Movimentos no Céu

Lua, Sol, Planetas, Estrelas e tudo o que vemos e o que não

vemos.

Felipe Coelho

Instituto de Física da UFRJ

Nebulosa e estrela de Eta Carina(fotos do observatório espacial Hubble)

História O ciclo de dia e noite (o “Dia”) e o ciclo de fases da lua (o “Mês

Lunar”) foram sempre evidentes para a humanidade e tinham utilidade prática para marcar o tempo.

Além disso havia o ciclo de estações que chamamos “Ano”. Em boa parte do mundo esse ciclo tem estações muito nítidas: uma muito fria (o Inverno), outra própria para o plantio (a Primavera), outra muito quente (o Verão) e outra própria para a colheita (o Outono). Em outras partes, na chamada região tropical, essa variação é muito menor e às vezes se reduz a uma estação de chuvas e uma de seca.

Desde a descoberta da agricultura e a consequente criação de sociedades cada vez mais complexas foi importante ter calendários. Até povos pré-históricos os mencionavam nas suas religiões e construíam monumentos astronômicos para indicar a data do dia mais longo do ano (o início do Verão). Posteriormente os babilônicos, os chineses, os maias e outros povos fizeram seus calendários e para isto o estudo dos movimentos celestes era essencial.

A Astronomia foi assim a primeira Ciência e o estudo do movimento dos astros era essencial para a Agricultura, para as religiões, para a vida social e para a navegação.

Como saber que passou um ano?O exemplo mais famoso e preservado é o monumento de Stonehenge, na Inglaterra, feito 4000 anos atrás por um povo pré-histórico. (Há outros

círculos de pedra com finalidade astronômica na Grã-Bretanha e Irlanda, mas o mais antigo é de 5000 anos atrás e está no Egito.)

Esse tipo de construção é chamado megalítico, pois é feito com pedras gigantes ou megalitos (mega=grande,litos=pedra). No dia mais longo do

ano (o solstício de verão) a luz do Sol iluminava o altar.

A utilidade prática da Astronomia Mesmo antes da descoberta da Agricultura (ocorreu cerca de dez mil

anos atrás), quando as sociedades viviam da caça e da pesca, era impor-tante saber o ciclo de estações. Depois da descoberta da Agricultura isto tornou-se fundamental, pois a vida das sociedades girava ao redor do sucesso da colheita. Saber o dia do ano é algo importante para determi-nar festividades religiosas e para a vida social, e isto era feito pela Astronomia. Além disso a posição dos astros no céu é essencial para a navegação, pois o céu é diferente em cada latitude.

Hoje associamos esse ciclo do ano à volta da Terra ao redor do Sol e à inclinação do eixo de rotação da Terra e associamos o ciclo de dia e noite à rotação da Terra. Nada disso é evidente das aparências, esses ciclos eram misteriosos, o que levou a explicações religiosas. Muitas culturas até faziam sacrifícios humanos e de animais para o Sol renascer cada manhã ou para a Primavera voltar depois do Inverno.

A Lua, o Sol e as Estrelas

Aparentemente não só a Lua e o Sol fazem círculos ao redor da Terra como as estrelas fazem círculos ao redor de um ponto que chamamos o polo celeste. Hoje sabemos que esse movimento é aparente, sendo produzido pela rotação da Terra.

Fotografia do céu com tempo de exposição longo

As constelações: unindo as posições aparentes de estrelas, no “hemisfério

celeste”. Na verdade quem gira é a Terra...

Muita coisa não é o que parece

As constelações são apenas um recurso visual e como tal são arbitrárias: leão, touro, caranguejo, etc.

As constelações no plano equatorial da Terra são chamadas de zodiacais.

O que parece ser uma estrela pode ser um conjunto de estrelas ou até uma galáxia com dezenas de bilhões de estrelas.

O Sol é uma estrela de intensidade luminosa média

As constelações de Orion e Taurus:um exemplo de imaginação...

E os planetas e os cometas? E os eclipses do Sol e da Lua?

Havia coisas irregulares no céu. Os planetas, em particular apareciam cada dia num ponto do céu. Vários povos do grupo chamado indo-europeu associaram a eles os seus deuses principais e também associaram a eles os nomes dos dias da semana. Os babilônicos fizeram o mesmo.

A semana de 7 dias, como boa parte da Astronomia, originou-se no primeiro milênio antes de Cristo na Babilônia, uma região hoje parte do sul do Iraque. Lá surgiu também o dia de 24 horas e o círculo de 360 graus, e tanto o grau quanto a hora foram divididos em 60 partes chamadas minutos.

Babilônia (sec. VII e VI aC)

Porque os planetas eram deuses?

Os planetas andavam livremente pelo céu e, assim, contrariamente ao Sol, à Lua e às estrelas, tinham liberdade. Abaixo está o movimento

aparente de dois deles: à esquerda, Marte, e à direita, Mercúrio.

Os nomes dos dias da semana

Há três fontes principais:

A) grego clássico:Sol, Lua, Aries,Hermes, Zeus, Afrodite e Cronos; latim clássico: Sol, Lua, Marte, Mercúrio, Júpiter, Vênus e Saturno

B) Os povos germânicos usavam nomes diferentes para cada deus e seu planeta correspondente, mas davam o nome dos seus deuses aos dias da semana. Assim sendo há os dias do Sol, da Lua, de Tyr (Twia), de Odin, de Thor, de Freya e de Saturno.

C) Os judeus numeravam os seus dias e chamavam o sétimo dia de sábado. A igreja cristã manteve o nome dos dias judaicos mas chamou o primeiro dia de Domingo ou dia do Senhor.

O papa Silvestre II (950-1003), com formação científica, recomendou que os nomes dos deuses pagãos fossem removidos e se adotasse a nomenclatura judaico-cristã para os dias da semana mas apenas Portugal cumpriu na íntegra o pedido.

Os deuses/planetas continuaram nos nomes dos dias de semana...

Os países de língua latina (exceto Portugal) mudaram apenas os no-mes dos dia do Sol e de Saturno, que passaram a Domingo e Sábado. Os demais continuaram com os nomes de planetas/deuses de segunda a sexta-feira. Em espanhol, por exemplo, os nomes são lunes, martes, miércoles, jueves e viernes. Em francês e em italiano ocorre o mesmo.

Nas línguas germânicas (alemão, inglês, sueco) nem isso ocorreu. Apenas sumiu o dia de Odin (Wodan) do alemão, e o dia de Saturno sumiu do alemão e do sueco (afinal Saturno não era deus germânico). Mexer com deuses/planetas é difícil!!!

Já os meses são nomeados de várias fontes. Quatro são de deuses romanos (Jano, Marte, Maia, Juno). Dois são de imperadores romanos (Julio Cesar e Augusto). O nome Fevereiro vem de um deus etrusco da morte. O nome Abril vem de ser o mês onde as flores abrem. Os últimos 4 meses eram numerados de 7 a 10 (deviam ser numerados de 9 a 12 mas o calendário romano tinha dois meses sem número).

Porque os religiosos islâmicos, judeus e cristãos se preocupavam

com calendários e mapas celestes? Nessas religiões o calendário religioso é inteira ou parcialmente

baseado nos meses lunares, mas a vida prática exige calendários solares, associados ao ciclo de estações. Por exemplo, no calendário solar europeu ocidental era importante saber a data da Páscoa, que é o início do ano litúrgico.

Além disso o islamismo determina que o fiel ore voltado para Meca, o que exige ter bons mapas e instrumentos astronômicos. A Astrono-mia árabe era excepcional também para responder às necessidades da navegação árabe, muito ativa no Mediterrâneo e no Oceano Índico. E havia também o interesse científico básico.

A Astronomia do fim da era medieval

No século XIII o rei Alfonso, o Sábio (de Castela, hoje parte da Espanha) reuniu uma comissão de astronomos judeus, muçulmanos e cristãos para fazer uma tabela revisada de movimentos planetários. Essa tabela mostrava, mais uma vez que havia dificuldades com o modelo grego para movimentos planetários. Enquanto os movimentos do Sol e da Lua podiam ser considerados círculos, os dos planetas eram em circulos cujos centros, por sua vez andavam em círculos. Além disso o centro de cada círculo planetário podia andar em círculo ao redor do verdadeiro centro do Universo. A Terra estava perto desse centro do Universo mas não no centro. Há uma lenda de que o rei teria dito que se Deus o tivesse consultado ele pediria uma coisa mais simples. A lenda deve ser falsa mas o modelo grego tinha mais de 50 parâmetros, era bem complicado.

Qual era o problema? Aristóteles, Ptolomeu e São Tomas de Aquino

O filósofo grego Aristóteles (séc. IV aC) compilou boa parte de conhecimento da sua época. Posteriormente outros cientistas e filósofos complementaram o seu trabalho. Na área de Astrono-mia o grande nome foi Ptolomeu (sec. I e II dC) com sua obra gigantesca o Almagesto (em árabe quer dizer Grande Tratado).

Os muçulmanos e os cristãos orientais (ortodoxos) já tinham compati-bilizado esses filósofos não-cristãos com as suas religiões, mas os cristãos ocidentais ignoravam esses trabalhos e a possibilidade de conciliá-los com sua religião. As obras desses autores gregos, assim como de árabes, começaram a chegar na Europa Ocidental cristã no século XIII, principalmente pela Espanha. Logo o teólogo e filósofo francês São Tomás fez com a Suma Teologica a mesma análise detalhada dessas obras, mostrando que não eram incompatíveis com o cristianismo ocidental (católico). Ele seguiu em especial ao filósofo espanhol muçulmano do século XII, ibn Rushd, cujo nome foi latinizado para Averrois.

O modelo de Ptolomeu(o modelo era complicado mesmo!) “Ptolomeu explicou o movimento dos planetas através de uma combinação

de círculos: o planeta se move ao longo de um pequeno círculo chamado epiciclo, cujo centro se move em um círculo maior chamado deferente. A Terra ficaria numa posição um pouco afastada do centro do deferente (portanto, o deferente é um círculo excêntrico em relação à Terra). Até aqui, o modelo de Ptolomeu não diferia do modelo usado por Hiparco aproximadamente 250 anos antes. A novidade introduzida por Ptolomeu foi o equante, que é um ponto ao lado do centro do deferente oposto em relação à Terra, em relação ao qual o centro do epiciclo se move a uma taxa uniforme, e que tinha o objetivo de dar conta do movimento não uniforme dos planetas.

O objetivo de Ptolomeu era o de produzir um modelo que permitisse prever a posição dos planetas de forma correta e, nesse ponto, ele foi razoavelmente bem sucedido. Por essa razão, esse modelo continuou sendo usado sem mudança substancial por cerca de 1300 anos. No sistema ptolomaico, centrado na Terra, a pequena esfera chamada epiciclo que contem o planeta vai girando associada a uma esfera rotativa maior, produzindo um movimento retrógrado aparente sobre o plano de fundo das estrelas longínquas.” http://pt.wikipedia.org/wiki/Ptolemeu

O modelo de Ptolomeu (modificando o de Hiparco)

A hipótese: Copernico O astrônomo e padre polonês Nicolau Copérnico propôs em 1543, no

último ano de sua vida, que a Terra poderia não ser o centro do Uni-verso, mas que o Sol seria esse centro. Essa posição conflitava não apenas com Aristóteles, que se tornara parte das ortodoxias científica e religiosa, como conflitava com a Bíblia que numa passagem dizia que o Sol parara o seu giro ao redor da Terra.

Conflitar com a Bíblia era um absurdo e isso foi dito pelo frei alemão Lutero, que acabara de começar o movimento que veio a ser chamado de Reforma Protestante. Aos pouco a Igreja Católica passou a concor-dar com Lutero e discordar de Copernico e dos defensores seguintes do “heliocentrismo”.

Nessa época começou cerca de um século de guerras entre protestan-tes e católicos em grande parte da Europa, ou seja, os ânimos estavam muito acirrados.

Os dados: Tycho BraheO modelo para os dados: Kepler

As medidas mais precisas:Construindo um grande observatório o astrônomo dinamarquês Tycho Brahe durante 3 décadas fez medidas muito precisas (a olho nú!) dos movimentos dos planetas. Mais uma vez ficava evidente que o modelo de Ptolomeu funcionava bem em geral, mas que não funcionava direito em detalhes, em especial para Marte.

Um modelo para interpretar os resultados das medidas:Tycho contratou o físico alemão Johannes Kepler para fazer essa análise. Após anos de desespero, em que chegou a estar perto da loucura, Kepler abandonou o modelo dos círculos ptolomaicos pelo das elipses, com o Sol num dos focos.

O que é uma elipse?

As 3 leis de Kepler:-os planetas descrevem órbitas elípticas, com o Sol num dos

focos;-o raio que liga cada planeta ao Sol varre áreas iguais em

tempos iguais;-o tempo que o planeta demora para dar uma volta completa (T) está ligado ao comprimento do eixo maior da elipse (2a) pela relação: T elevado ao quadrado dividido por a elevado

ao cubo é uma constante.

Giordano Bruno/Galileu Galilei

Brahe morreu no início do século XVII (1601) e Kepler em 1630. Nessa época telescópios já tinham sido aperfeiçoa-dos e Galileu Galilei, um físico italiano, pode comprovar que os planetas pareciam a Terra, e tinham até satélites, e que a via Láctea era formada por estrelas.

Outros filósofos iam além. Giordano Bruno propôs que o Universo era povoado por uma infinidade de estrelas, como o Sol, e por outros planetas, nos quais, assim como na Terra, existiria vida inteligente.

A existência de várias Terras ou de uma infinidade delas contrariava a Bíblia. Giordano foi queimado pela Inquisição em 1600 e Galileu foi forçado a se desmentir em 1633.

Alguns dados do Sistema Solar

Planeta Distância média ao Sol R (106 km)

Período T (ano)

R3/T2

(1024 km3/ano2)

Mercúrio 57,9 0,241 3,34

Vênus 108,2 0,615 3,35

Terra 149,6 1,00 3,35

Marte 227,9 1,88 3,35

Júpiter 778,3 11,86 3,35

Saturno 1427 29, 5 3,34

Urano 2870 84,0 3,35

Netuno 4497 165 3,34

À esquerda as estações no hemisfério norte, mostrando a importância da inclinação do eixo da Terra.

À direita o mesmo desenho, mas mostrando as linhas dos Trópicos e do Equador.

(A órbita está em perspectiva, ela é quase circular.)

Mito grego explicando o ciclo anual das colheitas e das quatro estações.

Na mitologia grega, Perséfone era uma linda filha de Zeus e de Deméter, deusa da agricultura, tendo nascido antes de seu pai se casar com a deusa Hera. O deus Hades, do mundo subterrâ-neo dos mortos, a queria em casamento e, sem querer consul-tar Persefone ou seus pais, emergiu de dentro da terra e raptou-a levando-a para seus domínios (o mundo subterrâneo), fazen-do dela sua rainha. Sua mãe, ficando inconsolável, acabou por se descuidar de suas tarefas: as terras tornaram-se estéreis e houve escassez de alimentos. Perséfone recusou-se a ingerir qualquer alimento e começou a definhar. Deméter e Hermes foram buscá-la ao mundo dos mortos, a pedido de Zeus. Entretanto, a única maneira para que ela pudesse sair do mundo dos mortos era se ela não estivesse ingerido nada, mas ela havia comido uma semente de romã. Diante desta situação, fez-se um acordo: ela passaria metade do ano junto a seus pais, na superfície da terra, e outra metade com Hades, abaixo da superfície.

Newton

Em 1687 um físico inglês, Isaac Newton, propôs as leis gerais da Mecânica e a lei para a força gravitacional. Juntando as duas leis é fácil obter as leis de Kepler.

Durante mais de dois séculos a Mecânica de Newton e a Gravitação de Newton reinaram incontestadas.

Enquanto isto inúmeros aperfeiçoamentos experimentais permitiram que as 6 mil estrelas visíveis a olho nu fossem substituídas por milhões e depois bilhões de estrelas. Além disso foi possível avaliar, cada vez com maior precisão, a distância entre as estrelas e a Terra.

Distância da Terra a estrelas muito próximas (alguns anos-luz)

A Relatividade Geral

Refletindo sobre o fato da massa aparecer nas leis da mecânica de Newton e na lei da gravitação de Newton, Einstein viu que era necessária uma nova mecânica. Nela nada pode viajar a velocidades superiores à da luz.Uma das consequências disto é que a gravita-ção passa a ser associada a distorções do es-paço causadas pela presença de objetos com massa. Essa teoria, proposta cerca de um século atrás, foi extremamente bem sucedida.

Alguns tópicos relativísticos

Precessão da órbita de MercúrioLentes GravitacionaisLei de Hubble

Big Bang

Expansão acelerada do universo

Matéria escura e energia escura (96% do universo?)

As velhas leis de Kepler e a Mecânica de Newton...

Hoje, com dados muito precisos do observatório orbital Hubble, já se identificaram dezenas de planetas orbitando ao redor de estrelas.

Além disso, com sondas espaciais, começamos a saber algo sobre os satélites dos planetas do nosso Sistema Solar.

Finalmente, usando as leis de Newton, começamos a modelar como uma bola de gás se condensa formando uma estrela e um conjunto de planetas e seus satélites.