Universo em Expansão e Modelos de Friedmann
O universo está em expansão: galáxias distantes afastam-se com velocidades proporcionais à sua distância, um comportamento capturado pelos modelos de Friedmann da relatividade geral que descrevem um cosmos homogêneo e isotrópico cuja escala cresce com o tempo.
Definition
O universo em expansão é descrito por um espaço-tempo homogêneo e isotrópico cuja métrica de Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker possui um fator de escala dependente do tempo; as equações de Friedmann relacionam a taxa de expansão ao conteúdo de energia e à curvatura espacial, e a lei de Hubble-Lemaitre expressa a proporcionalidade observada entre a velocidade de recessão e a distância.
Scope
Esta área abrange a estrutura dinâmica da cosmologia moderna: a lei velocidade-distância de Hubble-Lemaitre e a interpretação do desvio para o vermelho como expansão cósmica, a métrica de Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker e as equações de Friedmann que governam o fator de escala para eras dominadas por matéria, radiação e energia escura, a geometria espacial e os parâmetros de densidade do universo, a escada de distâncias cósmicas usada para medir a constante de Hubble, e o papel da relatividade geral como a teoria governante da dinâmica cósmica.
Sub-topics
Core questions
- Por que quase todas as galáxias se afastam de nós, e o que isso nos diz sobre o universo?
- Como as equações de Friedmann ligam a taxa de expansão ao conteúdo do cosmos?
- Qual é a geometria espacial do universo e como ela é medida?
- Como a constante de Hubble é determinada, e por que diferentes métodos discordam?
Key concepts
- Fator de escala
- Desvio para o vermelho
- Constante de Hubble
- Métrica FLRW
- Densidade crítica
- Parâmetro de densidade
- Curvatura espacial
- Distância comóvel
Key theories
- Modelos cosmológicos FLRW
- Um universo homogêneo e isotrópico é descrito pela métrica de Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker com um único fator de escala dependente do tempo e uma constante de curvatura, fornecendo a espinha dorsal geométrica para todos os modelos cosmológicos padrão.
- Equações de Friedmann
- A aplicação das equações de campo de Einstein à métrica FLRW produz as equações de Friedmann, que relacionam a taxa de expansão e a aceleração do fator de escala à densidade de energia, pressão e curvatura espacial do universo.
- Lei de Hubble-Lemaitre
- A velocidade de recessão de uma galáxia distante é proporcional à sua distância, sendo a constante de proporcionalidade o parâmetro de Hubble; esta relação empírica estabeleceu que o universo está em expansão em vez de estático.
Clinical relevance
A estrutura do universo em expansão sustenta todo o modelo do Big Bang: ela define a idade e o tamanho do universo observável, estabelece a relação entre o desvio para o vermelho e o tempo de "olhar para trás" usado para interpretar cada observação cosmológica, e fornece o palco dinâmico no qual a nucleossíntese, a recombinação e a formação de estruturas se desenrolam.
History
Friedmann derivou soluções de expansão e contração da relatividade geral em 1922, e Lemaitre as associou independentemente aos desvios para o vermelho de galáxias em 1927; a relação distância-velocidade de Hubble de 1929 forneceu confirmação observacional, e a métrica de Robertson-Walker formalizou a geometria homogênea isotrópica, estabelecendo juntas o universo em expansão como o fundamento da cosmologia moderna.
Debates
- A tensão de Hubble
- As medições da constante de Hubble a partir da escada de distâncias local são sistematicamente mais altas do que o valor inferido do fundo cósmico de micro-ondas dentro do modelo padrão, uma discrepância de vários desvios padrão que pode sinalizar nova física ou sistemáticas não reconhecidas.
Key figures
- Edwin Hubble
- Georges Lemaitre
- Alexander Friedmann
- Howard Robertson
- Arthur Walker
Related topics
Seminal works
- friedmann1922
- hubble1929
Frequently asked questions
- O universo está se expandindo para algo?
- Não: a expansão descreve o próprio espaço se esticando, de modo que as distâncias entre galáxias distantes aumentam com o tempo. Não há um espaço externo para o qual o universo se expanda; os modelos de Friedmann descrevem a geometria intrinsecamente sem referência a qualquer exterior.
- A expansão cósmica significa que as galáxias se movem mais rápido que a luz?
- Galáxias suficientemente distantes de fato se afastam mais rápido que a luz, mas isso é permitido porque é a expansão do espaço, e não o movimento através do espaço; o limite de velocidade da relatividade especial se aplica apenas ao movimento local, não ao crescimento das distâncias cosmológicas.