Origem do Universo e formação do Sistema Solar

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O PLANETA TERRA E SUAS ORIGENS 
 
Como se formaram os elementos químicos? 
Como se formaram as estrelas? 
Como se formaram os Planetas e o Sistema Solar? 
Qual é a idade da Terra e do Sistema Solar? 
Qual é a idade do Universo? 
Qual o futuro do Sistema Solar e do próprio Universo? 
O que existia antes do Universo? 
 
Estrutura do Universo 
 
 
1. Galáxias  Uma galáxia é um conjunto de vários bilhões de 
estrelas interagindo, gravitacionalmente, poeira, gás e radiação 
cósmica. Todo este sistema é mantido junto pela ação da força 
gravitacional. Existem tipos diferentes de galáxias, classificadas 
pelo seu tamanho e, principalmente, pela sua forma ou 
"morfologia“. 
 
 
Quasars – objetos peculiares com dimensões semelhantes à do nosso 
Sistema Solar, mas com imensa quantidade de energia e 
luminosidade. 
 
Buracos negros – espaços interestrelares de alta densidade que podem 
sugar qualquer matéria das proximidades devido a sua gigantesca 
energia gravitacional. 
 
 
TIPOS DE GALÁXIAS: 
 
Via Láctea é do tipo 
espiral, sendo que o 
Sol (estrela central 
do nosso Sistema 
Solar) está situado 
num de seus braços 
periféricos. 
 
A Via Láctea possui 
também um núcleo 
central , onde 
aparecem 
agrupamento de 
estrelas jovens. 
Estrutura do Universo 
Aglomerado de Virgem, à 40 milhões de anos-luz. 
Este aglomerado contém um grande número de 
galáxias espirais próximo do centro. 
Aglomerado Grupo Local, ao qual pertence a Via 
Láctea, galáxia de Andrômeda e as Nuvens de 
Magalhães 
2. Aglomerados 
 
3. Superconglomerados 
OBSERVAÇÕES ASTRONÔMICAS 
 
1. Visão retrospectiva do Universo - as observações de 
feições mais distantes nos leva a informações de 
épocas passadas – refletem eventos ocorridos há 
vários bilhões de anos-luz. 
 
2. Visão comparativa - grande quantidade de estrelas 
disponíveis permite a observação de diferentes 
tipologias e estágios de evolução estelar. 
Como nasceu o Universo? 
 
 Partiram das complicadas equações de campo gravitacional de 
Einstein, adotando a hipótese de um Universo homogêneo no 
espaço, mas descartaram a idéia de um Universo imutável no 
tempo. 
 Isso lhes permitiu chegar, entre 1922 e 1927, a um conjunto de 
soluções que descreviam um universo em expansão em todas as 
direções com as galáxias se afastando umas das outras. 
 Essa expansão teria se originado a partir da singularidade, um 
ponto matemático de densidade infinita. 
Alexander Friedmann (1888-1925) - meteorologista e 
matemático russo 
 Georges Lemaitre (1894-1966) - padre e matemático belga. 
 
 Em 1929, Edwin Hubble , astrônomo 
norte-americano, descobriu que o 
espectro da luz proveniente das 
galáxias distantes apresentava um 
red-shift (desvio para o vermelho). 
 
 As medições de Hubble mostraram 
que, quanto mais longe estivesse 
uma galáxia, maior era seu desvio 
para o vermelho, o que indica uma 
maior velocidade de afastamento. 
Fazendo uma relação entre as 
velocidades de expansão e as 
distâncias de cada galáxia, foi 
encontrado um valor constante: a 
constante de Hubble. (18 Km/s.106 
anos-luz. 
 
 Teoria do Big Bang 
 
 
Em 1923, Edwin Powell Hubble (1889-1953) , 
usando o recém instalado telescópio de 2,5 m 
de diâmetro do Monte Wilson, na Califórnia, 
resolveu as estrelas individuais na galáxia de 
Andrômeda, demonstrando conclusivamente 
que nossa galáxia não é a única no Universo. 
 
 
 1964 os radio-astrônomos, Arno Penzias e Robert Wilson, 
descobriram um fraquíssimo ruído de rádio que vinha de todas as 
direções do céu ao mesmo tempo. 
 
 Na mesma época em Princeton um grupo de físicos (liderados por 
Robert Dicke) haviam deduzido teoricamente a existência de uma 
fraquíssima radiação de fundo, que deveria preencher 
uniformemente o espaço. Seria uma espécie de energia térmica 
residual do Big Bang. 
 
 Prêmio Nobel de Física em 1978. 
 
 Robert W. Wilson e Arno A. Penzias davanti 
l'antenna dei laboratori della Bell Telephone a 
Holmdel,New Jersey con cui scoprirono la 
radiazione di fondo 
 
Teoria do Big Bang: toda a matéria do universo estava reunida num espaço 
muito pequeno de densidade e temperaturas extremamente altas, 
virtualmente infinitas. Matéria e energia seriam indistinguíveis e conceitos 
de espaço e tempo não fariam sentido. O Universo teria se originado numa 
explosão apocalíptica entre 13 e 15 bilhões de anos atrás. 
Instante 0/10-43segundos: Tempo de Planck - entra em ação forças ainda 
desconhecidas. Pouca coisa se conhece, pois as leis da física, como são conhecidas hoje 
não valiam. 
 
Instante 10-43/10-9segundos: Bilionésima parte de um segundo - surgem 
partículas enormes que desaparecem devolvendo energia ao ambiente. Existe 
apenas uma pasta energética que se expande rapidamente, formado por 
fótons e quarks livres. 
 
Entre os instantes 10-41 e 10-37 todas as forças que conhecemos, gravidade, 
eletromagnética, nuclear fraca e nuclear forte estavam unidas em uma única 
força, a chamada Grande Unificação. Após esses instantes elas se desaclopam 
e se transformam nas forças citadas. O universo ainda é muito quente e 
partículas são criadas e destruídas a uma velocidade impressionante. 
 
Instante 10-9/10-5segundos: surgem os prótons, que mais tarde vão se 
juntar aos nêutrons e elétrons (ambos ainda não criados) para formar a 
matéria do universo. Os prótons surgiram devido ao resfriamento do universo 
e a conseqüente união de quarks. Mas o universo ainda é muito quente, 
quente e opaco. A luz não consegue viajar através dele. 
 
Instante 10-5/10-1segundos: nascem os mésons. Mésons são partículas que 
pertencem a família dos léptons, a mesma dos elétrons. Os mésons são muito 
mais pesados que os elétrons e por isso tem vida curta: logo se desintegram 
em outras partículas, colidindo com outros já existentes e gerando novos 
mésons. Ao aproximarmos do tempo 10-1segundos, finalmente surgem os 
elétrons e outros léptons. Observe que o universo ainda não tem um segundo 
de idade. 
 
Instante 10-1/101segundos: o universo ainda é um bebê, chegando a 10 
segundos de idade. As relações entre prótons e nêutrons são fixadas. O 
resfriamento a partir de então passa a ser lento e a idade contada em anos. 
Instante 101/1011anos: o universo ficou milhões de anos esfriando e as 
temperaturas já não são tão quentes. Hidrogênio deutério e hélio surgem nas 
quantidades que temos hoje, prenunciando as estrelas mais velhas. 
 
Instante 1011/1013anos: séculos e séculos se passaram silenciosamente e, 
finalmente, a luz pode viajar pelo universo sem se chocar com uma grande 
quantidade de partículas. O universo é transparente. Os núcleos de hidrogênio 
deutério e hélio criam átomos mais pesados: a chamada Era Atômica. A 
temperatura mais amena propicia a síntese das primeiras estrelas. 
 
Instante 1013/Hoje: a gravidade, agindo sobre os gases estelares forma os 
quasares (objetos quase estelares). As primeiras estrelas, como o nosso Sol, 
nascem e morrem. A poeira cósmica com núcleos atômicos mais pesados forma 
os planetas. 
 
A imagem da sonda WMAP - flutuações de temperatura com mais de 13 mil 
milhões de anos (com cores diferentes) que corresponde àquilo que 
poderão ser as "sementes" que se tornaram galáxias. Calcula-se que o 
Universo tenha 13,7 mil milhões de anos, (margem de erro 1%). 
 
Cosmos constituído por 
4% de matéria, 23% 
de uma matéria ainda 
desconhecida 
denominada "matéria 
negra" e 73% de uma 
"energia negra", cujo 
papel no Universo 
ainda é um mistério, 
mas que se pensa agir 
como uma força anti-
gravitacional, que atrai 
a matéria. 
Sonda da agência espacial norte-americana 
Wilkinson Microwave AnisotropyProbe 
(WMAP). 
Evolução estelar e formação dos elementos 
Estrelas são enormes esferas de gás a alta temperatura (milhões de graus), 
geram a sua própria energia através de reações nucleares de fusão. 
1. A formação de uma estrela se dá pela condensação de nuvens 
gigantescas de gás (H e He) e partículas sólidas (poeira interestelar) 
através da atração gravitacional acompanhada pela elevação da 
temperatura no seu interior. 
 
2. A colisão das moléculas do gás faz com que a temperatura e a densidade 
aumentem até ao ponto em que o hidrogénio se começa a fundir e a 
formar hélio (4 núcleos de H fundem formando um de 4He). Como essa 
reação é exotérmica, a energia liberada mantém a pressão no interior da 
estrela, contrabalançando as forças gravitacionais que atraem a matéria 
da estrela em direção ao seu próprio centro. (Gigante Vermelha) 
 
4. Queimado todo o H da estrela, o He resultante forma um núcleo estelar 
onde a temperatura não é mais suficiente para dar continuidade às 
reações termonucleares, assim, a pressão interna diminui, 
desequilibrando as forças que mantinham a estrutura da estrela. 
 
5. A atração gravitacional faz com que as camadas externas comecem a 
cair rumo ao centro do astro, aumentando a pressão interna e a 
temperatura a um ponto suficiente para que se iniciem as reações 
nucleares do He. 
 
6. Analogamente à fase anterior, essa fase continua até que todo o hélio 
seja queimado, sobrando agora um núcleo estelar de carbono, diminuindo 
a pressão e a temperatura (Supergigante Vermelha). 
 
7. Novamente a matéria externa cai rumo ao centro, cresce a temperatura 
até iniciar a ignição do carbono, que novamente estabiliza a estrela. Esse 
processo se repete até que o núcleo central seja formado por ferro 
(Supernova). 
 
A fusão nuclear do ferro para formar elementos mais pesado não ocorre, 
pois esse elemento tem a maior energia de ligação por núcleon e esse tipo 
de reação requereria energia externa. 
Uma das duas galáxias menores, atravessou a galáxia 
maior e provocou uma onda na galáxia maior que segue 
empurrando gases e poeira a uma velocidade superior a 
600 mil km/h. 
 
Fig. 1.5 Diagrama H-R (Hetrzsprung-Russel), no 
qual o tipo espectral de muitas estrelas cujas 
distâncias são conhecidas, está representado em 
função da luminosidade (relativa ao Sol=1). 
O Sistema Solar 
 Formado a 4,6 Ba (Universos  ,1 Ba) 
 Originado provavelmente da explosão de uma Supernova, estimada 
em aproximadamente 8 massas solares, que em sua fase final teria 
sintetizado os elementos pesados que hoje constituem o Sol e seus 
planetas. 
 Primórdios da evolução - Sol inicia o processo de fusão nuclear e 
as temperaturas na região mais interna (aprox. até a órbita de 
Júpter) permaneciam muito elevadas. 
 Haveria um resfriamento gradativo, pela perda de energia por 
radiação e parte do gás teria se condensado em partículas 
sólidas, iniciando o processo de acresção planetária (colisões 
entre partículas devido a atração gravitacional). 
 Formação de planetésimos – corpos com dimensões de 1 km 
 Formação dos Protoplanetas – aglomeração de planetésimos 
 Por fim atração de todo material sólido que girava nas 
proximidades, dando origem aos planetas. 
Origem do Sistema Solar (Sfranov, 
1972) – nebulosa de gás e poeira cósmica, 
em forma de um disco achatado, em lenta 
rotação. 
 
Modelos de formação dos Planetas 
Impacto de meteorito 
Fragmentos de matéria sólida 
proveniente do espaço. 
 
Maioria é destruída e 
volatilizada pelo atrito quando 
ingressa na atmosfera 
terrestre. 
Cratera de Meterorito de 50.000 anos (Arizona) 
Classificação dos Meteoritos 
 INTERNOS: Mercúrio, Venus, 
Terra e Marte. 
 
 
 EXTERNOS: Jupiter, Saturno, 
Urano, Netuno e Plutão. 
 
 
 CINTURÃO DE ASTEROIDES 
localizado entre Marte e Jupiter. 
Classificação dos Planetas: 
1. Quanto a posição relativa ao Sol: 
2. Quanto ao tamanho: 
 PEQUENOS: Mercúrio, Venus, Terra, Marte e Plutão. Menores que 
13000 km. 
 
 GIGANTES: Jupiter, Saturno, Urano e Neptuno. Maiores que 
48000 km. 
3. Quanto a composição: 
 TERRESTRES OU ROCHOSOS: Mercúrio, Venus, Terra e Marte 
 
São planetas constituídos por material rochoso, são densos, 
apresentam rotação lenta e superfície sólida, assim como poucos 
satellites. Ausência de anéis. 
 
 JOVIAIS OU GASOSOS: Jupiter, Saturno, Uranos e Netuno: 
 
São planetas constituídos principalmente por hidrogênio e hélio. Em 
geral possuem baixa densidade, alta rotação e atmosfera densa. 
 
 PLUTÃO: pequeno corpo congelado de metano, água e rocha. 
 
Obliquidade dos Nove Planetas : o ângulo entre o plano equatorial 
de um planeta e o seu plano orbital. Vênus, Urano e Plutão têm uma 
rotação retrógrada, ou uma rotação na direção oposta em relação 
aos outros planetas. (Copyright 1999 por Calvin J. Hamilton) 
O SOL 
 Formado de He pela 
queima de H, há cerca de 
4,6 Ba. 
 Representa 99,8% da 
massa do Sistema Solar. 
 Diametro: 1.390.000 Km 
 Massa: 1.989 x 1030 kg 
 Temperatura: 5800 K 
(surperfície) e 
15.600.000 K (núcleo) 
 
PLANETAS 
 INTERNOS 
TERRA 
 Massa  6 x 1026 kg 
 Densidade de 5,52 g/cm3 
 Volume 1,083 x 1012 km3 
 Atmosfera – N, H, O e Ar. 
 Conjunto de condições que favorecem a 
existência e a estabilidade de muitas formas 
de vida. 
 Coloração azul devido a envoltórios fluídos, que 
recobrem a atmosfera, e devido a hidrosfera. 
basaltos 
anortositos 
Idades obtidas > 4.0 Ba 
Planícies 
Highlands 
LUA 
 Ambos os corpos 
diferenciados -núcleo 
metálico e manto silicático; 
 Após a colisão - corpo 
impactante e parte do manto 
terrestre - despedaçados - 
muitos compostos voláteis 
foram liberados; 
 Grande parte do manto do 
objeto que colidiu teria sido 
ejetada para uma situação 
orbital e coalesceria 
rapidamente formando um 
Lua, parcial, ou totalmente 
fundida; 
 Grande parte do material do 
núcleo do corpo impactante, 
teria sido incorporado a 
Terra. 
Simulação de computador sobre a origem da Lua: 
impacto oblíquo de um objeto com cerca de 0,14 da massa terrestre, 
com velocidade de 5 km/s, durante os estágios finais de acresção 
planetária 
MERCÚRIO 
Vista 
de 
 Mercúrio 
Órbita: 57.910.000 km (0.38 AU) do Sol 
Diãmtero: 4.880 km 
Massa: 3.30e23 kg 
 Praticamente não tem atmosfera 
 Geologicamente inativo 
 Superfície árida 
 Preserva grande quantidades de crateras de 
impacto, resultado de bombardeio de ocorrido nos 
primórdios da evolução do Sistema Solar. 
Imagens da superfície de Mercúrio – 
semelhancas com a Lua 
VÊNUS 
Órbita: 108,200,000 km 
Diâmetro: 12,103.6 km 
Massa: 4.869e24 kg 
 Planeta de maior semelhança com a Terra (tamanho, 
peso e elementos químicos) 
 Possui uma atmosfera densa (basicamente CO2, e 
quantidades menores de N, SO2) 
 
 Possui rochas com composição 
basálticas. 
 Pressão atmosférica cerca de 92 
bars 
 Enorme quantidade de gás 
carbônico – efeito estufa – Tºs 
quase 500ºC; 
 Grande quantidades de vulcôes – 
regiões com elevadas 
quantidades de calor; 
 
Vulcão Sif Mons e superfície de Vênus coberta 
por derrames de lavas - Magelan 
MARTE 
 Massa total 11% da massa da Terra; 
 Atmosfera tenue (Patm – 0,007 bar); 
 Atmosfera rica em CO2 com 
diminutas quantidades de N e Ar.; 
 Processos geológicos dominados por 
ventos, constante modificações por 
tempestades de areia; 
 Temperatura superfial baixa < 0ºC; 
 Hemisfério sul – relevo mais elevado 
e acidentado; 
 Hemisfério norte – planícies 
pontilhadas por enormes vulcões; 
Monte Olimpus – maior vulcão conhecidodo 
Sistema Solar. (h = 26 km) 
 Atualmente não se tem observado evidências 
de atividades geológicas em marte. 
JÚPITER 
 Gigante gasoso formado por He e H; 
 Pelo tamanho descomunal pode ser 
considera como uma estrela que 
falhou; 
 Possivelmente brilhou tal como uma 
estrela nos primórdios de sua 
evolução, porém com intensidade 
fraca; 
 Possui alguns anéis e vários satélites, 
todos diferentes entre si e formados 
por material sólido. 
 Temperatura de –140ºC a 0º 
PLANETAS EXTERNOS - Esfera de gás comprimido de 
baixa densidade 
Anéis de Júpiter 
Satélites de Júpiter 
SATURNO 
 Gigante gasoso formado por H e He; 
 Possui um cinturão de anéis que alternam zonas de alta luminosidade e 
zonas escuras; 
 Pouco se conhece a cerca do interior de Saturno; 
URANO 
 Possuem cerca de 20% de H 
e He, mas suas massas 
compreendem também 
sólidos, incluindo gelo e 
material rochoso; 
 A superfície visível é 
corresponde a uma capa de 
metano e hidrogênio 
molecular; 
 Temperatura da capa de –
210ºC; 
 No plano equatorial está 
situado cinco satélites: 
Miranda, Ariel, Umbriel, 
Titania e Oberon. 
NETUNO 
 Como os demais planetas de gás – 
sua atmosfera é basicamente 
composta de hidrogênio e hélio 
 Supõe-se que não tenha 
superfície sólida. 
 
 A cor azul de Netuno, 
deve-se à presença 
constante de metano em 
sua atmosfera. 
 
PLUTÃO 
 Pequeno corpo congelado, constituído 
por metano, água e rocha 
 Possui um satélite chamado Carone 
 Crê-se que a superfície de Plutão 
atinge temperaturas até -240°C. 
Plutão 
Carone 
Parâmetros físicos dos planetas do Sistema Solar. 
O CINTURÃO DE ASTERÓIDES 
 Localizado entre as órbitas de 
Marte e Júpiter; 
 Anel com 150.000 km de 
fragmentos rochosos que se 
situa entre as órbitas de de Marte 
e Júpiter. 
 Variam de tamanho e a maioria 
tem uma forma irregular. 
 A gravidade de Júpiter impede–
os de se tornarem um planeta. 
 Ocasionalmente, os asteróides 
colidem com plantas. Pequenos 
fragmentos de asteróides 
colidem com a Terra, como 
meteoritos. 
 
COMETAS 
 São constituídos predominantemente 
por material gasoso que representa a 
matéria primordial da nebulosa solar, 
 Formados durante o processo de 
acresção planetária não puderam 
originar protoplanetas por estarem 
muito afastados entre si; 
 
Impacto do cometa Shoemaker-Levy em Jupiter (maio de 1994) 
Cometa Halley (se aproxima 
da Terra a cada 75-76 anos)