INT R ODU ÇÃO À AS T R ONOMIA AGA-210

1. Int rodução

(J .H evel ius , 1968, p.46)

A pata diantei r a di r ei ta do Centaur o as s enta s obr e o

s i s tema es telar t r iplo αα-Centaur i , ou T ol iman. Nos s as vi z inhas mai s pr óx imas .

IAG/U S P E NOS P ICAZ Z IO

Introdução à Astronomia - AGA210 Prof. Enos Picazzio

1 - 2

1. I nt rodução

1.1 Olhando para o céu. A visão geocêntrica. Com o crescimento contínuo das cidades, fomos nos afastando cada vez mais do campo e das regiões despovoadas. O desenvolvimento, até por questão de segurança, fez com que a iluminação artificial noturna se estendesse por grandes regiões. Uma olhada do topo de um edifício, por exemplo, é suficiente para se ter uma idéia sobre o que estamos falando. Juntamente com o desenvolvimento vieram as variações do microclima local e a poluição. Nuvens finas ou espessas, de vapor d’água e/ou de partículas em suspensão, se estendem sobre regiões extensas, espalhando ainda mais a luz artificial noturna. O resultado é esse que vemos hoje: perdemos a visão do céu noturno. Quando temos a oportunidade de estarmos em um local oposto ao que foi dito acima, no campo, por exemplo, mesmo sem auxílio de instrumentos podemos constatar a beleza do céu. São inúmeros astros de tamanhos e cores diferentes a pontilhar o fundo negro tal como pequeninas lâmpadas. Os mais numerosos são estrelas, de tamanhos aparentes, brilhos e cores diferentes. Suas cores vão desde o branco azulado até o avermelhado. O Sol é uma delas, é a “nossa” estrela. É graças ao calor por ele emanado que estamos aqui descrevendo essa beleza natural. Os planetas formam um outro grupo de astros, alguns aparentemente grandes (Vênus, Marte, Júpiter, Saturno) quando vistos a olho desarmado, outros imperceptíveis (Urano, Netuno e Plutão). Assim como as estrelas, eles também têm cores distintas, mas, ao contrário daquelas, eles movem-se em relação ao fundo estrelado céu.

Presos aos planetas, como se fossem membros de uma família, estão os satélites. O mais conhecido deles é a Lua, o nosso satélite. Os demais só podem ser vistos com auxílio de instrumentos; um binóculo já é suficiente para vermos os quatro maiores satélites de Júpiter.

Há, ainda, objetos mais exóticos, por isso mesmo mais raros, como os cometas e os meteoros (rastros luminosos decorrente da passagem de um meteoróide pela atmosfera terrestre).

Essa beleza celeste se torna ainda mais exuberante quando dispomos de instrumentação que nos auxilie a enxergar o céu com mais profundidade, isto é, ver objetos com brilhos mais débeis. Grandes telescópios nos revelam imagens fantásticas de objetos bastante exóticos, como supernovas, nebulosas, galáxias etc.

É uma beleza indescritível. Por isso, quando tiver oportunidade, contemple o céu para constatar por si próprio sua beleza. Se mesmo assim isto não o impressionar, pelo menos você terá passado momentos de tranqüilidade e, se tiver sorte, poderá até adormecer despreocupadamente tal como costumava fazer quando era criança.

1.2 Os astros Podemos descrever a estrutura do Univers de forma bastante simplificada bastando, para tanto, agrupar os objetos celestes em sistemas e discutir superficialmente suas propriedades. 1.2.1 O Sistema Solar Comecemos pelos astros que nos cercam. A Terra é um dos objetos que pertencem a um sistema chamado Sistema Solar (SS) (Figura 1.1). O astro principal é o Sol, a única estrela

Introdução à Astronomia - AGA210 Prof. Enos Picazzio

1 - 3

desse sistema. Sozinho ele detém praticamente toda a massa do SS (99,9%), o que lhe confere um campo gravitacional capaz de manter unido esse sistema de corpos. Seu brilho provém da energia produzida pelas reações termonucleares que ocorrem no seu núcleo. Lá, a temperatura é da ordem de 15 milhões de graus! Lantamente, essa energia chega à sua superfície (fotosfera), atravessa a atmosfera (cromosfera e coroa), que só pode ser vista com equipamentos especiais, ou durante um eclipse total do Sol, e é irradiada para o espaço. Além da luz, o Sol emite também gás quente e magnetizado (plasma) e partículas eletricamente carregadas (vento solar), que varrem todo o espaço interplanetário.

Figura 1.1 Representação esquemática (fora de escala) do Sistema Solar.

Os planetas são corpos que orbitam o Sol sob a influência de seu campo gravitacional. São nove planetas: Mercúrio, Vênus, Terra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano, Netuno e Plutão. Com exceção dos dois primeiros, todos os planetas têm satélites. Estes, orbitam seus planetas de forma semelhante aos planetas que orbitam o Sol. Alguns são tão grandes quanto os menores planetas (Europa, Ganimedes – satélites de Júpiter - e Titã – de Saturno), mas a maioria deles tem pequenas dimensões. Os asteróides são planetésimos1 (os maiores) ou fragmentos rochosos (os menores) que circulam o Sol em órbitas bastante diversificadas. Os cometas são os astros mais exóticos, de aparência variável no tempo e de aparição muitas vezes imprevisível (cometas novos ou de longos períodos). Finalmente, os menores corpos do SS são os meteoróides: fragmentos de rocha de diferentes tamanhos e composições químicas, que vagam pelo espaço. Algumas dessas rochas cósmicas caem na Terra. Quando sobrevivem à passagem pela atmosfera terrestre, atingem a superfície e, quando encontrados, passam a ser chamados “meteoritos”.

1 pequenos corpos, ou planetas pequeninos, em sua maioria menores que os satélites..

Introdução à Astronomia - AGA210 Prof. Enos Picazzio

1 - 4

Qual a dimensão do SS? Talvez a resposta mais correta seria: depende do referencial. Se considerarmos o limite como sendo aquele delimitado pelo último planeta, o diâmetro do SS será cerca de 40 UA2. No entanto, há outros corpos menores além deste limite. Os objetos mais distantes são os cometas da Nuvem de Oort. Eles nunca visitaram as regiões internas do SS, e circulam o Sol dentro de uma concha esférica que vai de 50.000 a 150.000 UA. Com a instrumentação disponível é impossível observar um corpo com, no máximo, algumas dezenas de quilômetros de diâmetro nessa distância, por isso a Nuvem de Oort é ainda uma previsão teórica que têm como grande suporte a estatística de órbitas cometárias. A estrela mais próxima do Sol é a Próxima Centauro (componente C do sistema triplo αCen), e está cerca de 271.000 UA. A luz dessa estrela leva cerca de 4,3 anos3 para chegar à Terra. Atualmente há uma discussão no meio científico sobre o verdadeiro significado da palavra “planeta”. A região adiante de Netuno, chamada transnetuniana, é habitada por uma infinidade de corpos congelados, inclusive cometas. Plutão está nessa região e tem essas características. Dentre os objetos descobertos mais recentemente o maior deles, ?????, tem cerca de 3000 km de diâmetro, portanto maior que Plutão (2300 km). Seria então o décimo planeta? E quando dispusermos de instrumentação mais potente e descobrirmos outros objetos com essas dimensões, ou quem sabe maiores, quantos planetas existirão? Essa discussão será retomada adiante porque ainda envolve aspectos mais técnicos.

Pelos diversos métodos de determinação de idade sabemos que o SS tem cerca de 4,6 bilhões de anos. 1.2.2 Nossa Galáxia

O Sol é apenas uma dentre as cerca de 100 bilhões de estrelas que se agrupam e formam

um sistema maior: a Galáxia, ou Via Láctea (Figura 1.2). Ela tem a aparência de um disco achatado e espiralado, com um bojo central e uma barra. A maior parte da matéria galáctica se encontra nos braços espirais, que estão posicionados no plano galáctico. Aqui, a concentração de estrelas é muito grande o que lhe confere um brilho intenso. Em São Paulo, no verão essa faixa luminosa pode ser vista estendendo-se ao longo da direção NO-SE; no inverno, ela está ao longo da direção NE-SO.

O diâmetro do disco galáctico é tão grande que a luz demora cerca de 100.000 anos para percorrê-lo. A espessura do disco é bem menor, e a luz leva cerca de 5.000 anos para atravessá-lo. O SS se encontra em um dos braços da Galáxia, a cerca de 30.000 AL4 do seu centro. A Galáxia se apresenta envolta por uma grande esfera, o halo galáctico. A quantidade de matéria da halo é bem menor, e se apresenta bem mais esparsa.

A Via Láctea, assim como as outras galáxias, não está parada, mas em rotação: seu período médio é cerca de 200 milhões de anos.

As estrelas não são iguais entre si; elas diferem em tamanho, massa, cor, temperatura, composição química e idade. Elas não são corpos eternos, mas nascem, evoluem (envelhecem) e morrem. A maioria das estrelas do Galáxia estão, assim como o Sol, na fase de vida conhecida por seqüência principal, que é a fase onde elas passam a maior parte de suas existências. Algumas estrelas mais evoluídas, com dimensões bem maiores, são gigantes e supergigantes; outras, bem menores que as de seqüência principal, são anãs brancas. A maioria das estrelas são membros de sistemas binários ou múltiplos; muitas são variáveis. Boa parte das estrelas está concentrada em aglomerados. 2 Unidade Astronômica é a distância média da Terra ao Sol, e vale cerca de 150 milhões de km. 3 No vácuo, a luz se propaga com velocidade de 300.000 km/s. 4 Ano Luz é a distância percorrida pela luz no vácuo durante um ano trópico = 63.240 UA.

Introdução à Astronomia - AGA210 Prof. Enos Picazzio

1 - 5

Figura 1.2 Ilustração da Via Láctea: uma galáxia espiral. (Adaptado de Astronomy,

Agosto de 1997, p.73)

São muitos os objetos exóticos que compõem a Via Láctea, como supernovas, estrelas de nêutrons e os buracos negros, além das imemsas nuvens de gás e poeira, muitas com silhuetas deslumbrantes, verdadeiras obras de arte da natureza.

O espaço interestelar não está vazio, mas preenchido por nuvens de átomos, moléculas, partículas elementares, poeira, campo magnético e raios cósmicos.

Atualmente sabemos da existência de sistemas planetários associados a outras estrelas. 1.2.3 Aglomerados e Superaglomerados

As galáxias apresentam morfologias, têm idades diferentes e se agrupam em sistemas maiores: os aglomerados. Nossa Galáxia pertence ao aglomerado denominado Grupo Local. Comparativamente aos demais, ele é pequeno e tem no mínimo 20 galáxias, incluindo Andrômeda (a maior) e as Nuvens de Magalhães5 (as mais próximas). Em sua extensão maior, o Grupo Local tem 3,26 milhões AL. Os aglomerados maiores podem ter milhares de galáxias. O maior nível de organização encontrado no Universo está nos superaglomerados. Compostos de centenas até dezenas de milhares de galáxias, eles apresentam estrutura filamentar com extensões que atingem algumas centenas de milhões de AL. Interligados, eles formam uma estrutura em rede que encerra espaços vazios vastíssimos (Figura 1.3). Nós

5 As Nuvens de Magalhães estão a 150.000 AL de nós; Andrômeda está a 2 milhões AL.

Introdução à Astronomia - AGA210 Prof. Enos Picazzio

1 - 6

pertencemos ao Superaglomerado Local, em cujo centro encontra-se o aglomerado de Virgem (Figura 1.4). Finalmente, a estrutura maior estudada em astronomia é o próprio Universo, e esse é o escopo da Cosmologia 1.3 Escala do Universo

As massas e as dimensões dos objetos astronômicos, isto é, da matéria em escala

macroscópica, são usualmente muito grandes. Situação oposta é aquela que encontramos quando tratamos da matéria em escala microscópica, ao abordarmos os átomos, as moléculas, etc.

Figura 1.3 Estrutura filamentar da matéria no Universo. A faixa observada tem largura de 135o, espessura de 18o e profundidade de 500 milhões AL. À esquerda vemos as faixas observadas no hemisfério norte (em cima) e no sul (em baixo). Cada ponto representa uma das 14.000 galáxias observadas (Adaptado de M.Ross, 1994, Plate 2).

Em ambos os casos, sentimos grande dificuldade para visualizar o panorama porque nossas escalas de uso cotidiano são impróprias para mensurar valores tão elevados ou tão diminutos. De qualquer forma, é imprescindível abordarmos os dois mundos, sobretudo porque os fenômenos que encontramos no macrocosmo têm suas origens no microcosmo.

Parâmetros como densidade, temperatura e campo magnético encontrados no Universo variam dentro de limites muito maiores do que aqueles que podem ser alcançados dentro de laboratórios. O elemento natural mais denso encontrado na Terra é o Osmium, com densidade 22,5 g/cc. Numa estrela de nêutrons, por exemplo, a densidade pode chegar a 1015 g/cc (1 bilhão de ton/cc). Em laboratório, munidos dos melhores equipamentos disponíveis, conseguimos evacuar um ambiente até que a densidade de matéria em seu interior atinja 10-12 g/cc (isto representa cerca de 590 bilhões de átomos de hidrogênio por cc). Este valor é inimaginavelmente grande se comparamos com a densidade do meio interestelar, 10-24 g/cc (ou seja, 0,6 átomo de hidrogênio por cc). Os aceleradores de partículas podem acelerar partículas até que elas atinjam energias da ordem de 1012 eV6. Raios cósmicos vindos do espaço podem ter energias da ordem de 1020 eV.

6 elétron-Volt é a energia cinética que um elétron recebe ao ser acelerado por uma diferença de potencial de 1 volt, num campo elétrico. A aceleração equivalente é de 1,7×1015 cm/s2.

Introdução à Astronomia - AGA210 Prof. Enos Picazzio

1 - 7

A Tabela 1.1 e a Figura 1.5 apresentam alguns valores de dimensão e distância do Universo.

Distância km UA AL

Terra - Lua 384.000 ≈ 0,003 1,3 sL a

Sol - Terra 146 milhões 1 8,3 mL b

- Júpiter 759 milhões 5,2 43,2 mL - Plutão 5,8 bilhões 39,8 5,5 hL c

- Nuvem de Oort 22 quatrilhões 150.000 2,4 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - limite do Sistema Solar - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - αCentauro 272.000 4,3 αCão Maior (Sirius) 8,6 Nebulosa de Órion 1 milhão 15 αÓrion (Rigel) 800 Centro Galáctico 2 bilhões 30.000 Bordo Galáctico oposto 80.000 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - limite da Galáxia - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Nuvens de Magalhães 170.000 Andrômeda 2 milhões Aglomerados de galáxias trilhões dez. de milhões Superaglomerados cent. de milhões Alguns quasares quatrilhões até bilhões Limite visível 15 bilhões ª segundo-luz, fração de AL b minuto-luz c hora-luz

Tabela 1.1 Escala de distâncias astronômicas.

Figura 1.4 Imagem da região central do Superaglomerado Local, localizada em Virgem. (Foto do National Optical Astronomy Observatories)

Introdução à Astronomia - AGA210 Prof. Enos Picazzio

1 - 8

Figura 1.5 As dimensões do Universo (Adaptado de H.Karttunen et al., 1995, p.5)

Introdução à Astronomia - AGA210 Prof. Enos Picazzio

1 - 9

1.4 Ramos da Astronomia

Observações atentas são fundamentais no desenvolvimento de qualquer ciência. Na astronomia parte da manifestação dos fenômenos físicos se faz através da radiação eletromagnética (luz). Para tanto, é necessário que a coleta de dados não se restrinja apenas à região espectral do visível onde o olho humano é sensível. Isto pode ser feito através de instrumentos auxiliares que utilizam detectores sensíveis às radiações do espectro eletromagnético. Assim, podemos fazer uma divisão da astronomia, baseada nas técnicas utilizadas nas observações; são elas: radioastronomia, astronomia no infravermelho, astronomia óptica, astronomia no ultravioleta, astronomia de raios-X e astronomia de raios-gama. Dois novos campos estão se desenvolvendo rapidamente: astronomia dos neutrinos e astronomia gravitacional.

A divisão clássica da astronomia destaca três ramos principais. Astronomia Esférica, (de Posicão ou, ainda, Astrometria) é o ramo que estuda basicamente sistemas de referência necessários à determinação precisa de posições aparentes dos corpos celestes. A Astronomia Dinâmica (Mecânica Celeste) estuda basicamente o movimento dos corpos celestes. Astrofísica é o ramo da astronomia que estuda as características físicas dos objetos astronômicos. Em termos de publicações em revistas especializadas de circulação internacional, a Tabela 1.2 nos dá uma idéia da participação de cada um dos ramos de pesquisa da astronomia.

Ramo Percentual de participação

Astronomia instrumental e técnicas astronômicas 8 Astronomias de posição e dinâmica 2 Pesquisas espaciais 1 Astrofísica teórica 15 Astronomia solar (*) 10 Astronomia da Terra (*) 3 Astronomia do Sistema Planetário (*) 10 Astronomia estelar (*) 17 Astronomias do meio interestelar e das nebulosas (*) 6 Astronomias de fontes radio, fontes raio-X e raios cósmicos (*) 3 Astronomias de sistemas estelares, galáctica, extragaláctica e cosmologia (*) 24

(*) na realidade é astrofísica Tabela 1.2 Publicações em revistas de circulação internacional dos diferentes ramos da astronomia, tiradas do índice Astronomy and Astrophysics Abstracts do segundo semestre de 1991. A coluna da esquerda fornece o ramo, e a da direita o percentual de participação de cada ramo (Adaptado de H.Karttunen et al., 1995, pág. 4). Referências H.Karttunen, P.Kröger, H.Hoja, M.Poutanen, K.J.Donner, Fundamental Astronomy; Springer, (1995) M. Ross; Introduction to Cosmology, John Wiley & Sons (1994).