A Descoberta da Radiação Cósmica deFundo

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Os Primeiros Passos

Medindo a CMBR do Espaço

Eras Cósmicas Nucleossíntese Primordial

A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo

Ronaldo E. de Souza mailto:ronaldo@astro.iag.usp.br http://www.astro.iag.usp.br/ ronaldo/intrcosm/Notas/index.html

21 de junho de 2007 Ronaldo E. de Souza A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo

Os Primeiros Passos

Medindo a CMBR do Espaço

Eras Cósmicas Nucleossíntese Primordial

Os Primeiros Passos

Relevância do Estudo da Radiação de Fundo Arno Penzias e Robert Wilson A Concepção Original de Gamow A Consagração

Medindo a CMBR do Espaço

A Missão COBE Radiação Cósmica e Corpo Negro Origem da Radiação Cósmica de Fundo O Redshift Cosmológico

Eras Cósmicas

Evolução da Temperatura Evolução da densidade de Matéria Radiação x matéria Eras Térmicas

Nucleossíntese Primordial

Formação do He primordial Formação dos Elementos Leves no Big Bang Densidade de Bárions Teoria x Observação

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Relevância do Estudo da Radiação de Fundo Arno Penzias e Robert Wilson A Concepção Original de Gamow A Consagração

Ora direis ouvir estrelas! Certo,

Perdeste o senso! E eu vos direi, no entanto, que para ouví-las, muita vez desperto E abro a janela, pálido de espanto.

Olavo Bilac

* História térmica do Universo * Formação dos elementos leves

* Abundância dos bárions * Parâmetros cosmológicos

* Formação das galáxias

* Formação dos aglomerados de galáxias

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Relevância do Estudo da Radiação de Fundo Arno Penzias e Robert Wilson A Concepção Original de Gamow A Consagração

- Antena projetada em 1960 para testes de comunicação de baixo ruído com o satélite echo.

- Sistema direcional de baixo ruído (< 0.05 K) operando em λ = 7.35 cm.

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Ponto Zero

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Ponto Zero Fonte de Calibração -ff 0.1db=6.6K

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Ponto Zero Fonte de Calibração

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Relevância do Estudo da Radiação de Fundo Arno Penzias e Robert Wilson A Concepção Original de Gamow A Consagração

Ponto Zero Fonte de Calibração

- T =3.0K O excesso de sinal observado no fundo de céu não pode ser explicado seja pela antena, pelo detector ou pela contaminação de fontes

terrestres. Portanto o sinal é real e a sua origem é cósmica.

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Relevância do Estudo da Radiação de Fundo Arno Penzias e Robert Wilson A Concepção Original de Gamow A Consagração

E 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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Relevância do Estudo da Radiação de Fundo Arno Penzias e Robert Wilson A Concepção Original de Gamow A Consagração

I 1. Talvez os elementos químicos observados no Universo tenham sido construídos em uma fase do Universo primordial em que a temperatura era elevada (' 109−10K) e matéria e radiação estavam em equilíbrio termodinâmico.

I 2. A densidade nesta fase devia ser comparável àquela que ocorre no carôço central das estrelas (' 1g/cm3 ).

I 3. Como a densidade atual do Universo é da ordem de 10−30g/cm3, concluímos que houve uma expansão por um fator da ordem de 1010 .

I 3. O resultado final é que o Universo deve estar preenchido com um fundo de radiação cuja temperatura hoje deve ser da ordem de 1 K.

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Relevância do Estudo da Radiação de Fundo Arno Penzias e Robert Wilson A Concepção Original de Gamow A Consagração

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 Radiação Cósmica e Corpo Negro Origem da Radiação Cósmica de Fundo O Redshift Cosmológico

Para estudar a radiação de fundo adequadamente é preciso utilizar experimentos a bordo de satélites para evitar a absorção atmosférica.

Penzias & Wilson

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A temperatura do fundo de radiação, T0=2.726 ± 0.01 K, e segue detalhadamente a lei de Planck prevista para um corpo negro, indicando portanto uma origem térmica.

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Mapa COBE

MapaWMAP

Mas apesar de muito diminutas as flutuações de temperatura, da ordem de milésimos de grau,

são reais e mostram como matéria e radiação estavam acopladas na superfície de último espalhamento

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A Missão COBE Radiação Cósmica e Corpo Negro Origem da Radiação Cósmica de Fundo O Redshift Cosmológico

O corpo negro decorre de um estado de equilíbrio termodinâmico entre matéria e radiação e o máximo de intensidade, pela lei de Wien, ocorre no comprimento de onda, λmaxT = 0,2898K·cm O pico desloca-se para o azul quanto maior a temperatura.

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A Missão COBE Radiação Cósmica e Corpo Negro Origem da Radiação Cósmica de Fundo O Redshift Cosmológico

I Em algum momento da evolução do Universo a matéria e a radiação estavam em equilíbrio termodinâmico, confirmando as idéias de Gamow.

I Posteriormente a radiação desacoplou-se da matéria preservando o espectro de corpo negro que observamos hoje como um registro fóssil da era da radiação.

I Em que momento ocorreu esta transição e quais foram as conseqüências deste estado de equilíbrio termodinâmico inicial?

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A Missão COBE Radiação Cósmica e Corpo Negro Origem da Radiação Cósmica de Fundo O Redshift Cosmológico

O prêmio Nobel de 2006 foi concedido a John C. Mather e George F. Smoot pela descoberta da forma de corpo negro da radiação de fundo e pela descoberta da anisotropia da radiação de fundo.

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Se consideramos uma região que atualmente tem uma dimensão Lobs a sua dimensão no passado era menor onde R é o chamado fator de escala. Hoje R = 1 mas no passado R < 1 e consequentemente os fótons da radiação de fundo eram muito mais energéticos no universo primordial.

λ = λobsR λ = λobs ε = hν = hc λ

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Evolução da Temperatura Evolução da densidade de Matéria Radiação x matéria Eras Térmicas

Uma conseqüência do redshift é que no universo primordial a temperatura da radiação cósmica era muito maior,

Por exemplo quando R=0.001 a temperatura do fundo de microondas era mil vezes maior ou cerca de 3 0 K.

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Evolução da Temperatura Evolução da densidade de Matéria Radiação x matéria Eras Térmicas

A densidade de energia atual da radiação é igual a

devido à evolução do elemento de volume e da energia dos fótons a densidade de energia no universo primordial era

ou seja, quando R = 0.001 a densidade de energia do campo de radiação era cerca de um trilhão de vezes superior ao seu valor atual.

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Evolução da Temperatura Evolução da densidade de Matéria Radiação x matéria Eras Térmicas

Devido à compressão do volume a densidade de matéria no universo primordial era

portanto, quando R = 0.001 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.

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Evolução da Temperatura Evolução da densidade de Matéria Radiação x matéria Eras Térmicas

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 R = 0.001, ou z = 1000, a densidade no campo de radiação era igual à densidade de matéria.

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Evolução da Temperatura Evolução da densidade de Matéria Radiação x matéria Eras Térmicas

Os elementos químicos complexos não existiam no Universo primordial!

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Evolução da Temperatura Evolução da densidade de Matéria Radiação x matéria Eras Térmicas

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Formação do He primordial Formação dos Elementos Leves no Big Bang Densidade de Bárions Teoria x Observação

A formação do 4He primordial durou cerca de 5 minutos!

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Formação do He primordial Formação dos Elementos Leves no Big Bang Densidade de Bárions Teoria x Observação

Devido à rápida expansão somente os elementos leves se formaram na fase da nucleossíntese primordial. Os elementos mais pesados foram sintetizados nas estrelas.

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Formação do He primordial Formação dos Elementos Leves no Big Bang Densidade de Bárions Teoria x Observação

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

Cujo valor se manteve inalterado e que pode ser inferido a partir de observações no Universo local.

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Formação do He primordial Formação dos Elementos Leves no Big Bang Densidade de Bárions Teoria x Observação

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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Formação do He primordial Formação dos Elementos Leves no Big Bang Densidade de Bárions Teoria x Observação

FIMFIM Ronaldo E. de Souza A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo

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