FORMAÇÃO DAS GRANDES ESTRUTURAS DO UNIVERSO

1. FORMAÇÃO DAS GRANDES ESTRUTURAS DO UNIVERSO

2. FINAL DA ERA RADIATIVA : Formação dos primeiros elementos Íons: 4He, 2H, 7Li Época da recombinação átomo de H universo transparente aos fótons radiação cósmica de fundo

3. Após a era radiativa : formação das grandes estruturas grupos (~1 Mpc) aglomerados (n Mpc) (1015 M) superaglomerados (50-100 Mpc) (1016 M) • galáxias estruturas filamentares • vazios

4. +denso O começo da formação das estruturas FLUTUAÇÕES DE DENSIDADE = inomogeneidades do universo primitivo (produzidas no início da inflação?)

6. Cenários principais para a formação das estruturas: TOP-DOWN 1) formação de estruturas de dimensões de super-aglomerados fragmentação em galáxias modelo das panquecas Entre os aglomerados há formação natural de vazios

7. BOTTOM-UP 2) formação de estruturas de dimensões de galáxias anãs ou de aglomerados globulares estruturas maiores formadas pelo agrupamento gravitacional de estruturas menores modelo hierárquico

8. P FG EVOLUÇÃO DA FLUTUAÇÃO DE DENSIDADE Condições em que ocorre o colapso gravitacional modelo simples para o colapso gravitacional massa de Jeans colapso FG > P

9. Dada uma condensação de tamanho L, pode-se ter uma estimativa das condições em que ela colapsa tS = tempo que leva uma onda sonora para atravessar a condensação Comparação entre tC = tempo de queda livre do colapso tS = mede a escala de tempo de atuação da pressão (como o meio se comporta submetido a uma onda mecânica) tC = tempo de contração da condensação a um ponto, sob ação de sua auto-gravidade com P=0

10. L Tempo que o som leva para atravessar a condensação de comprimento L Tempo de colapso da condensação Definição: LJ = comprimento de onda de Jeans, tal que tS=tC comprimento limite de equilíbrio entre P e FG L < LJ pressão impede o colapso (condensação oscila) L > LJ  pode haver colapso

11. Massa de Jeans: é a massa mínima para a qual a pressão não pode impedir o colapso se M > MJ a condensação colapsa

12. Cálculo da MJ supondo um universo inteiramente bariônico Matéria visível e dark matter = bariônica Partindo da equação de continuidade de um fluído e da equação de movimento de um elemento de fluído (considerando que o gás inicialmente está em equilíbrio estático com vo=0, =o e P=Po) velocidade do som constante na era radiativa Na era radiativa :

13. mat  R-3 • ~ R  R-4 T  R-1 Considerando: MJ T-3 No final da era radiativa cresce com t pois T diminui MJ no final da era radiativa :  ~ mat e z~1000 Sabendo que :

14. M Logo no final da era radiativa : Após a época da recombinação  matéria domina supondo que a maior parte da matéria bariônica é H comporta-se como um gás ideal monoatômico: para o H temperatura da matéria (associada aos movimentos peculiares que diminue com a expansão)

15. Como a expansão é adiabática : razão de calores específicos Para o H   = 5/3  Tmat R-2 Logo na era da matéria vS R-1 ; como  ~ mat  R-3 depois da recombinação MJ diminui com t MJ R-3/2

16. M M mat ~ 210-20 0h2 g/cm3 Considerando Final da era radiativa (que quase coincide com a época da recombinação) e Tmat ~ 104 K e cai com cerca de 12 ordens de grandeza com o final de era radiativa e o começo da matéria antes

17. flutuação de densidade = quantificação da condensação de matéria  = excesso de densidade da condensação em relação à densidade  Flutuações não conseguem crescer durante a era radiativa  radiação interage fortemente com a matéria  congelada Só evoluem após a era da recombinação  matéria e radiação desacoplam • Crescem como   R(t)  até se destacar da expansão quando • = 1  elas expandem até um certo raio e depois começam a se contrair

18. rad mat A massa das 1as estruturas dependem do tipo de flutuação Durante a era radiativa:  Se a flutuação for isotérmica : matéria flutua numa “sopa” uniforme de fótons Após a recombinação as 1as condensações a colapsar tem MJmat ~ 106(oh2)-1/2 M  comparáveis a galáxias anãs ou aglomerados globulares Galáxias e aglomerados agregam-se  BOTTOM-UP HIERÁRQUICO

20. rad mat  Se a flutuação for adiabática : fótons e matéria flutuam junto a difusão dos fótons suprime as condensações com M < Mmin partículas materiais tendem a aglomerar-se, mas os fótons exercem pressão e tendem a dispersa-las. logo na época da recombinação, todas as condensações com M < Mmin terão sido dissipadas MD ~ 1012(oh2)-3/2 M ~ a massa das galáxias + luminosas

21. Embora MJmat ~ 106M as 1as estruturas a colapsar tem massa ~ MD , pois as de M menor já teriam sido dissipadas durante a ERA RADIATIVA . As estruturas que colapsaram não são necessariamente esféricas, como são grandes podem se contrair mais numa direção do que em outra  estruturas filamentares ou achatadas TOP-DOWN (panqueca) Nas regiões centrais das panquecas, o gás se resfria e se fragmenta com M similares a galáxias depois cada galáxia se subfragmenta  estrelas  TEORIA DA FRAGMENTAÇÃO

23. NO ENTANTO… ~ 1980 : estruturas não podem ser formadas pela contração gravitacional levando-se em conta somente a matéria “normal” (bariônica) Razões principais: 1) Final da era radiativa (antes do desacoplamento da radiação da matéria) : intensa radiação não permite a contração gravitacional das flutuações haveria a contração somente depois do desacoplamento

24. 2) observação de pequenas flutuações após o desacoplamento: radiação cósmica de fundo flutuações na T de 1 parte em 105 em escalas de 100 ou mais Com a matéria bariônica, qualquer variação de densidade antes do desacoplamento  variação na T (regiões + densas = regiões + quentes)  as flutuações são maiores do que é observado

25. 3) Quasares formados a z = 5  o processo de formação deveria estar bem estabelecido pelo menos em z ~ 10-20 4) A matéria que se contrai deve sobreviver à expansão do universo  cálculos mostram que as massas pré-galácticas devem crescer em densidade por um fator de ~ 50-100 vezes no tempo estimado (z ~10-20) as pequenas flutuações observadas pela radiação cósmica de fundo não podem dar origem às galáxias neste tempo o universo ainda seria ± homogêneo no t que deveria ter galáxias já formadas

26. Ou seja: se galáxias foram formadas por flutuações de densidade da componente bariônica da matéria do universo primitivo, as flutuações deveriam ser tão grandes que certamente levariam a “impressões” observáveis na radiação cósmica de fundo. ESTA “IMPRESSÃO” NÃO É OBSERVADA!

27. MATÉRIA ESCURA A existencia da matéria escura dá uma explicação natural para as estruturas em larga escala que observa-se hoje. Natureza da dark matter: interage fracamente com a matéria bariônica e a radiação  a contração não seria atrasada pelo campo de radiação  as flutuações começariam a crescer bem antes do desacoplamento matéria-radiação (z ~ 6000) • Matéria escura não é diretamente ligada com a radiação • flutuações seriam grandes no tempo do desacoplamento • sem haver efeito na radiação cósmica de fundo

28. Figura – a matéria escura determina a distribuição de massa no universo e está agrupada para formar a estrutura em larga escala sem violar qualquer vínculo observacional

29. Em tempo bem mais avançados, matéria bariônica é “atraída” por gravidade a regiões de + alta densidade  forma galáxias e aglomerados de galáxias Este cenário explica porque tanta matéria escura é encontrada em halos em volta de galáxias visíveis (medidas por raios X, dinâmica) A matéria luminosa é fortemente concentrada perto dos picos de densidade

30. Propriedades da matéria escura para simular a formação de estruturas Dois tipos: Indicam a velocidade da partícula de matéria escura quando ela se desacoplou do resto da matéria bariônica do universo • Quente • Fria

31. 1) QUENTE Ex:   desacoplamento em T ~ 1011 K (t ~ 0.3 s) M ~ 30 eV : relativísticos na época do desacoplamento Simulações com universo preenchido por matéria escura quente: super-aglomerados e vazios formam-se naturalmente, mas não consegue-se formar estruturas de escalas menores  pequenas estruturas de material quente tendem a dispersar-se O tempo para formação de estruturas menores é muito grande, incompatível com o observado…

32. 2) FRIA Partículas não relativísticas (v << c) na época do desacoplamento radiação matéria Ex: formada durante a fase GUT : bósons de Higgs prevê a maior quantidade de matéria em relação à anti-matéria Simulações mostram que este tipo de matéria facilmente reproduz estruturas de pequena escala

33. Galáxias formam-se preferencialmente em regiões + densas também podem produzir estruturas em larga escala! Mas o que se obtêm das simulações é um no bem menor de estruturas em larga escala do que observa-se Simulação + bem sucedida : mistura de quente + fria : explica melhor as observações mais ainda têm-se muito o que avançar