O documento discute os principais conceitos da cosmologia, como a teoria do Big Bang, as fases da evolução do Universo, a existência da matéria escura e energia escura e o uso da espectroscopia para obter informações sobre corpos celestes.

1. TEMA 01:
COSMOLOGIA
Instituto Federal do Piauí – Campus Angical
Ensino Médio – 1º ano
Física
Prof. Ana Cristina

2. Figura 01: Quatro principais telescópios da instalação Very Large
Telescope, localizada no deserto do Atacama, Chile. Esse conjunto de
telescópios tem o objetivo de estudar a origem e a evolução do
Universo, além de detectar e caracterizar exoplanetas possivelmente
habitáveis.

3. O Universo observável tem bilhões de galáxias, e
cada uma abriga bilhões de estrelas. Por sua vez, cada
uma dessas estrelas pode ter um sistema planetário.
■ Será que existem outras formas de vida fora da Terra?
■ Como o Universo surgiu?
■ Ele está evoluindo?
Agências espaciais como a National Aeronautics and
Space Administration (Nasa), dos Estados Unidos, e a
European Space Agency (ESA), uma organização
intergovernamental europeia, mantêm alguns
equipamentos para esse fim.
Em junho de 2019 foi anunciado o mais novo
instrumento para detecção exoplanetas. Ele foi instalado
no complexo Very Large Telescope localizado no Chile e
operado pelo ESO, sediado na Alemanha. Esse
instrumento tem como objetivo estudar a origem e a
evolução do Universo, além de detectar exoplanetas com
água líquida em sua superfície em regiões do espaço onde
é possível que ela exista, ou seja, as zonas habitáveis

4. Como tudo começou?
A teoria do Big Bang

5. No início, o universo era denso e quente
Após bilhões de anos houve a expansão e de repente
A Terra esfriou
Os autótrofos surgiram
Neandertalis, ferramentas
A Muralha da China
Matemática, ciências
História e o mistério
Que começou com o big bang
Bang!

6. Como tudo começou?
A teoria do Big Bang
■ Atualmente a mais aceita para explicar o surgimento do
Universo;
■ Não explica totalmente algumas questões;
■ Todas as previsões matemáticas e medidas
observacionais realizadas até hoje a corroboram para
ela.
“O Universo surgiu de uma singularidade, ou seja,
algo muito pequeno equivalente ao conceito
geométrico de um ponto, que não tem dimensão.
Ela continha em si todo o conteúdo de matéria e
energia do Universo, em um estado inicial de
densidade e temperatura muito alto. Essa
singularidade passou então por um processo de
expansão”

7. As cinco fases da evolução do Universo
■ Universo
Primitivo
■ Era da
luz
■ Era das
trevas
■ Universo
atual
■ Futuro
distante
Figura 02: Diagrama com a representação temporal do Universo.

8. ■ Universo Primitivo
– Essa fase incluiu o primeiro picossegundo do
Universo, ou seja, tudo o que aconteceu entre o Big
Bang e a fração de tempo de 10−12s. Foi durante
esse período que ocorreu a inflação do Universo e a
separação das quatro forças elementares da Física:
fraca, forte, eletromagnética e gravitacional.

9. ■ Era da luz
– Durou quase 400
mil anos. A maior
parte da energia do
Universo nesse
período era
composta de
radiação em vez de
matéria.
– Alguns núcleos atômicos, constituídos de prótons e
nêutrons, se formaram nos primeiros dois minutos, a
maioria composta de hidrogênio, seguido por
deutério, hélio e alguns traços de lítio e berílio
(inferiores a 1%). Todos os outros átomos
representados na tabela periódica foram formados
posteriormente em outra fase, no núcleo de estrelas,
no processo de morte delas ou por impactos de raios

10. ■ Era das trevas
– Durou aproximadamente 1 bilhão de anos. Nessa fase,
o Universo esfriou o bastante para que se formassem
átomos neutros. Com isso, os fótons conseguiram
percorrer distâncias bem maiores sem que fossem
desviados pela matéria.

11. – Os átomos formados nesse período (hidrogênio,
deutério, hélio, lítio e berílio) emitiram uma radiação,
chamada de radiação cósmica de fundo. O mais incrível
é que os astrônomos conseguiram observar essa
radiação. É a evidência mais forte que sustenta a teoria
do Big Bang. No final da era das trevas surgiram as
primeiras galáxias e os primeiros aglomerados de
galáxias. O Universo começou a adquirir uma estrutura
similar à que observamos hoje.

12. ■ Universo atual
– É o período que se inicia após o primeiro bilhão de
anos e estende até os dias atuais. Tem idade estimada
em 13,8 bilhões de anos. Ao longo desse intervalo de
tempo não houve mudanças drásticas na estrutura do
Universo como um todo.

13. – O Universo permanece em expansão, embora em uma
escala menor; estrelas nascem, evoluem e morrem;
átomos com maior número de prótons que o hélio são
continuamente criados nos interiores estelares; e
galáxias evoluem, mas sem mudar a conformação do
Universo como o conhecemos e conseguimos explicar.

14. ■ Futuro distante
– não sabemos como será o futuro distante do Universo.
Componentes importantes como a matéria escura, e
principalmente a energia escura, que veremos mais
adiante, ainda são pouco conhecidos. Cenários
vindouros ainda são verdadeiros mistérios.

15. Modelo cosmológico padrão: matéria escura
e energia escura
■ Cosmologia
– área da Astronomia que estuda a ORIGEM, a
ESTRUTURA e a EVOLUÇÃO do Universo.
– Segue um modelo padrão que trata o Universo em
grande escala, chamado de λCDM (cold dark
matter).
■ Matéria escura
– A existência da matéria escura foi
provada em 1978 pela astrônoma
estadunidense Vera Cooper
Rubin
– Componente ainda pouco
conhecido;

16. – Não emite nenhuma radiação eletromagnética, nem
interage com ela.
– Exerce força gravitacional do mesmo jeito que a
matéria que conhecemos, por isso sabe-se da sua
existência.
– a responsável por exercer a atração gravitacional
extra necessária para explicar o movimento de
estrelas e galáxias.

17. ■ Energia escura
– Assim como a matéria escura, a energia escura é
um componente do Universo cujos efeitos são
observáveis, porém sua natureza ainda é
desconhecida.
– Sabemos que o universo está expandindo com uma
velocidade acelerada,
e foi dado o nome de
energia escura à
energia responsável por
essa aceleração.
– Não sabemos se
existe relação entre a
Matéria escura e a
Energia escura.

18. ■ Partículas elementares
De acordo com o chamado Modelo Padrão, toda a
parte observável do Universo (4,9%) é composta por três
tipos de partículas elementares:
– Partículas mediadoras das forças fundamentais:
toda interação fundamental ocorre através de uma
partícula mediadora da força; Ex.: fóton.
– Partículas de matéria:
■ Quarks (combinam-se para formar prótons e
nêutrons, por exemplo)
■ Léptons; Ex.: elétron

19. Atividades
1. Quais são as principais evidências observacionais para
a existência da matéria escura e da energia escura,
respectivamente?
2. (PUC-Campinas) Andrômeda é uma galáxia distante
2,3 ∙ 106anos-luz da Via-Láctea, a nossa galáxia. A luz
proveniente de Andrômeda, viajando a velocidade de
3,0 ∙ 105
km s−1
, percorre a distância aproximada até a
Terra, em km, igual a:
a) 4 ∙ 1015
b) 6 ∙ 1017
c) 2 ∙ 1019
d) 7 ∙ 1021
e) 9 ∙ 1023

20. ■ Espectroscopia
As ondas eletromagnéticas “são ondas progressivas
de campos elétricos e magnéticos” (HALLIDAY et al, 2009)
e, nas quais o campo magnético, o campo elétrico e a
direção de propagação da onda são necessariamente
perpendiculares entre si, por isso são ondas transversais.

21. A luz, que é um radiação eletromagnética pode
ser decomposta em uma distribuição de frequências
ou comprimentos de onda chamada de espectro
eletromagnético.

22. Curiosidade: boa parte da radiação que vem das
estrelas é barrada pela atmosfera

23. Nós conseguimos fazer essa decomposição passando
a luz branca através de um prisma.

24. Leis de Kirchhoff para a Espectroscopia
■ Um corpo opaco quente, independentemente dos três
estados físicos, emite um espectro contínuo.

25. ■ Um gás transparente – como os dos gases nobres –
produz um espectro de emissão, com o aparecimento de
linhas brilhantes. O número e a posição dessas linhas
serão determinados pelos elementos químicos presentes
no gás.

26. ■ Se um espectro contínuo passar por um gás à temperatura
mais baixa, o gás frio causa a presença de linhas escuras,
ou seja, será formado um espectro de absorção. Nesse
caso, o número e a posição das linhas no espectro de
absorção também dependem dos elementos químicos
presentes no gás.
Obs.: o gás frio mais absorve do que emite a radiação, por
isso a formação de linhas escuras

28. Por meio do espectro, podemos obter informações
relacionadas à temperatura do corpo que está emitindo a
radiação, ou até mesmo de sua composição química.
Quando observamos o espectro de uma estrela, vemos um
espectro contínuo com todas as cores e, sobrepostas a ele,
várias linhas escuras de absorção.
Entretanto, se a estrela estiver se aproximando da
Terra, essas linhas espectrais acabam sendo deslocadas
para comprimentos de onda menores, ou seja, para o lado
azul do espectro visível, e por isso esse efeito é chamado
de desvio para o azul.

29. Efeito similar ocorre no caso das estrelas que estão se
afastando da Terra, com a diferença de que os comprimentos
de onda observados são maiores do que aqueles esperados.
Portanto, o efeito é classificado como desvio para o vermelho.

30. ■ Efeito Doopler
– Ambulância se aproximando

31. ■ Lei de Hobble-Lemâitre e a expansão do universo
Dados observacionais obtidos desde a década de 1920
de objetos fora da nossa galáxia mostravam desvios
significativos para o vermelho. Observações posteriores
comprovaram esses resultados e revelaram que esse desvio
aumentava quanto mais distante estava o objeto.
Ainda na década de 1920, o padre e astrônomo belga
Georges Lemaître (1894-1966) explicou que os desvios para
o vermelho aconteciam porque o Universo estava se
expandindo. Ao se expandir, todos os corpos do
Universo que não estão ligados gravitacionalmente se
afastam uns dos outros e, portanto, é possível observar o
desvio para o vermelho em seus espectros.

32. O trabalho de Lemaître não foi bem divulgado para os
outros astrônomos do mundo, pois foi publicado em francês
e em uma revista científica com pouca repercussão. Alguns
anos mais tarde, o astrônomo estadunidense Edwin Powell
Hubble (1889-1953) apresentou um artigo com conclusões
semelhantes às de Lemaître. Porém, como publicou em
inglês e em uma revista bem conhecida no meio acadêmico,
os créditos do estudo acabaram sendo atribuídos somente a
Hubble.
Tornou-se então conhecida a chamada Lei de Hubble,
que em 2018 foi renomeada pela União Astronômica
Internacional como Lei de Hubble-Lemaître, expressa por
𝒗 = 𝑯𝟎𝑫
Esta lei é utilizada para calcular a velocidade com que
uma galáxia se afasta.

33. A cada Megaparsec a velocidade da galáxia aumenta o
valor da constante.
𝑣 = 𝐻0𝐷
Valor aproximado da constante de Hobble
𝐻0 = 74𝑘𝑚 𝑠
𝑀𝑝𝑐
Importante:
– Nem todas as galáxias obedecem essa lei; as
galáxias próximas à nossa sofrem uma influência
gravitacional;
– Qualquer observador em qualquer parte do universo
observa o mesmo fenômeno.

35. – Ambulância se afastando

36. – Ambulância passando

37. Revisão
09. (UFRGS) Os múons cósmicos são partículas de altas energias,
criadas na alta atmosfera terrestre. A velocidade de alguns desses
múons (v) é próxima da velocidade da luz (c = 3 · 108 m/s), tal que v2
= 0,998 · c2, e seu tempo de vida em referencial em repouso é
aproximadamente t0 = 2 · 10–6 s. Pelas leis da mecânica clássica,
com esse tempo de vida tão curto, nenhum múon poderia chegar ao
solo, no entanto eles são detectados na Terra. Pelos postulados da
relatividade restrita, o tempo de vida do múon em um referencial
terrestre (t) e o tempo (t0) são relacionados pelo fator relativístico
Para um observador terrestre, a distância que o múon pode percorrer
antes de se desintegrar é, aproximadamente, de:
a) 6,0 · 10² m
b) 6,0 · 10³ m
c) 13,5 · 10³ m
d)17,5 · 10³ m
e) 27,0 · 10³ m

38. 01. (UFRGS) Considere as afirmações abaixo, acerca da Teoria da
Relatividade Restrita.
I - O tempo não é absoluto, uma vez que eventos simultâneos em um
referencial inercial podem não ser simultâneos se observados a partir de
outro referencial inercial.
II - Segundo a lei relativística de adição de velocidades, a soma das
velocidades de dois corpos materiais nunca resulta em uma velocidade acima
da velocidade da luz.
III- As leis da natureza não são as mesmas em todos os sistemas de
referência que se movimentam com velocidade uniforme.
Quais estão corretas?
Apenas I.
Apenas II.
Apenas I e lI.
Apenas II e III.
I, II e III.