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Martín Makler ICRA/CBPF
Das Galáxias à Energia Escura: Fenomenologia do Universo
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FenomenologiaUniverso do Cosmólogo Teórico:Homogêneo e isotrópicoDominado por matéria/energia escura
Universo do Astrônomo:Galáxias, gás, estrelas, etc.
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Fenomenologia
� Ponte entre teoria e observação� Análise estatística� Modelagem, incluindo todos os processos
físicos (simulações, aproximações)� Observáveis: onde posso esperar detectar
um dado fenômeno?� Área interdisciplinar
Universo do Cosmólogo Teórico:Homogêneo e isotrópicoDominado por matéria/energia escura
Universo do Astrônomo:Galáxias, gás, estrelas, etc.
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Programação
� Parte I: Um Passeio pelo Universo� Parte II: O Universo Homogêneo � Parte III: História Térmica� Parte IV: O Universo Perturbado� Parte V: O Universo Muito Perturbado� Parte VI: Incógnitas e perspectivas
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Blocos fundamentais: Galáxias
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Propriedades Básicas das GaláxiasPropriedade Espirais Elípticas Irregulares
Forma e Disco achatado de Sem disco, com es-estrutura gás e estrelas, braços trelas distribuídas Sem estrutura.
espirais, bojo e halo. em um elipsóide.
Conteúdo de Disco: jovens e velhas. Só estrelas Velhas e novas.estrelas Halo: só velhas. velhas.
Gás e poeira Disco: muito. Pouco ou MuitoHalo: pouco. nenhum.
Formação Ainda produzindo Insignificante Grandeestelar
Movimento Gás e estrelas no disco: Órbitas Estrelas e gás estelar órbitas circulares; aleatórias. têm órbitas
no bojo: mov. aleatório. irregulares.
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Natureza das Galáxias� Galileo Galilei (1610): a Via Láctea é formada por estrelas � Wilhelm Herschel (1785): habitamos uma nebulosa e as
outras são externas� William Parsons (1845): “nebulosas espirais”
� Henrietta Leavitt (1912): relação entre período de estrelas variáveis cefeidas e sua luminosidade intrínseca
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Natureza das Galáxias� Edwin Hubble (1923): determina a distância da “nebulosa”
de Andrômeda (M31), usando uma estrela cefeida
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� Hoje o universo é observado em todos os comprimentos de onda
� Espectro típico: corpo negro + linhas de absorção e emissão
Espectro Eletromagnético
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Espectro de Linhas
Linhas de absorção devido à presença de gás
• Cada elemento químico possui linhas características• Instrumento central em Astronomia
• Composição química....e• Velocidade!
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O Desvio para o Vermelho
� Efeito Doppler
1 /: 1 / , para 1 /
v cz v c v cv c
λλ∆ +
= = − ≈ <<−
Desvio parao azul
Desvio parao vermelho
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O desvio para o vermelho
eλ
rλ
r e
e
z λ λλ−
=
Espectro observado
Espectro “de referência”
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O Cosmos Dinâmico
O Universo em Expansão
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A Expansão do Universo� Vesto Slipher (1917): desvio para o
vermelho de galáxias (13 de 15)
� Hubble (1929): descobre a expansão do universo
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A Expansão do Universo I
A B C
v-vEm relação a B
2v-2v
A B C
v-v
Em relação a A
Homogênea e aumenta linearmente com a distância
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A Expansão do Universo IHomogênea e Isotrópica em Grandes Escalas
Não é explosão! Não possui centro!
Relação linear: 0v H d=
0 100 / /H hKm s Mpc=
O Parâmetro de Hubble:
Dados do Hubble: h = 5
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O Diagrama de Hubble (Versão Atual)
Distância (Mpc)
Vel
ocid
ade
(km
/s)
Dados do Hubble
0.72 0.08h = ±astro-ph/0012376 (Astrophys. J. 553, 47 (2001))
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O Lado Escuro do Universo
Episódio I
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Grupos de GaláxiasO Grupo Local
Tamanhos fora de escala
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Aglomerados de Galáxias
Aglomerado no SDSS
Região qualquer do céu
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Aglomerados de Galáxias
Aglomerado de ComaAglomerado de Hydra
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A Matéria Escura� Dispersão de velocidades em
aglomerados (Zwicky 1934)
2 K GE E= −Teorema do Virial
221 1 1
2 2 2i ii
GMm vR
⎛ ⎞− −⎜ ⎟
⎝ ⎠∑
22RvMG
Matériaescura
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Aglomerados em raios-x
Aglomerado de Hydra
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Aglomerado de comaComa no ótico
Coma em raios x
Mgás ~ 20 x MestrelasAinda assim matéria escura é 80%Gás é distribuido mais suavemente
Matériaescura
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Lentes Gravitacionais
“deformação” da trajetória da luz pelo espaço-tempo curvo
Imagens múltiplas
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Efeito Fraco de Lente Gravitacional
Deformação (e magnificação) dasimagens dasgaláxias
Orientação nadireção tangencial
Efeito estatístico
Matériaescura
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Comparação entre medidas da matéria escura em aglomerados
E. S. Cypriano, et al., astro-ph/0504036
z = 0.17Matéria escura é menos concentrada
• efeito fraco de lentegravitacional• emisão de raios-x• dispersão de velocidades⇒ concordam em ~ 20% (para aglomerados relaxados)
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astro-ph/9909252M33
matériaescura
disco estelar
gás
A Matéria Escura em Galáxias
� Curvas de rotação de galáxias
[ ]GM r
rV r
r( ) ( )2
2
=
Estimativa simples:
3 10Halo VisivelM M≈ −
Matéria escura é menos concentrada
Matériaescura
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Aglomerados de Galáxias� 3 formas de medir a massa com aglomerados:
� Movimento das galáxias (virial)� Lente gravitacional� Emissão de raios-x
Mgás ~ 20 x MestrelasAinda assim matéria escura é 80%Gás é distribuido mais suavemente
Hydra A no ótico
Hydra A em raios x
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Matéria Escura no UniversoEvidências:� Curvas de rotação de galáxias � Movimentos de galáxias e aglomerados (virial e grande escala)
� Fluxos de raios-X em aglomerados� Lentes gravitacionais� Efeito Sunyaev-Zel’dovichHá ~5x mais matéria escura que matéria usual!Não Bariônica: Não interage com a matéria bariônica
(não dissipa nem emite luz)Onde está a matéria “ordinária”?� Matéria visível (estrelas): 10%� A maior parte da matéria bariônica é “escura” (gás, planetas, BN)
A matéria escura é a componente - que se aglomera -dominante da densidade de massa do Universo
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A Estrutura em Grande Escala
Fazendo um “Mapa” do Universo
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Galáxias no HUDF
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Estrutura em Grande Escala
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Lei de Hubble (de Sitter)
Mapa 3D do Universo0v H d≈
v cz c λ λ= = ∆Efeito Doppler1
0d H cz−≈ exp pec na realidade v = v v +
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Estruturas complexas: Filamentos, paredes e bolhas,
contendo 80% da matéria luminosa
Mais de 220.000 galáxias
Mapa do Two Degree Field
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Fazendo um Mapa do Universo
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Imagens das galáxias (2D) ö Posição incluindo a distância (3D)
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Mapa 3D da Estrutura em Grande Escala
� 145.000Galáxias
0.02<z<0.22
� Corintínseca (g-r)
� Relaçãocor-luminosidade
� Relaçãocor-densidade“dedos de Deus”
vermelhos
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O Sloan Digital Sky Survey
Dados tornados públicos em 2005 (DR4):
� Cobertura angular de ~16% do céu� Fotometria de 180 milhões de galáxias, quasares e
estrelas� Espectro (desvio para o vermelho) de 565.715
galáxias, 76.483 quasares e 153.087 estrelas� 12 TB de dados� A fotometria já foi completada (9100 graus quadrados)
� Futuro: Dark Energy Survey, LSST
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As escalas no Universo
Existem cerca de 60 bilhões de galáxias no Universo observável!