NASCIMENTO E ESTRUTURA
DO UNIVERSO
Unidade 1 – Das Estrelas ao Átomo
O esforço para a compreensão do Universo é uma das muito poucas coisas
que elevam a existência humana um pouco acima do nível da farsa e lhe dão algo do encanto da
tragédia.
Steven Weinberg, físico americano,
Prémio Nobel da Física em 1979
Objecto de ensino
• Breve história do Universo
• Escalas de tempo, comprimento e temperatura
• Aglomerados de estrelas, nebulosas, poeiras
interestelares, buracos negros e sistemas solares.
• Processo de formação de alguns elementos químicos no
Universo
• As estrelas como "autênticas fábricas" nucleares
• Algumas reacções nucleares e sua aplicações
• Distribuição actual dos elementos no Universo
O nascimento do Universo
Versão em português
Versão original
• Parte 1 de 5
• Parte 1 de 5
• Parte 2 de 5
• Parte 2 de 5
• Parte 3 de 5
• Parte 3 de 5
• Parte 4 de 5
• Parte 4 de 5
• Parte 5 de 5
• Parte 5 de 5
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Questões orientadoras
Partes 1 e 2
• Como é que os átomos que temos no nosso planeta
chegaram até aqui?
• O que havia no início?
• O que originou o Big Bang?
• O que observou Hubble?
• O que conclui com base nas suas observações?
• Quais são as limitações da teoria do Big Bang?
Questões orientadoras
Partes 1 e 2
• Após o Big Bang, nas primeiras fracções de segundo, o
que existe no Universo?
• Quais as primeiras partículas elementares formadas e que
idade tinha o Universo nessa altura?
• Qual o acontecimento importante no instante t = 3
minutos?
• Que idade tinha o Universo quando surgiram os primeiros
elementos químicos? Quais foram?
• Qual a importância das observações de Penzias e Wilson?
O nascimento do Universo
Teoria do Big Bang
- De acordo com a Teoria do Big Bang, o
Universo surgiu de um estado de grande
compressão e de temperatura e densidade
muito elevadas (praticamente infinitas).
- O Universo entrou em expansão, muito
rápida inicialmente (período de inflação) e
mais lenta posteriormente.
Na realidade, não houve um “Bang”, mas sim
um período de expansão extremamente
rápido, mais rápido que a velocidade da luz.
O nascimento do Universo
Teoria do Big Bang
Big Bang
origina
Universo de
• Tempo
• Espaço
• Energia
O nascimento do Universo
Teoria do Big Bang
- Com a expansão diminuiu a temperatura.
Big Bang : Expansão → Arrefecimento
-Aos t = 10-5 s e a T = 1013 K forma-se o “caldo inicial”,
isto é, matéria e radiação, as duas formas de energia do
Universo, que se interconvertem constantemente uma
na outra.
E = m c2
O nascimento do Universo
Teoria do Big Bang
O nascimento do Universo
Teoria do Big Bang
Hipóteses:
• universo é homogéneo e isotrópico (princípio
cosmológico)
• as leis da física são universais
• validade da teoria da relatividade geral
(Einstein, 1915)
Previsões teóricas:
• universo está em expansão
• radiação cósmica de fundo em microondas
• abundância dos elementos primordiais: H, He,
Li (nucleossíntese primordial)
O nascimento do Universo
Teoria do Big Bang
comprovação observacional
Previsão: Universo em expansão
Comprovado: Lei de Hubble (1929)
- Hubble verificou que as galáxias se
estavam a afastar umas das outras e
quanto mais longe estavam mais rápido
pareciam mover-se.
Lei de Hubble: existe uma relação linear entre a
velocidade de recessão das galáxias e a distância
às mesmas.
- Hubble concluiu que o universo está
em expansão. Mas, se o universo está em
expansão, então em algum ponto no
passado deveria ter sido infinitamente
pequeno .
O nascimento do Universo
Teoria do Big Bang
comprovação observacional
Previsão: Radiação cósmica de fundo
Comprovado: Penzias & Wilson (1964
- Penzias
e
Wilson
descobrem,
acidentalmente,
um
“ruído
rádio”
provenientes de todas as direcções do
cosmos na gama de microondas (T=2,7 K).
- Esta é a radiação existente no Universo
primitivo que, após os electrões se unirem
aos núcleos existentes para formar os
primeiros átomos, ficou a vaguear livremente
pelo espaço.
O nascimento do Universo
Teoria do Big Bang
comprovação observacional
Previsão: Radiação cósmica de fundo
Comprovado: Penzias & Wilson (1964
O nascimento do Universo
Teoria do Big Bang
comprovação observacional
Previsão: Radiação cósmica de fundo
Comprovado: Penzias & Wilson (1964
- Gamow, Alpher e Herman, em 1948,
previram a existência dessa radiação cósmica
de fundo.
- Estes determinaram que o desacoplamento
entre matéria e energia ocorreu quando o
universo atingiu um T = 3000 K e os electrões
se combinaram com os primeiros núcleos
atómicos, enquanto a radiação , agora
menos energética devido à expansão do
universo, evoluiria isoladamente da matéria.
O nascimento do Universo
Teoria do Big Bang
comprovação observacional
COBE – Cosmic Background Explorer
WMAP – Wilkinson
anisotropy Probe
Microwave
Previsão: Radiação cósmica de fundo
Observações mais recentes: COBE (1992)
WMAP (2003 - …)
O nascimento do Universo
Teoria do Big Bang
comprovação observacional
Previsão: abundância dos elementos primordiais: H,
He, Li (nucleossíntese primordial)
Comprovado: cálculos teóricos estão de acordo com
os dados observacionais
- A descoberta da radiação cósmica de fundo
de microondas permitiu o cálculo da
produção cosmológica de hélio, com base no
modelo teórico do Big Bang, apontando
valores ente 22% a 28% de hélio ( em massa).
O restante é praticamente hidrogénio.
O nascimento do Universo
Teoria do Big Bang
A favor…
Limitações…
• Expansão do Universo
Não consegue dar resposta a
questões como:
• Radiação cósmica de
microondas
• Por que ocorreu o Big Bang?
• Abundância relativa de
elementos leves no universo
• Como ocorreu?
• O que havia antes?
• Qual o destino do Universo?
Qual será o destino do Universo?
© Lynn Cominsky
Qual o destino do Universo?
Teoria do Universo oscilante ou Pulsátil
Verificar-se-á um retardamento progressivo da
expansão até à situação extrema de se inverter
o sentido de movimento das galáxias
Iniciar-se-á uma contracção do
Universo, que culminará com um novo
Big Bang, recomeçando tudo de novo.
Qual o destino do Universo?
Teoria da Expansão permanente
Defende que o Universo irá expandir-se
para sempre, com as galáxias a afastaremse continuadamente uma das outras
Qual o destino do Universo?
Teoria da Expansão permanente
Defende que o Universo irá expandir-se
quase indefinidamente, ou seja, acabará
por desintegrar-se.
Qual o destino do Universo?
Teoria do Estado Estacionário
Em 1948, Hoyle publicou a "Teoria do Universo Estacionário",
que rejeita a teoria do Big Bang.
Segundo Hoyle, o Universo não teria tido um início e a matéria é
criada continuamente. Segundo o Big Bang, matéria teria sido
formada toda de uma vez, no início do Universo.
Enquanto as galáxias se afastam
uma das outras, formam-se novas
galáxias nos intervalos, a partir de
nova matéria e formação
continua.
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