Fundamentos da Astronomia

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FUNDAMENTOS DA ASTRONOMIA
AULA 5
Prof.ª Sophia Feld
CONVERSA INICIAL
O ser humano sempre se indagou sobre seu destaque em relação ao universo. Para entendê-lo, inicialmente apelou às divindades, à mitologia e às lendas, às mais diversas cosmogonias, únicas de cada povo. Os gregos antigos apresentaram ao mundo a primeira tentativa de entender nosso mundo sem recorrer às explicações sobrenaturais. Surgia aí a primeira cosmologia, o começo de nosso entendimento sobre o universo.
Uma vez percebidas as grandes distâncias envolvidas, uma das primeiras perguntas que o ser humano concebeu entre os séculos XV e XIX sobre o universo é: se é infinito, há infinitas estrelas, então por que vemos o céu escuro? Diversas mentes se debruçaram sobre essa questão, que ficou conhecida como o Paradoxo de Olbers, e só há uma solução: o universo não é infinito e teve um começo.
As primeiras evidências de um universo que teve um começo vieram com os estudos de Hubble, que já havia percebido que, quanto mais longe uma galáxia se encontra da Terra, maior é sua velocidade de afastamento. Quase todas as galáxias estão se afastando da Terra e as mais longes estão se afastando mais rápido. Isso indica uma expansão do próprio universo, como uma bexiga sendo inflada. Se retrocedermos na história, em um determinado momento o volume do universo era tão pequeno quanto uma partícula subatômica, contendo toda a sua matéria e energia. Então o universo se expandiu, um Big Bang, já afirmado por Friedmann e Lemaître com base nas equações de Einstein da relatividade geral.
A expansão do universo dependerá da quantidade de matéria e energia contida nele. Se houver muita matéria e energia, a gravidade vence e a expansão parará para que universo encolha em uma grande implosão, o Big Crunch. Se o universo não contiver matéria e energia suficientes, a expansão permanecerá para sempre. Os dados atuais já coletados indicam uma expansão cada vez mais rápida.
Porém, por meio da análise dos espectros emitidos pelas galáxias, elas giram muito mais rapidamente que a Teoria da Gravitação Universal de Newton prevê. Portanto, deve haver, permeando todo o universo, uma matéria invisível, que não interage com outras matérias que detectamos por meio de suas
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emissões eletromagnéticas. Essa matéria pode ser tão abundante que pode representar 90% de toda matéria e energia do universo.
O objetivo geral desta aula é conhecer a formação e a evolução do Universo. Os objetivos específicos são:
· Descrever mitos sobre a criação do Cosmos e entender a passagem do mito para a ciência;
· Relacionar a escuridão da noite as ideias de Universo finito e infinito;
· Explicar a expansão do Universo pela densidade crítica;
· Descrever os pilares da Teoria do Big Bang;
· Explicar matéria escura pelo movimento de estrelas e galáxias.
TEMA 1 – COSMOGONIAS E COSMOLOGIA
Vendo com nossos olhos os primeiros entendimentos dos povos antigos sobre o universo, podem parecer ingênuos, mas o grau de sofisticação alcançada por eles é grande, mesmo recorrendo às divindades. Quando se tenta entender o universo com divindades, mitos e lendas, tem-se uma cosmogonia (Pietrocola et al., 2016).
Figura 1 – As grandes pirâmides do Egito estão alinhadas de acordo com as Três Marias
Fonte: Tose/Shutterstock.
Os egípcios conheciam muito bem o céu dois milênios antes da Era Comum, relacionando a periodicidade das cheias do Nilo com os eventos celestes. Porém, a cosmogonia egípcia era fortemente influenciada por aspectos divinos e espirituais. Geb suportava o universo em suas costas. Shu, apoiado em Geb, representava o ar e sustentava a deusa Nut, o próprio céu. Geb colocava-se sobre a água, e o Sol e a Lua percorriam o céu em dois barcos, passavam sob a Terra e apareciam do outro lado. Com esse modelo místico, os egípcios sabiam prever as fases da Lua e até mesmo eclipses. Conhecer o céu significava conhecer os deuses (Pietrocola et al., 2016).
Os indígenas brasileiros também tinham suas cosmogonias. Os Caiapós acreditavam que habitavam uma região sem o Sol nem a Lua, sem florestas nem peixes. Certo dia um índio foi caçar um tatu e se afastou muito de sua aldeia. À medida que se afastava, o tatu ficava cada vez maior e, em um determinado momento, o animal resolveu cavar um buraco, e o indígena decidiu seguir o túnel. Ficou surpreso quando percebeu que o túnel tinha uma saída para um mundo repleto de luz, florestas, pássaros e borboletas. Deslumbrado, o índio ficou decepcionado ao perceber que o Sol fora embora, mas logo se alegrou ao ver a Lua surgir. O índio voltou à sua aldeia, contou-lhes as coisas maravilhosas que tinha visto e convenceu a todos a caçar um tatu para que eles mesmos pudessem deslumbrar do paraíso descoberto (Pietrocola et al., 2016).
Figura 2 – As constelações gregas, ainda utilizadas atualmente
Fonte: Shooarts/Shutterstock.
As cosmogonias se tornaram a cosmologia moderna quando as observações de fenômenos celestes e suas descrições passaram a ocorrer sem a necessidade de divindades, durante a era dourada da Grécia Antiga. Foi em busca de uma explicação racional do universo que surgiram os modelos geocêntricos culminados em Ptolomeu e o modelo heliocêntrico reavivado por Copérnico. Hoje, não mais consideramos o Sol como o centro do universo, mas uma simples estrela em uma galáxia espiral enorme, a Via Láctea, que é apenas uma em outros bilhões de galáxias. A base aceita para o nascimento e a evolução do universo é a Teoria do Big Bang, que possui alicerces muitos fortes baseados na observação de variados fenômenos celestes (Pietrocola et al., 2016).
TEMA 2 – PARADOXO DE OLBERS
Uma das conclusões mais óbvias que podemos fazer ao observar o céu noturno é que ele é escuro. O que parece inquestionável começou a ser debatido por Kepler quando Galileu percebeu que a Via Láctea era um enxame de estrelas: por que o céu é escuro, já que há incontáveis estrelas no universo? Anos mais tarde Edmond Halley fez a mesma questão, que ficou conhecida como o Paradoxo de Olbers quando, em 1826, Heinrich Wilhelm Mattäus Olbers (1758-1840) também fez a mesma pergunta (Singh, 2006).
O paradoxo consiste no seguinte raciocínio: se as estrelas estão uniformemente distribuídas em todo universo, considerado infinito, fatalmente teremos que olhar para uma estrela, mesmo que ela seja distante, ao olhar para o céu noturno. Portanto, todo o céu estará coberto por estrelas. Então, cada área do céu equivalente à área coberta pelo disco solar emitirá a mesma quantidade de luz que o próprio Sol ou ainda mais e a Terra seria uma bola incandescente com tanta radiação (Singh, 2006). Mas o céu é escuro. Como resolver esse paradoxo?
Algumas hipóteses que contornam o paradoxo surgiram ao longo da história (Singh, 2006):
· Existe poeira interestelar que atenua toda essa radiação;
· A expansão do universo, constatada pela Lei de Hubble, diluiria a radiação;
· O universo teve um começo em um único ponto.
As duas primeiras hipóteses foram refutadas: a poeira interestelar, ao absorver a radiação, esquentaria tanto que ficaria tão incandescente quanto às próprias estrelas. A expansão do universo de fato diluiria a radiação, mas não a ponto de deixar o céu escuro. A terceira hipótese se mantém ainda hoje: não houve tempo hábil para que a luz das estrelas alcançasse a Terra, já que a velocidade da luz é finita. Combinado com a expansão do universo, isso implica um universo finito. A própria escuridão do céu noturno é prova de um universo que teve um começo (Singh, 2006).
De fato, considerando que o espaço médio de separação entre uma estrela e outra seja de 1 parsec (~3,25 anos-luz), para que todo o céu irradiasse como o disco solar, o universo teria que ter, no mínimo, um raio de 6600 trilhões de anos-luz, porém, considerando que a idade do universo é estimada em 13,7 bilhões de anos, o raio do universo seria de 13,7 bilhões de anos-luz (desconsiderando outros efeitos de expansão do universo), valor muito inferior ao necessário para que todo o céu brilhasse devido às incontáveis estrelas(Kepler; Saraiva, 2014).
TEMA 3 – EXPANSÃO DO UNIVERSO
Edwin Hubble demonstrou em 1929 que, quanto mais distante da Terra uma galáxia, maior será o desvio para o vermelho de seu espectro luminoso e, consequentemente, maior será sua velocidade de afastamento. Hubble ainda deduziu que a velocidade de afastamento de uma galáxia e a sua distância em relação à Terra são proporcionais, relação que ficou conhecida como a Lei de Hubble. Como quase todas as galáxias possuem em seu espectro luminoso um desvio para o vermelho, então quase todas as galáxias estão se afastando da Terra, e Hubble trouxe evidências físicas de que o universo está em expansão, ou seja, aumentando seu volume com o tempo, já predito pelos físicos Alexander Alexandrovitch Friedmann (1888-1925) e Georges-Henri Édouard Lemaître (1894-1966) (Singh, 2006; Damineli, 2003).
Mesmo com as evidências de Hubble, muitos cientistas ainda acreditavam na Teoria do Estado Estacionário, ou seja, em um universo similar em todas as direções e imutável no tempo. Para conciliar essa teoria com a expansão observada do universo, novas porções de matéria deveriam ser criadas o tempo todo para manter a densidade do universo constante. A Teoria do Big Bang, já proposta por Friedmann e por Lemaître na década de 1920, ficou em segundo
plano. Sir Fred Boyle (1915-2001), um dos criadores da Teoria do Estado Estacionário, cunhou o nome Big Bang tentando satirizar o modelo que prevê que o universo tem um nascimento com um volume infinitesimal (Singh, 2006).
Quanto ao destino do universo, levando-se em consideração a expansão do universo, há duas possibilidades (Singh, 2006):
· A expansão continuará para sempre;
· A expansão parará e o universo começará a se contrair devido à gravidade e implodir em um evento chamado Big Crunch.
Com as observações até então realizadas, a primeira opção parece ser plausível. Para haver o Big Crunch, deve haver pelo menos 5 átomos de hidrogênio para cada centímetro cúbico do universo. Mas a densidade observada é de 0,05 átomos de hidrogênio para cada centímetro cúbico (Singh, 2006).
Arno Allan Penzias (1933-) e Robert Woodrow Wilson (1936-) descobriram, ao mapear as radiofrequências do céu, que essas radiofrequências eram praticamente imutáveis em qualquer direção. Descobriram a radiação cósmica de fundo, que suporta grandemente a Teoria do Big Bang: a radiação cósmica de fundo seria o resíduo “luminoso” da grande expansão que ocorreu no início do universo (Singh, 2006).
TEMA 4 – BIG BANG
Como as galáxias estão se afastando uma das outras há 13,7 bilhões de anos, presume-se que, no início do universo, elas estavam todas juntas. Indo mais além, toda a matéria e energia do universo estavam concentradas em um único ponto. Essa é a base a Teoria do Big Bang. A expansão criou também o espaço e o tempo. Não faz sentido falar de espaço e tempo antes do Big Bang porque não faz sentido falar de algo existente antes do Big Bang (Singh, 2006).
Figura 3 – Representação esquemática do Big Bang e da evolução do universo
Fonte: Andrea Danti/Shutterstock.
Friedmann e Lemaître, usando soluções advindas da Teoria da Relatividade Geral de Einstein, foram os primeiros a cogitar um universo que teve um início violento em uma singularidade e são considerados os pais da cosmologia moderna. As soluções da Teoria da Relatividade Geral são classificadas em três tipos (Singh, 2006):
· Se a densidade de matéria for suficientemente grande, o universo é fechado e a expansão será revertida. Nesse caso, se uma nave espacial percorre em linha reta em qualquer direção, voltará ao ponto de partida;
· Se a densidade de matéria for suficientemente pequena, o universo é aberto e a expansão continuará para sempre. Nesse caso, a nave nunca mais retornará ao ponto de partida;
· Se a densidade de matéria for exata para que o universo se equilibre entre fechado e aberto, o universo será plano. A expansão continuará, mas por um tempo finito, embora não haja contração. Uma nave espacial também nunca retornaria ao seu ponto de partida. No universo plano a geometria euclidiana é observada com exatidão.
As observações condizem com um universo plano, embora tenha se notado que a expansão do universo é acelerada, isto é, a expansão está ficando cada vez mais rápida. Utilizando a Lei de Hubble, combinada com outros resultados, prevê-se que a idade do universo seja igual a 13,7 bilhões de anos. Tem-se que considerar que a radiação cósmica de fundo indica uma idade ligeiramente menor, cerca de 300 000 anos a menos. Isso se deve ao fato de a agitação térmica no início do universo ser tão grande que não permitia a combinação de núcleos de hidrogênio e hélio com seus elétrons. Nesse estado da matéria, plasma, a matéria produz luz própria e não é transparente. Torna-se transparente apenas quando a expansão permite o resfriamento da matéria, permitindo a combinação dos núcleos com os elétrons, formando hidrogênio e hélio neutros e transparentes (Singh, 2006).
TEMA 5 – A MATÉRIA ESCURA
Ao se analisar o espetro de uma galáxia individual, nota-se que, em uma de suas bordas, há um sutil desvio para o azul e, na outra, um sutil desvio para o vermelho. Isso indica que a galáxia está em rotação. Porém, a velocidade de rotação da maior parte das galáxias é maior do que a Teoria da Gravitação Universal de Newton supõe: parece haver mais massa nas galáxias do que realmente é observado. Não foi frutífero as tentativas de se observar a matéria faltante em todas as faixas do espectro visível e não visível, nem de maneira indireta. A massa faltante parece não interagir com a matéria visível pelas formas convencionais, apenas pela gravidade. Como essa matéria faltante não emite nenhum espectro luminoso, foi-lhe dada o nome de matéria escura (Singh, 2006; Schneider, 2006).
A proporção da matéria escura em relação à matéria luminosa (a matéria que é possível observar) é extraordinária e as primeiras estimativas já estipulavam dez vezes mais matéria escura do que matéria luminosa. Também se supõe a presença de matéria escura nos aglomerados de galáxias: não há matéria luminosa o suficiente para que as galáxias no aglomerado de Virgem se mantenham coesas. É necessário que haja matéria escura para que o aglomerado fique gravitacionalmente ligado (Schneider, 2006).
A hipótese da matéria escura tem importantes implicações na Teoria do Big Bang. Mas a natureza da matéria escura continua sendo um enigma. Talvez seja matéria bariônica (prótons e nêutrons) que não estejam ligados a nenhuma
estrela, nuvens gasosas ou poeira interestelar. Poderia ser também buracos negros pequenos ou médios, espalhados por todo o universo e não interagindo diretamente com nuvens de gás: nesses casos, os buracos negros são basicamente invisíveis. Há a possibilidade de ser anãs marrons, anãs brancas que já irradiaram praticamente toda sua energia residual ou corpos de tamanhos de planetas que não estão ligados a nenhuma estrela. Porém, pela análise de microlentes gravitacionais observadas na Via Láctea, a massa de buracos negros invisíveis ou anãs marrons não passa de 2% de toda a massa da galáxia, já a matéria escura representa praticamente 90% de toda a massa. A matéria escura deve ser, portanto, constituída de matéria não bariônica, partículas exóticas que ainda não foram detectadas em laboratório na Terra, como monopolos magnéticos ou áxions (Schneider, 2006).
NA PRÁTICA
A Teoria do Big Bang é a teoria científica mais aceita sobre a criação e a evolução do universo, porém ela possui uma vasta gama de ideias abstratas que muitas vezes devem se tornar mais dinâmicas na aprendizagem. Tem-se que ter em mente que o conceito popular e o conceito científico do Big Bang podem divergir. Por exemplo, apesar do nome, não foi uma grande explosão, no sentido comum da palavra, mas uma grande expansão do espaço-tempo que anteriormente não existia.
Dois experimentos práticos e simples podem ser desenvolvidos para dar mais dinâmica ao processo de aprendizagem da teoria. O primeiro deles diz respeito de como a matéria e energia sãodistribuídas por todo o universo com sua expansão. Para isso, consiga duas bexigas, uma bomba de encher pneu de bicicleta e faça várias bolinhas de papel. Não esqueça de canetinhas de ponta espessa. Coloque as bolinhas de papel dentro de uma bexiga. Certifique-se que sejam pequenas. Infle a bexiga com a bomba até que ela estoure. Na explosão, que simula uma expansão rápida, perceba que as bolinhas, que podem ser interpretadas como matéria e energia do universo, se espalha em todas as direções. Da mesma forma há galáxias e aglomerados de galáxias em todas as direções do universo.
Na outra bexiga desenhe bolinhas e manchinhas por toda a superfície. Tente variar os tamanhos das bolinhas e das manchas, inclusive a distância entre elas. Infle a bexiga com a bomba e escolha uma bolinha ou manchinha
qualquer: será a sua referência. Infle a bexiga gradativamente e perceba que as bolinhas e manchinhas vizinhas, embora se afastem da referência, não se afastam com muita rapidez. Agora perceba que as bolinhas e manchinhas mais distantes se afastam mais rapidamente de sua referência. Na expansão do universo, as galáxias mais próximas se afastam da Via Láctea com menor velocidade, ao passo que as mais distantes se afastam mais rapidamente. Aquelas galáxias que estão a mais de dez bilhões de anos-luz da Terra se afastam com velocidades comparáveis com a velocidade da luz.
FINALIZANDO
Por muito tempo a humanidade tentou entender seu papel no universo criando mitos e lendas, as cosmogonias. A primeira cosmologia foi realizada pelos gregos antigos usando explicações racionais, sem divindades e com modelos planetários, como o modelo geocêntrico de Ptolomeu. A cosmologia moderna surgiu quando se tornou ciência, com base em experimentos e observações.
Vieram questões sobre finitude ou infinitude do universo. Olbers fez-se a pergunta: se o universo é infinito e há estrelas infinitas no universo, por que percebemos o céu noturno escuro? A resposta é afirmar que o universo era finito e teve um começo. Ao perceber que as galáxias estão se afastando uma das outras, Hubble apresentou a primeira evidência de um universo em expansão. Se o universo cresce como uma bexiga, então em seu começo o universo ocupava um volume desprezível e se expandiu muito rapidamente, no que ficou conhecido como o Big Bang (a grande explosão). Friedmann e Lemaître previram esse cenário com a Teoria da Relatividade Geral de Einstein. Mas a hipótese do Big Bang demorou para encontrar consenso científico, mas que ficou mais sólido com a descoberta da radiação cósmica de fundo, um remanescente do lampejo que emanou dessa imensa expansão.
REFERÊNCIAS
DAMINELI, A. Hubble: a expansão do universo. São Paulo: Odysseus, 2003.
KEPLER, S. O.; SARAIVA M. F. O. Astronomia e astrofísica. Porto Alegre: Ed. da UFRGS, 2014.
PIETROCOLA, M., et al. Física em contextos. São Paulo: Editora do Brasil, 2016.
SCHNEIDER, P. Extragalactic astronomy and cosmology: an introduction. Berlin: Springer, 2006.
SINGH, S. Big Bang. São Paulo: Record, 2006.
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