Física do Universo Rogério Rosenfeld

Instituto de Física Teórica-UNESP ICTP-SAIFR

Ensino Médio - 2017

O que é o Universo?

Powers of ten https://www.youtube.com/watchv=PbgSVh-gWVc https://www.youtube.com/watch?v=0fKBhvDjuy0 Cosmic eye (google) https://www.youtube.com/watch?v=jfSNxVqprvM

Cobra de Oroboro Micro e macro

Propriedades de partículas elementares influenciam o Universo

Como observar o Universo? Como observamos estrelas, galáxias, etc? Luz! E o que é luz? Uma onda eletromagnética Mas o que é uma onda?

Ondas eletromagnéticas

Galáxia Andrômeda observada em diferentes comprimentos de onda

Céu observado em diferentes comprimentos de onda

Céu observado com neutrinos!

Quem sabe sabe que não sabe Porque sabe que ninguém sabe E quem não sabe não sabe Porque ninguém sabe

L. Tatit e I. Assunção

Mas o que é “saber”?

Mas o que é “saber”? O método científico

observações modelos previsões

Caso o modelo descreva todos os fenômenos: sabemos! Caso contrário: não sabemos!

O que queremos saber? Quais são os constituintes mais fundamentais do Universo?

Quais são as leis que descrevem suas interações?

Por quê o Universo é o que é?

Pesquisa básica: não é feita visando aplicações

As respostas dependem da tecnologia disponível na época.

Exemplo

Exemplo Isaac Newton: lei da gravitação universal Fenômenos na Terra (queda da maçã) e no céu (movimentos de planetas) são regidos pelas mesmas leis!

Exemplo de sucesso

Le Verrier: estudou a órbita de Urano que apresentava anomalias. Conseguiu explicar a órbita irregular de Urano assumindo a existência de um novo planeta.

Em 1845 Le Verrier calculou a trajetória do novo planeta de acordo com a lei da gravitação de Newton e pediu ao astrônomo alemão Johann G. Galle que o procurasse. Em 23/09/1846 Galle descobriu Netuno.

Exemplo de sucesso

Exemplo de “fracasso”

Le Verrier: estudou a órbita de Mercúrio que apresentava anomalias. Conseguiu explicar a órbita irregular de Mercúrio assumindo a existência de um novo planeta: Vulcano

Vulcano não é encontrado!

A teoria da gravitação de Newton é incapaz de descrever a órbita de Mercúrio! Apenas em 1915 esse problema foi solucionado: a teoria da gravitação de Newton não é totalmente correta!! Uma nova teoria (novo paradigma) foi proposta: a teoria de gravitação de Einstein (Relatividade Geral) – mais acurada!

Uma nova teoria da gravitação - 1915

Equações de Einstein

Geometry

Matter/Energy/Pressure

Kolb

Matter tells space how to curve

Space tells matter how to move (J.A. Wheeler)

22

23

Explanation of the Perihelion Motion of Mercury from General Relativity Theory 25/11/1915

Uma revolução científica

Previsão: Deflexão da luz pelo Sol medida em um eclipse total em 29 de maio de 1919: expedições britânicas para a Ilha do Príncipe (Guiné) e Sobral!

Uma revolução científica

“After a careful study of the plates I am prepared to say that there can be no doubt that they confirm Einstein’s prediction. A very definite result has been obtained that light is deflected in accordance with Einstein’s law of gravitation.” 06/11/1919

Relatividade Geral prevê um novo tipo de onda: Ondas Gravitacionais – oscilações do próprio espaço

Vídeos

Antes disso – vida e morte de estrelas

Discovery in 1974 of the first binary pulsar

The first pulsar (pulsating radio star) was discovered in 1967 at the radioastronomy laboratory in Cambridge, England (Nobel Prize 1974 to Antony Hewish). Pulsar = neutron stars! Mass somewhat greater than that of the sun and a radius of about ten kilometres. (A human being on the surface of a pulsar would weigh some hundred thousand million times more than on Earth – Sun radius is 695.700 km)

Relatividade Geral: pulsar binário emite ondas gravitacionais

Relatividade Geral: pulsar binário emite ondas gravitacionais Período da órbita diminue com o tempo

Joe Weber (1919-2000) In the 1950s Weber calculated that he could detect them using large cylinders of ultrapure aluminum, about 2 meters in length and 1 meter in diameter. The stretching of space, he reasoned, would make the bars hum, vibrate, and ring with sound like jumbo tuning forks. Claimed to have detected them in 1970 – was not reproduced. In 1987 NSF starts funding LIGO.

1992

Fusão de estrelas de nêutrons ou de buracos negros (artístico)

A dança dos pares de buracos negros durou milhões de anos mas apenas ondas com frequências superiores a 20Hz podem ser detectadas pelo LIGO/Virgo

Primeira detecção direta de ondas gravitacionais: GW150914

GW150914 was produced by the merger of two black holes with masses of about 36 times and 29 times the mass of the Sun respectively, and that the post-merger black hole had a mass of about 62 times the Sun's mass.

If we compare the masses of the pre- and post-merger black holes, we see that the coalescence converted about three times the mass of the Sun (or nearly six million trillion trillion kilograms) into gravitational-wave energy, most of it emitted in a fraction of a second. By contrast the Sun converts a mere two billionths of one trillionth of its mass into electromagnetic radiation every second. In fact, the gravitational-wave power radiated by GW150914 was more than ten times greater than the combined luminosity (i.e. the light power) of every star and galaxy in the observable Universe.

Esse evento cataclísmico no Universo passaria desapercebido se não fosse o LIGO – não há luz emitida!!

Gravitational wave signatures detected by each observatory This graphic shows the data from each of the three observatories. The top graph shows the Signal to Noise Ratio - or roughly how significant the detection was. The middle graph shows the "chirp" or frequency shift across time. The bottom graph shows the wave form.

A partir da forma da onda gravitacional pode-se inferir (com uma incerteza) as massas dos buracos iniciais e do buraco negro resultante The most likely masses for the two black

holes are about 30 and 25 solar masses respectively.

Measurement of the GW170814 parameters

Ondas gravitacionais: uma nova astronomia Vamos aprender observando fusões de buracos negors e estrelas de nêutrons. Novos detectores a caminho – Índia e Japão E mais: detectores no espaço!!

LISA Pathfinder is paving the way for future missions by testing in flight the very concept of gravitational wave detection: it will put two test masses in a near-perfect gravitational free-fall and control and measure their motion with unprecedented accuracy. After sixteen months of science operations, LISA Pathfinder will complete its mission on 30 June 2017, having successfully demonstrated the technology to build ESA's future space observatory of gravitational waves.

Lançada em 3 de dezembro de 2015

As LISA Pathfinder approaches the end of its successful technology demonstration mission, ESA's Science Programme Committee has selected today the Laser Interferometer Space Antenna (LISA) as the third large mission (L3) in ESA's Cosmic Vision plan. LISA is a space-based observatory of gravitational waves consisting of a constellation of three spacecraft, with launch planned for 2034. In the LISA mission concept, six test masses will fly, two on each spacecraft. Each pair of test masses will be located at the end of the arm of the constellation, and will be linked to the others over millions of kilometres via lasers.