Observações fundamentais da cosmologia

Aula do curso de "Introdução à cosmologia" para graduação, Prof. Rodrigo Nemmen, IAG USP.

https://rodrigonemmen.com/teaching/introducao-a-cosmologia/

Transcript

1. Rodrigo Nemmen Sala C302 IAG http://rodrigonemmen.com As Observações Fundamentais AGA0416
2. Desligar o seu smartphone, tablet, laptop etc
3. Big news: primeiros resultados cosmológicos do Dark Energy Survey 23 Planck No Lensing DES Y1 DES Y1+Planck No Lensing DES Y1+Planck+BAO+JLA 0.60 0.66 0.72 0.78 0.84 h 1.6 1.3 1.0 0.7 0.4 w 0.24 0.30 0.36 0.42 m 0.75 0.80 0.85 0.90 S8 0.60 0.66 0.72 0.78 0.84 h 1.6 1.3 1.0 0.7 0.4 w 0.75 0.80 0.85 0.90 S8 https://arxiv.org/pdf/1708.01530.pdf
4. Big news: primeiros resultados cosmológicos do Dark Energy Survey . 68% confidence levels on three cosmological parameters from the joint DES Y1 probes and other experiments for w context of this model. These factors degrade of the value w = 1.34+0 . 08 0 . 15 returned by th combination. The addition of BAO, SNe, and Planck the DES+Planck combination yields the red c ure 14, shifting the solution substantially al degeneracy direction, demonstrating (i) the tioned above with the DES+Planck (no lensin and (ii) that these problems are resolved when are introduced that restrict the Hubble param able values. The Bayes factor for combination the low-z suite of DES+BAO+SNe in the w R = 699, substantially more supportive of t of experiments than the case for Planck and D DES+Planck+BAO+SNe solution shows good the ⌦m –w–S 8 subspace and yields our final c dark energy equation of state: w = 1.00+0 . 04 0 . 05 . DES Y1 reduces the width of the allowed 68% percent. The evidence ratio Rw = 0.08 for Planck with no lensing (green), bined (red) in the ⌦m, h plane. in the CMB constrain ⌦mh3 ex- nation of ⌦m breaks the degen- h than inferred from Planck only to test the ⇤CDM prediction fer the issue of parameter de- ions. However, there is one ts combined with DES that is ta do not constrain the Hubble shown in Figure 12, the DES bined with Planck’s measure- n the inference of the Hubble l measurements [119]). Since ed value of h moves up. As atively in Table II, the shift is Table II, this shift in the value FIG. 13. ⇤CDM constraints from all three two within DES and BAO, JLA, and Planck (with lens S8 plane. Combining all of these leads to the tightest on ⇤CDM parameters, shown in Table II. Hig of these: at 68% C.L., the combination of D external data sets yields ⌦m = 0.301+0 . 006 0 . 008 . This value is about 1 lower than the value wi with comparable error bars. The clustering am constrained at the percent level: 8 = 0.801 ± 0.014 S 8 = 0.799+0 . 014 0 . 009 . h = 0.682+0 . 006 0 . 006 (D s in the CMB constrain ⌦mh ex- mination of ⌦m breaks the degen- h than inferred from Planck only is to test the ⇤CDM prediction efer the issue of parameter de- ctions. However, there is one ents combined with DES that is ata do not constrain the Hubble s shown in Figure 12, the DES mbined with Planck’s measure- in the inference of the Hubble cal measurements [119]). Since rred value of h moves up. As itatively in Table II, the shift is Table II, this shift in the value are added in. arameters in ⇤CDM FIG. 13. ⇤CDM constraints from all three tw within DES and BAO, JLA, and Planck (with le S8 plane. Combining all of these leads to the tightes on ⇤CDM parameters, shown in Table II. H of these: at 68% C.L., the combination of external data sets yields ⌦m = 0.301+0 . 006 0 . 008 . This value is about 1 lower than the value w with comparable error bars. The clustering a constrained at the percent level: 8 = 0.801 ± 0.014 S 8 = 0.799+0 . 014 0 . 009 . Note that fortuitously, because ⌦m is so clos ference in the central values of 8 and S 8 is combined result is about 1 lower than the in https://arxiv.org/pdf/1708.01530.pdf
5. Tamanhos angulares θ 1° = 1/360 de um círculo = 2π/360 rad 1 minuto de arco = 1' = 1/60 de um ° = 2.9×10-4 rad 1 segundo de arco = 1" = 1/60 de um ' = 4.8×10-6 rad 0.5° ≈ 30’ 0.5° ≈ 30’ 4” 3° Galáxia de Andrômeda
6. 4” Buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea 26000 anos-luz 50 μas
7. Unidades de medida na cosmologia Distância, tempo e massa MKS parsec (pc) = 3.1×1016 m usaremos comumente Mpc, Gpc M⦿ (massa solar) = 2×1030 kg Distância Massa Tempo Gano = 109 anos = 3.2×1016 s Energia eV = 1.6×10-19 J elétron: mec2 = 0.511 MeV próton: mpc2 = 938.3 MeV ~ 1 GeV Luminosidade solar L⦿ = 3.8×1026 W = 3.8×1033 erg/s
8. As Observações Fundamentais
9. Descartes, The World, 1636 Wright, An Original Theory of the Universe, 1750
10. Analogia para entender o paradoxo de Olbers
12. 1 ano-luz = 9 trilhões de km = 60.000 a distância Terra-Sol X 25.000 anos-luz de distância Sistema Solar
14. Estrutura em grande escala do universo http://wwwmpa.mpa-garching.mpg.de/galform/millennium/
15. http://wwwmpa.mpa-garching.mpg.de/galform/millennium/
16. http://wwwmpa.mpa-garching.mpg.de/galform/millennium/
17. 4 Gpc de lado http://galformod.mpa-garching.mpg.de/mxxlbrowser/
18. 28 Gpc de lado diâmetro do universo observável http://galformod.mpa-garching.mpg.de/mxxlbrowser/
19. Tipos de espectros eletromagnéticos Contínuo, linhas de emissão e absorção
20. http://astro.unl.edu/naap/hr/graphics/absorption.png Como são produzidas as linhas de absorção (ou emissão)?
21. Estrelas variáveis cefeidas são visíveis a dezenas de Mpc d = 26 Mpc
22. Série temporal do brilho (curvas de luz) de estrelas variáveis cefeidas
23. http://outreach.atnf.csiro.au/education/senior/astrophysics/variable_cepheids.html Relação período-luminosidade Período Henrietta Leavitt (1912)
24. Figure 2.4: Edwin Hubble’s original plot of the relation between redshift (vertical axis) and distance (horizontal axis). Note that the vertical axis Hubble. 1929, PNAS cz
25. https://en.wikipedia.org/wiki/Doppler_effect
26. https://en.wikipedia.org/wiki/Doppler_effect
27. 2.3. REDSHIFT PROPORTIONAL TO DISTANCE 17 Figure 2.5: A more modern version of Hubble’s plot, showing cz versus Freedman et al. 2001, ApJ H0 = 70 km s-1 Mpc-1 cz
29. Conceito de horizonte observável t = 0 obs. a b c d
30. t1
31. t2
32. t3
33. t4
34. t5
35. t6 obs. a b c d
36. t = 0 obs. a b c d Evolução do tamanho do horizonte do universo observável
37. t1
38. t2
39. t3
40. t4
41. t5
42. t6 obs. a b c d
43. Do que o Cosmos é feito?
44. partícula símbolo energia de repouso (MeV) carga próton p 938.3 +1 nêutron n 939.6 0 elétron e- 0.511 -1 neutrino νe, νμ, ντ ? 0 fóton γ 0 0 matéria escura ? ? 0 Propriedades das partículas
46. Lagrangian for standard model of particle physics http://www.symmetrymagazine.org/article/the-deconstructed-standard-model-equation http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6552/aa5b25
50. partícula símbolo energia de repouso (MeV) carga próton p 938.3 +1 nêutron n 939.6 0 elétron e- 0.511 -1 neutrino νe, νμ, ντ ? 0 fóton γ 0 0 matéria escura ? ? 0 Propriedades das partículas
51. Chumbo alguns parsecs
52. partícula símbolo energia de repouso (MeV) carga próton p 938.3 +1 nêutron n 939.6 0 elétron e- 0.511 -1 neutrino νe, νμ, ντ ? 0 fóton γ 0 0 matéria escura ? ? 0 Propriedades das partículas
53. partícula símbolo energia de repouso (MeV) carga próton p 938.3 +1 nêutron n 939.6 0 elétron e- 0.511 -1 neutrino νe, νμ, ντ ? 0 fóton γ 0 0 matéria escura ? ? 0 Propriedades das partículas aula 20
54. A radiação cósmica de fundo em microondas
55. Arno Penzias Robert Wilson Cientistas que descobriram a radiação cósmica de fundo em microondas Cosmic microwave background (CMB)
56. Telescópio utilizado na descoberta
57. T0 = 2.73 K Espectro da CMB Espectro de corpo negro Mather et al. 1994
58. Ilustração da lei de deslocamento de Wien hyperphysics
59. http://astronomy.swin.edu.au/cosmos/B/Blackbody+Radiation
62. Propriedades da CMB corpo negro T0 = 2.725 ± 0.001 K Tipo de espectro Temperatura Densidade 
 de energia u = 4.2×10-14 J m-3 Densidade 
 de fótons ⟨E⟩ dos fótons 0.26 MeV m-3 (0.5 mec2) 2 fótons de raios gama n = 4.1×108 m-3 411 fótons cm-3 ¯ E = 6.34 ⇥ 10 4eV energia de ionização H: 13.6 eV 2 mm (microondas) ¯ E = h¯ ⌫ ) ¯ ⌫ =
63. Universo jovem, T≫104 K: plasma quente e completamente ionizado Fótons interagindo fortemente com elétrons livres. Por quê?
64. http://spiff.rit.edu/classes/phys440/lectures/opacity/opacity.html Espalhamento de Thomson
65. Sol Espalhamento de Thomson no interior do Sol criação do fóton fóton emitido fotosfera
66. http://nickstravelbug.com/travel-photos/fotofriday-golden-gate-bridge/ Analogia para entender o universo primordial Quente, denso, opaco T 104 K Fótons “aprisionados” no mar de elétrons livres
67. http://nickstravelbug.com/travel-photos/fotofriday-golden-gate-bridge/ Fótons saem do cárcere: Universo transparente Radiação cósmica de fundo de microondas T ⇠ 3000 K Universo se expande e esfria, elétrons e prótons recombinam, formando átomos de H neutros
68. http://www.gadventures.com/blog/pics-of-the-week-structures/ Fótons saem do cárcere: Universo transparente Radiação cósmica de fundo de microondas T ⇠ 3000 K Universo se expande e esfria, elétrons e prótons recombinam, formando átomos de H neutros
69. T 104 K T 3000 K T0 = 2.73 K Universo se torna transparente época da recombinação
71. • em inglês: cosmic microwave background (CMB) radiation • “fóssil” mais antigo do universo • traz consigo a foto mais antiga do cosmos (infância do universo) • é a coisa mais fria do universo • maior parte dos fótons no universo são da radiação cósmica de fundo de microondas (>99%) • está aqui nesta sala, e em todo lugar: 
 400 fótons/cm3 㱺 estática na TV Radiação cósmica de fundo em microondas
75. Versão do diretor