Tópicos Avançados em Física - Aula 04 - Cosmologia: história e geografia do Universo

[Música] olá hoje nós vamos falar de cosmologia que a história do universo ea geografia do universo a gente vai ver nessa aula que no universo as duas coisas aparecem juntas a história a evolução no tempo ea geografia distribuição no espaço a gente vai ver como o universo se expande como hoje em dia a gente descobrir o universo não só está se expandindo mas aceleradamente o que é um grande mistério ele também vai descobrir que o universo na verdade é feito de coisas que a gente não conhece e que a gente conhece é muito pouco o

universo apenas 4% feito de cor de matéria normal átomos que a gente está acostumado a ver e experimentar então vamos lá então a primeira a primeira coisa que ele quer mostrar pra vocês era lembrar que todos nós algum dia olhamos para o céu e vimos algo muito bonito que no caso aqui o vídeo que vocês viram é a via láctea na nossa galáxia e todo mundo experimenta essa sensação de olhar para o céu e imaginar o que tem no céu né desde os antigos isso é verdade a gente imagina aonde a gente veio pra onde

a gente vai do que a gente é feito ea cosmologia um pouco disso é contar essa história num uma escala maior de distância de tempo no universo todo então a primeira pergunta que nós vamos responder é o que é o cosmos tá certo o que é feito o que é qualquer quais são as distâncias quais são as escalas de tempo quais são os componentes do universo a primeira coisa que se deve fazer então é experimentar a explorar essas distâncias no universo ea gente já se depara com um problema que é o seguinte quando a gente

pega uma regra normal que é o que está acostumado a usar para medir distâncias a gente vai descobrir que essa régua é muito pouco apropriada para a gente descobrir essas instâncias características do universo essa régua média distância de uma maneira linear cada passo que a gente dá nessa régua a gente anda uma certa distância pode ser no caso aqui por exemplo um centímetro podia ser uma dependendo se você for uma formiga você pode andar um centímetro a cada passo se você for um homem uma mulher um metro mas essa maneira de explorar as distâncias não

vai funcionar para a tecnologia porque as escalas de de distâncias são muito grandes extremamente grandes então pra isso a gente vai precisar usar uma régua de um tipo diferente a gente vai ter que dar uma régua que em vez de a gente dá um passo de cada vez andar uma certa distância fixa a gente vai imaginar que a gente vai começar com uma distância que é característica daquilo que a gente está acostumado na nossa experiência cotidiana e cada passo que a gente der a gente aumenta por um fator de 10 essa distância então imagina que

você começa uma escala de 1 metro dá um passo você chega a 10 metros da dois passos em chegar a 100 metros da três passos mil metros um quilômetro e assim por diante dessa maneira da gente explorar o universo a gente pode chegar a uma regra é a realidade que a gente se torna a cosmologia então vamos levar esse essa essa maneira de andar pra frente vamos vamos chegar a 56 passos digamos e muitos outros passos a gente podia fazer o caminho inverso que é andar no país querida aqui no sentido que é como se

fizesse um zoom pra dentro agora e você começa de então de novo da escala de 1 metro e vai andando chegar em um centímetro ou um milímetro ou um mícron e assim por diante muito bem a gente agora experimenta esse tipo de maneira de explorar as distâncias ele vai descobrir que para você chegar nas instâncias características do universo a gente precisa andar nessa direção aqui nós possamos dar um número de passos que é assombroso nós possamos dar 22 passos nessa régua logarítmica bom isso aqui é o que a gente chama de uma régua logarítmica cada

passo então é um certo fator multiplicativo e não uma distância fixa que nós estamos andando então de fato é algo que é quase incomensuravelmente agentes que são 22 horas de magnitude maiores as escalas do universo que a gente está a acreditar observado hoje em dia só para colocar números pra vocês o universo tem um universo observável tem distâncias características de dezenas de bilhões de anos luz um ano luz é a distância que a luz que caminham a velocidade de 300 mil quilômetros por segundo caminha em um ano então a gente hoje em dia observa o

universo até à distância da ordem de dezenas de bilhões de anos luz então esses são os 22 passo que eu tô falando pra vocês muito bem então por que que a história geografia estão juntas e para isso eu fiz esse diagrama que vocês estão vendo em que a gente está aqui na terra observando galáxias no universo essa galáxia essa galáxia essa galáxia ou essa galáxia e quando eu tiro uma foto do universo e essa foto aqui uma foto particularmente interessante que mostra várias galáxias cada uma distância diferente da gente na terra a gente deve se

lembrar que a luz que hoje em dia a gente vê que chegou na terra partiu em momentos diferentes dessas galáxias tá então veja bem deixa eu voltar e se a animação a luz que saiu dessa galáxia saiu o primeiro depois dessa depois dessa depois dessa mas quando ele tira uma foto como essa que a gente tira agora no de um grande telescópio por exemplo ela está refletindo a luz que chegou agora mas lembre se então à luz que chegou dessa galáxia aqui que é um caminho uma distância muito maior porque a música mel desta galáxia

aqui então essa foto que a gente tira do universo ela mistura a história porque quando a luz saiu dessa galáxia o universo tinha por exemplo 2 bilhões de anos de vida e quando saiu dessa galáxia universo já tinha 10 bilhões de anos de vida por exemplo então quando a gente olha uma foto como essa aqui em que a gente ver dezenas de galáxias cada uma dessas galáxias aqui tá vendo de uma época diferente está significando uma época diferente uma distância quanto mais longe mais no passado essas fotos então estão revelando a história geografia ao mesmo

tempo muito bem vamos aprender alguma coisa mais um se agora que a respeito de como é que o universo se comporta é a primeira pessoa que descobriu isso foi o edson ramon um dos grandes astros do século 20 que apontou melhor telescópio da época este telescópio aqui no monte palomar para o céu e foi medir a distância para essas galáxias muito bem eo hubble descobriu que o universo ao longo do tempo está se expandindo essas distâncias entre todas as galáxias estão aumentando com o tempo muito bem como é que ele descobriu isso é ele descobriu

basicamente medindo a velocidade de afastamento das galáxias como função da distância está neste gráfico aqui o hubble descobriu que a velocidade e de afastamento das galáxias é diretamente proporcional a menos de uma constante à distância dessas galáxias essa constante de proporcionalidade chama se o parâmetro de rambo e o parâmetro robô tem um valor de 70 mais ou menos dois porque a gente não consegue medir as coisas perfeitamente em nenhuma circunstância principalmente em cosmologia 70 mais ou menos dois quilômetros por segundo por megaparsec isso significa que se você tem uma galáxia a 1 megaparsec de distância

da gente ela se afasta da gente com 70 quilômetros por segundo se ela tivesse a 26 parsec de distância ela estaria com uma velocidade que é o dobro disso 140 megaparsec 140 cento e quarenta quilômetros por segundo muito bem é ele descobriu isso como medindo as distâncias e velocidades para muitas e muitas galáxias 140 muito bem o que é um mega parsec por sinal uma distância característica em cosmologia unidades de astronomia um megaparsec são três pontos 26 milhões de anos luz tá então já é uma distância muito grande onde estão essas características de separações entre

as galáxias então que o hubble descobriu foi essa velocidade de expansão do universo que eu vou deixar claro em seguida porque é uma expansão do universo essa lei aqui é só notar que a gente vai votar esse assunto daqui a pouquinho que se ela fosse uma lei linear universo de se expandir a uma taxa constante se você tem uma cor vá que aponta para cima ela seria uma expansão desacelerada e se ela fosse uma curva que tem esse formato aqui como na cor amarela seria uma expansão acelerada a gente vai voltar isso ainda que é

um instante mas afinal de contas o que essa expansão do universo muito bem vamos imaginar então vamos fazer uma analogia imaginar que a gente é formigas nós somos formigas na superfície de uma bexiga e essa bixiga está inflando com o tempo aumentando de tamanho com o tempo tá certo então imagina aqui a gente mora aqui e eu não somos uma formiguinha nesse lugar aqui tem uma outra formiguinha que está parado em cima da bexiga ali certo essas duas formiguinhas porque essa bexiga stacy inflando ela a distância entre elas está aumentando com o tempo então esta

formiga que está nesta posição ver formiga que está aqui nessa outra posição se afastando dela com uma certa velocidade duas outras formigas que tivessem nesses dois pontos por exemplo a formiga que está nessa posição veria a formiga que está aqui nessa hora você não se afastando com a outra velocidade e essa velocidade seria tão mais tão maior quanto maior for a distância então a proporcionalidade entre a distância ea velocidade afastamento é por isso que a lei de hubble tem aquela proporcionalidade que mostrei no gráfico passado muito bem ea taxa de expansão do universo como é

que o universo se expande como é que explica isso matematicamente isso vai ser basicamente a única equação um pouquinho mais complicada que vamos ganhar pra vocês hoje aqui então imagina de novo a nossa bixiga está enfrentando com o tempo tá certo essa o tamanho dessa vez chega você pode imaginar que tal aumentando com o tempo com uma certa taxa tá bom então o tempo está passando nessa nessa nessa nessa direção aqui existe algo chamado um fator de escala é um certo número que indica a expansão desse universo muito bem a velocidade da expansão isso é

algo que vocês podem mostrar tá em um exercício então pra vocês essa velocidade será então proporcional à distância até um certo objeto no naco de uma formiguinha para o outro então a velocidade de afastamento das formiguinhas vai ser proporcional à distância com essa certa função hdt e um site estante t0 qualquer então essa velocidade é h 00 e isso é exatamente a própria lei de hubble bom com o parâmetro de rabo então como exercício pra vocês eu vou pedir que vocês demonstram que essa função do tempo é essencialmente a derivada daquele fator de escala dividido

pelo próprio fator de escala eu sei que vocês sabem o que é uma elevada e isso é muito fácil demonstrar e vocês podem descobrir a origem da lei de hubble e como ela se relaciona com a expansão do universo vamos agora é um pouco além dessa analogia tecnologia de formiguinhas em cima de uma bexiga é uma analogia complicada e vamos pensar de uma outra maneira agora vamos imaginar que a gente está agora mais realisticamente uma certa galáxias no universo aqui nesse ponto e nós vemos outras galáxias se afastando da gente a imagem se deve imaginar

aqui nesse momento é que existe um certo grid e esse próprio hughes grid está se expandindo o tamanho dessas células aqui de sigrid cada um deles está ficando um pouco maior em cada direção certo está se expandindo então todas essas células estão se afastando umas das outras você podia tomar por sinal o ponto de vista não desta galáxia se podia imaginar que você e te que vivem uma outra galáxia digamos esta outra galáxia aqui certo e nesse caso você via as outras duas galáxias afastando de você então não tem nenhum centro esse universo expansão acontece

de um lugar para outro ela não pega o universo e leva para um lugar que era antes vazio nada disso está muito bem então isso aponta para essa pra premiações essa analogia que estava fazendo das formiguinhas em cima da bexiga a gente não pode pensar nisso levará um absurdo não é que o universo tem um centro que fica no centro dessas bexigas aqui por exemplo tá certo nesse lugar nesse lugar está bom o universo não tem um centro não é que nós estamos no centro do universo dessa expansão acontece no universo todo tá certo o

universo é infinito em todas as direções muito bem então agora deixa eu contar alguma algo mais sobre a evolução do universo a gente sabe que o universo começou portanto se ele está se expandido ele começou num estado muito mais denso numa região muito menor do espaço e com o tempo foi se expandindo ou seja começou mais quente então o universo começou com uma sopa de partículas todas muito próximas uma temperatura muito alta uma densidade muito alta e significava que no começo do universo não havia sequer um núcleo atômico formado eram apenas prótons nêutrons e elétrons

e eron selos e não havia sequer um núcleo atômico formado então antes de três minutos ou 200 e segundo de idade não havia sequer um núcleo isso aconteceu a formação dos primeiros núcleos a chamada nucleossíntese primordial aconteceu depois desses três primeiros minutos quando a temperatura do universo caiu ele diluiu suficiente para formar os primeiros núcleos atômicos nesse momento você teve os primeiros núcleos que eram hidrogênio e hélio apenas se formando naquelas naquela fase do universo mas não tinha nenhum átomo como os que a gente está acostumado a ver hoje em dia os átomos eram todos

e humanizados então vocês estão vendo aqui são elétrons núcleos atômicos e luz ele estava todo separado em uma espécie de sopa primordial no plasma universo nessa época portanto era totalmente opaco tá o que aconteceu depois de aproximadamente 380 mil anos de idade do universo é que os átomos neutros se formaram os elétrons foram capturados pelos núcleos atômicos formando átomos neutros nesse instante a luz soltou então desapegou por assim dizer desses prótons e nêutrons e elétrons e caminhou livremente até gente até hoje e incrivelmente essa radiação chamada radiação de fundo a gente observa hoje eu vou

mostrar em seguida note que todas as galáxias que tem no universo se formaram muito depois desse instante aqui ao longo de vários bilhões no caso 13.8 bilhões de anos de vida muito bem hoje em dia a gente apontando telescópios muito sofisticados para todo o céu como esse que vocês estão vendo esse filme a gente de fato observa essa radiação que soltou da matéria quando o universo tinha 380 mil anos de idade ea gente uma peça radiação no universo ea gente tem um mapa hoje em dia que a gente observa toda a radiação está distribuída nesse

universo que vêm dessas distâncias muito grandes essa radiação cósmica de fundo a gente mapeia como se fosse um a mud só que virado ao contrário configura mostrando tá isso mostra um universo que é é é que era extremamente homogêneo no início tá bom vocês estão vendo aqui são pequenas exageradas flutuações de temperatura em alguns lugares do universo era mais quente outro mais outro lugar será mais frio as diferenças entre os lugares mais quentes mais filhos eram de apenas uma parte em 10 mil 100 mil é incrível então universo começou no estado muito homogéneo muito todos

os lugares eram muito parecidos muito iguais isso vocês estão vendo aqui no meio a essa grande faixa não é algo que seja de origem cosmológica simplesmente o fato de que a nossa galáxia a gente está dentro da nossa galáxia gente não consegue sair da nossa galáxia para observar o universo é como se tivesse uma faixa uma nuvem na nossa frente que é a nossa galáxia então isso aqui não tem nada que ver com essa observação do universo muito distante quando o universo tinha só 380 mil anos todo o resto é muito bem então agora alguns

mistérios algumas coisas interessantes que acontece na cosmologia eu falei para vocês que no começo do universo até os três primeiros minutos apenas hidrogênio e hélio se formaram os núcleos de hidrogênio e hélio porém toda a vida tudo que a gente tem na terra nos planetas no sol e setra você tem todos os outros elementos carbono nitrogênio oxigênio todos elementos fazem a vida por exemplo então a pergunta é se esses elementos não foram formados no universo início quando eles foram formados e como eles vieram parar aqui nos nossos corpos bom ea resposta para isso é incrível

a resposta para isso é que esses elementos foram cozidos dentro de estrelas estrelas tem luminosidade por conta de gás ou energia por conta de fusão nuclear essa fusão pega átomos leves fund eles para tornar pra fazer átomos mais pesados mas não adianta nada você tem um ato mais pesados como carbono hidrogênio oxigênio dentro de uma estrela ele afinal de contas eu parar no nosso corpo é porque ele saiu de dentro de uma estrela como é que ele saiu dentro de uma estrela a resposta é que as estrelas às vezes explodem como é o caso aqui

dessas estrelas que eu mostrei pra vocês esses vídeos a sttrans supernovas chamadas e elas ao explodir ejectou no espaço essa matéria que depois com agulha novamente para formar novos sistemas solares planetas e assim por diante então todos os atos têm no seu corpo que não sou hidrogênio e hélio vieram do interior de alguma estrela que explodiu muito bem mistério do universo afinal de contas a gente não sabe tudo sobre cosmologia tem muitos mistérios e os principais são o ministério da energia e da matéria escura muito bem o que é a matéria escura que descobri isso

foi o fritz zwicky um astrônomo suíço em 1933 e ele descobriu isso olhando para a velocidade de galáxias em grupos que eram são estruturas em que as galáxias se atraem uma das outras os vi que descobriu o seguinte que as velocidades desses grupos de galáxias eram muito grandes aqui é uma equação provavelmente a mais longa desta aula que comparar a energia cinética das galáxias nesse grupo com a energia potencial gravitacional das galáxias estão ligadas a essas duas têm que ser comparáveis muito bem agora vou fazer um cálculo rápido e lembrar que a soma da energia

cinética todas as galáxias que está aqui ea soma da energia potencial significa que a gente pode cortar a soma para todas as galáxias do lado esquerdo do lado direito como tô fazendo ali certo e calcular então simplesmente a velocidade de cada uma dessas galáxias e compará-los com a energia potencial muito bem os vi que fez exatamente isso ele descobriu que as velocidades das galáxias eram muito maiores do que a força gravitacional só da massa que tinha estrelas em gaza essas galáxias então ele descobriu que pra você ler pra você explicar essas velocidades você tinha que

adicionar uma certa quantidade de matéria nessas grupos de galáxias que ele chamou de matéria escura ea matéria invisível muito bem é claro que ele estava tapando um buraco mas alguns anos depois a velha ruben foi uma das grandes astrônomos também do século 20 descobriu a matéria escura de uma outra maneira nas galáxias ela fez o seguinte ela pegava uma galáxia espiral como essa que vocês estão vendo essa foto e medir a velocidade de rotação uma galáxia muito parecida com o sistema planetário tá certo e agora só derrotar são deve ser muito parecido como o planeta

gira em torno do sol então se a matéria da galáxia tá limitada até uma certa distância assim como a massa do sol tá só uma certa posição à medida que a gente se distancia da sãs do centro da galáxia a velocidade de rotação tem que cair assim como os planetas têm uma velocidade rotação cada vez menor quanto mais longe dos olhos estão então deveria passar por essa curva vermelha porém o que era ruim observou era que a velocidade medida dessas galáxias ficava mais ou menos constante era como se a medida que você tivesse mais longe

do centro da galáxia você continuasse até matéria em volta muito bem então essas órbitas supostas pela vera ruben seriam que pleno sentido de que a velocidade e sem tripé tá é exatamente contra avançada ou explicada pela aceleração da força da gravidade com uma massa uma certa massa central ou se a massa depende da distância como neste caso aqui essa velocidade deveria cair como a massa dentro de um certo raio que vivido pelo raio aproximadamente então o que ela percebeu foi que tinha uma quantidade muito grande de matéria não visível em galáxias assim como existia ou

como o flick percebeu que havia uma coisa grande quantidade de matéria não visível nos grupos de cooperados de galáxias muito bem outro grande mistério da cosmologia é a chamada energia escura e isso começou com aquele gráfico que eu mostrei pra vocês que hoje em dia a gente midwest essa expansão ea taxa de expansão é com mais detalhes de perceber que essa participação é acelerada e isso é absolutamente inesperado aqui estão dois modelos de como é que o universo poderia ter evoluído é a gente até muito pouco tempo atrás achava que o universo se expande uma

forma desacelerada porque a gravidade da matéria puxa a matéria e portanto desacelera uma expansão da certa matéria normal desacelere desaceleraria a expansão porém que se o que se observou através de observações de supernovas distantes é uma série de observações astronômicas fantástica nos anos nossas 97 98 99 foi que a celebração essa essa expansão está acelerada muito bem ninguém sabe ao certo a causa disso essa expansão acelerada seria causada por uma forma nova de matéria e energia a gente não sabe que a gente dê um nome pra ela chamada de energia escura é portanto uma forma

completamente exótica e desconhecida da física então é dois grandes mistérios acometem a cosmologia matéria e energia escura as únicas evidências dessas duas formas de matéria e energia são astronômicas não há evidências no planeta terra em experimentos a matéria escura é um pouco mais fácil de encaixar na física porque existem partículas na física que são invisíveis tais como os neutrinos mas outros não são matéria escura porque eles são muito leves a matéria escura é um problema mas não é um problema muito grave é um mistério mas é um homem sério grave muito bem a energia escura

por outro lado é um grande mistério e não tem nenhum lugar na física é um corpo do professor ea moderna ninguém sabe muito bem o que é feito e como ela se encaixa no resto da física não só para terminar que dá um resumo do universo em pouquíssimas palavras a idade do universo hoje em dia com uma barra de erro muito pequena da ordem de 2% é de 13.8 bilhões de anos a densidade média do universo é baixíssima é da ordem de 10 a menos 28 gramas por centímetro cúbico ou aproximadamente um átomo de hidrogênio

por metro cúbico vocês podem pensar dessa maneira que é um pouco mais intuitivo a taxa de expansão é 70 quilômetros por segundo por megaparsec e a iaa a informação mais interessante aqui é que os átomos aquilo do qual nós somos feitos de toda a matéria visível é feita são apenas 4% de tudo que existe no universo 21% aproximadamente são feitos de matéria escura e 75% de energia escura então tudo que tem que a gente conhece que não somos familiares que estão aqui neste gráfico estão a apenas em 4 por cento do que o universo 96

por cento do universo então essas duas formas que a gente não conhece que a matéria é energia escuras então pra concluir o universo é um lugar cheio de mistérios cheio de coisas que a gente não entendi a gente consegue medir algumas propriedades interessantes com expansão até expansão acelerada mas o que está por trás disso e como é que a física vai mudar quando ele descobrir essas novas formas de matéria e energia a gente ainda não sabe então com isso encerra ao de cosmologia [Música] [Música] [Música]