A Descoberta da Radiação Cósmica deFundo - Cosmologia
A Descoberta da Radiação Cósmica deFundo
Vanessa Amaral de França | comentários
Medindo a CMBR do Espaço
Eras Cósmicas Nucleossíntese Primordial
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
Relevância do Estudo da Radiação de Fundo Arno Penzias e Robert Wilson A Concepção Original de Gamow A Consagração
A Missão COBE Radiação Cósmica e Corpo Negro Origem da Radiação Cósmica de Fundo O Redshift Cosmológico
Evolução da Temperatura Evolução da densidade de Matéria Radiação x matéria Eras Térmicas
Formação do He primordial Formação dos Elementos Leves no Big Bang Densidade de Bárions Teoria x Observação
Ronaldo E. de Souza A Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo
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.
* História térmica do Universo * Formação dos elementos leves
* Abundância dos bárions * Parâmetros cosmológicos
* Formação das galáxias
* Formação dos aglomerados de galáxias
- 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.
Ponto Zero Fonte de Calibração -ff 0.1db=6.6K
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.
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!
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.
Penzias e Wilson foram agraciados com o prêmio Nobel de 1978 pela relevância da descoberta no entendimento do Universo.
Para estudar a radiação de fundo adequadamente é preciso utilizar experimentos a bordo de satélites para evitar a absorção atmosférica.
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.
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
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.
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?
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.
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
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.
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.
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.
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.
Os elementos químicos complexos não existiam no Universo primordial!
A formação do 4He primordial durou cerca de 5 minutos!
Devido à rápida expansão somente os elementos leves se formaram na fase da nucleossíntese primordial. Os elementos mais pesados foram sintetizados nas estrelas.
As taxas de reação dependem da densidade de bárions presentes no meio especificada através do parâmetro,