronteiras do “mundo conhecido” eram praticamente desconhecidas, cada civilização adequava seu “universo” ao mundo terreno, Sol, Lua e planetas. Essa associação tinha raízes numa necessidade de organizar o “Cosmos” e, de alguma forma, explicar a origem do lugar onde o Homem vivia. Durante boa parte do curso da História, a associação de corpos errantes no céu com divindades nos remete diretamente ao conceito de magia, que hoje pode ser vista como uma tentativa de manipular a influência do Homem no mundo natural. Nessa época vivíamos num mundo de relacionamentos e afinidades, cujo pretenso controle era feito por magos, com o objetivo de tentar compreender e dominar as forças da natureza. Nesse sentido, enquanto “experimentador de técnicas mágicas”, o mago pode ser considerado como o antepassado do cientista e, por que não?, do astrônomo, uma vez que muitas das crenças mágicas envolviam rituais em que a necessidade de se prever ou aproveitar os ciclos celestes era premente. As crenças inconstantes do Homem a respeito do céu e o desenvolvimento de suas idéias sobre a natureza serviram como um fio que guiou a espécie humana através do labirinto de diferenças culturais em várias civilizações. Essas crenças agiram também como um espelho, refletindo as atitudes científicas do Homem em função de sua época.

A cosmologia na Idade Antiga pode ser bem representada pela astronomia egípcia e mesopotâmica e seu apogeu ocorreu no florescer da Grécia Clássica. A civilização grega clássica (600 a.C.) foi a sociedade antiga que mais avançou em Astronomia e em outras áreas do conhecimento humano como filosofia, matemática e artes. Contudo, a mitologia grega era bem criativa. Essa civilização foi bastante influenciada pelos antigos egípcios e babilônios, tanto na área mitológica como na científica. A cosmologia grega, por exemplo, foi uma fusão evoluída das idéias egípcias, fenícias, mesopotâmias, minoanas e micênicas. Muitos filósofos, pensadores e cientistas gregos contribuíram para o crescimento da astronomia.

A civilização árabe deu continuidade à busca do conhecimento científico e à evolução cultural proporcionados pelos antigos gregos. Foram os árabes que nomearam boa parte das estrelas e constelações com o nome que conhecemos hoje. Entretanto, com exceção da civilização árabe, durante a Idade Média (de 800 a 1450 d.C.), a evolução do pensamento científico foi praticamente inexistente. O modelo de Ptolomeu (Universo Geocêntrico) transformou-se em dogma adotado pela religião cristã e, em conseqüência, pela civilização cristã. Era muito cômodo admitir a Terra do Homem como centro do Universo. No fim da era medieval, um estudante germânico (Nicolau de Cusa) imaginou que a Terra não era o centro do Universo propondo que a mesma girava em torno de seu eixo e imaginou que as estrelas fossem outros sóis situados a distâncias diferentes num espaço infinito.

Entretanto, somente com o Renascimento Europeu, associado ao período das grandes viagens de navegação, a Ciência Ocidental retomou seu crescimento. O início da revolução astronômica veio com a introdução do sistema heliocêntrico para o Universo, proposto por Nicolau Copérnico, com a utilização do telescópio por Galileu e com a descoberta das leis que levam o nome do astrônomo Johannes Kepler. A partir desses três marcos e das descobertas científicas de Newton, no séc. XVII, a Astronomia começou a evoluir de forma quantitativa, separando-se cada vez mais da astrologia e caracterizando-se como ciência de fato. Entretanto, a noção real de que um “universo” existe além do nosso sistema solar só veio aparecer no séc. XIX e a cosmologia, enquanto ciência individual, somente passou a ser considerada no séc. XX. É dessa época que partiremos para nosso estudo do Universo.


7.0.2O que é Cosmologia?


A Cosmologia é a ciência que estuda a origem, estrutura e evolução do Universo e é uma ciência multidisciplinar. Seu objetivo é entender como o Universo se formou, por que ele tem a forma que hoje vemos e qual será o seu destino no futuro. As principais ferramentas utilizadas para esse entendimento vêm da Física, Matemática e Astronomia. Da Física vem as leis que descrevem fenômenos físicos nos laboratórios da Terra e, ao verificarmos que elas descrevem fenômenos semelhantes em lugares distantes do Universo, podemos reafirmar seu caráter universal. De certa maneira, um cosmólogo utiliza o Universo como um imenso laboratório. A Matemática nos dá a linguagem utilizada para registrar os processos observados e que permitem uma descrição precisa dos fenômenos astronômicos. Da Astronomia tomamos emprestadas as técnicas de observação do céu, medição do tempo e determinação das escalas de distância envolvidas. Observações astronômicas de objetos e fenômenos distantes são utilizadas pelos cosmológos na montagem do quebra-cabeças que é entender o Universo. Podemos ainda incluir, no rol das ferramentas, a Química e a Filosofia. A primeira é importante no estudo da composição da matéria no meio interestelar e a segunda fornece o arcabouço que insere a Cosmologia na hierarquia do pensamento humano.

7.0.3Quais problemas a Cosmologia se propõe a resolver?


Ao observar o céu, o homem pode “definir” o tamanho do seu Universo em função das limitações dos instrumentos disponíveis e, consequentemente, da região acessível a seus olhos. Isso não quer dizer que não existam fenômenos além das regiões que conseguimos ver. Nosso universo tem as fronteiras tecnológicas (que serão superadas assim que inventarmos instrumentos mais potentes) e as impostas pelas leis físicas. Nesse caso estamos limitados pela velocidade com que a informação transportada pela radiação eletromagnética (que pode ser luz, ondas de rádio, raios X e denominações que caracterizam outros intervalos de comprimentos de onda) se propaga.

Assim, é fácil estender o raciocínio e imaginar que existem fenômenos astronômicos que já aconteceram, mas cuja informação (sinal eletromagnético na forma de ondas de rádio, por exemplo) ainda não chegou até nós porque a fonte encontra-se muito distante da Terra. Além da questão da distância existe o problema da absorção da radiação eletromagnética incidente, em quase todo o espectro eletromagnético, pela atmosfera da Terra. As únicas “janelas” visíveis do solo são a óptica e a faixa em rádio. A Figura 7.1 apresenta um diagrama que relaciona os comprimentos de onda com o mecanismo de absorção dentro da atmosfera.

Estudando a radiação eletromagnética emitidas por objetos celestes, podemos estimar a que distância elas se encontram, mapear o Universo e procurar respostas para muitas das perguntas fundamentais formuladas pelo Homem desde que este começou a olhar para o céu... Em última instância, sempre estaremos questionando nossas origens: quem somos? De onde viemos? Para onde vamos? Contudo, parte da motivação para o estudo da Cosmologia vem do aparecimento de questões mais recentes, relacionadas com o desenvolvimento da Ciência em geral, tais como:


  • Como o Universo foi formado e como ele terminará?

  • Como as estruturas de matéria em grande escala se formaram?

  • Qual o tamanho e a geometria do Universo?

  • Qual é a composição química do Universo?

  • O que são a matéria e a energia escura?

  • O que se pode aprender sobre a física estudando o Universo?

  • A leis da Física oferecem uma descrição aceitável da criação?

Figura 7.1 – Espectro da radiação eletromagnética, de raios gama até ondas longas de rádio. A faixa superior mostra as faixas de radiação acessíveis a observações a bordo de satélites ou foguetes, acima da atmosfera. Na faixa inferior da figura, as regiões que absorvem radiação estão marcadas em cinza.


A pesquisa fundamental em Cosmologia envolve técnicas e instrumentação extremamente sofisticadas, muitas vezes desenvolvidas especificamente para este tipo de pesquisa. Parte da motivação para se desenvolver os supercomputadores vem da necessidade de se usar processadores mais e mais poderosos para simular a formação e evolução das primeiras galáxias. Além disso, certas condições físicas no Cosmos são tão extremas que jamais poderão ser conseguidas na Terra, de modo que a Cosmologia associa-se à Física para utilizar o Universo como um grande laboratório. Finalmente, o apelo intelectual e o conhecimento das perspectivas sobre o Universo em que vivemos podem servir até como fator de orientação ética, direcionando as idéias do Homem e fornecendo parâmetros para nortear escolhas que podem definir o futuro da nossa espécie. Nesse sentido, a Física, a Astronomia e a Cosmologia não geram conhecimento supérfluo e irrelevante – sua importância é vital.



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