O Surgimento do Universo e da Terra

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Disciplina: Geologia
Aula 01: O surgimento do Universo e do Planeta Terra
Apresentação
A curiosidade natural do homem, em desvendar os mistérios da natureza, levou-o ao
estudo da Terra. Perguntas como: De onde vem as lavas dos vulcões? O que causa os
terremotos? Como se formam as montanhas? De que modo se formaram os planetas
e as estrelas? e muitas outras, sempre foram enigmas que o homem vem tentando
decifrar.
O principal motivo que impulsiona o homem a melhor conhecer a Terra é o fato de ter
que usar materiais extraídos do subsolo para atender as suas necessidades básicas. 
Na Idade Média, acreditava-se que a Terra era o centro do Universo e que todos os
outros astros, como o Sol, a Lua, os planetas e as estrelas giravam em torno dela.
Com o desenvolvimento da ciência e da tecnologia, o homem pôde comprovar que a
Terra pertence ao um conjunto de planetas e outros astros, que giram em torno do
Sol, formando o sistema solar. 
Descobriu-se que a própria Terra se modifica através dos tempos. Por exemplo, áreas
que hoje estão cobertas pelo mar, há 15 mil anos eram planícies costeiras, como no
litoral do Brasil. Regiões que estavam submersas há milhões de anos, formam agora
montanhas elevadas como os Alpes e os Andes. Lugares onde existiam exuberantes
florestas estão hoje recobertos pelo gelo da Antártica ou transformaram-se em
desertos, como o Saara.
Objetivos
Reconhecer as principais teorias científicas que explicam a origem e o
desenvolvimento do Universo e do planeta Terra, sendo elas a teoria
Inflacionária e do Big Bang;
Compreender a estruturas do Universo e as partes que o compõem analisando-
as de forma integrada;
Identificar como ocorreu a formação dos elementos químicos no Universo e
consequentemente no planeta Terra.
Diversas teorias buscam entender a origem do Universo em uma reflexão
sobre quem está com a razão. A princípio, toda cultura busca estabelecer sua
própria origem, uma vez que a religião sempre parte do início para contar sua
história. É por isso que diversos escritos religiosos iniciam utilizando a
expressão "No princípio...", "No começo...", ou similares. 
Ao contrário disso, a ciência não se baseia nesses pressupostos, diversos
cientistas buscaram criar teorias que explicassem como surgiu tudo que nos
cerca, a fim de responder a uma antiga pergunta:
De onde viemos e para onde
vamos?
O ramo científico faz uso de experimentos e pesquisas para se chegar a uma
conclusão mais exata de como realmente teria sido o início do Universo. De
qualquer forma, o tema levanta muito questionamento e se torna polêmico
dependendo dos rumos que as discussões tomam.
 Universo | Fonte: Shuterstock / NikoNomad
 Planeta Terra | Fonte:
https://goo.gl/uaiz6j
<https://goo.gl/uaiz6j>
O planeta Terra é formado por um material semelhante àquele que compõe os
demais planetas do Sistema Solar e tudo mais que faz parte do Universo. Por
isso, na investigação da origem e evolução da Terra, é necessário realizar a
uma análise do espaço exterior mais longínquo e, ao mesmo tempo, das
evidências que temos do passado que são registradas nas formas. Existe uma
necessidade de interdisciplinaridade.
Bem além dos debates entre religião e ciência, muitas respostas primordiais
sobre o Universo, o surgimento do nosso planeta e a nossa existência foram
obtidas ao longo do tempo, tanto por meio das ciências da Física, Química e
Matemática, quanto pelos estudos dos materiais que compõem o nosso
planeta e os corpos celestes.
A curiosidade e o fascínio dessas questões inspiram muitas perguntas e
mobiliza cientistas e curiosos. Dentre as teorias mais conhecidas, no meio
acadêmico, selecionamos duas:
a teoria do Big Bang;
a teoria do Sistema Nebular para formação dos sistemas solares.
O Surgimento do Universo
https://goo.gl/uaiz6j
Ao estudo do Universo e o entendimento de sua forma, idade, origem,
evolução e dinâmica, dá-se o nome de Cosmologia, um subcampo da
Geologia. A Cosmologia assume uma versão simplificada do Universo, na qual
ele é homogêneo e isotrópico — a hipótese do Princípio Cosmológico.
Atividade
1. Quando se diz que um universo é homogêneo, significa que:
 a) Sua densidade média é igual em qualquer ponto do espaço.
 b) Sua aparência é a mesma em qualquer direção.
Ambos os princípios implicam em um Universo uniforme,
sem orientação e direção especiais. 
O princípio cosmológico só é válido para grandes escalas, não sendo indicado
para análises com escalas de maior detalhe.

Exemplo
Com relação ao Sistema Solar, há diversos corpos de elevada densidade
— planetas, luas e asteroides —, em oposição a vastas distâncias vazias
entre eles.
Mesmo em escalas ainda maiores, na ordem de milhões de anos-luz,
temos a presença de galáxias e outros aglomerados de corpos celestes
ao mesmo tempo em que há presença de muitos vazios do Universo.
Apenas em escalas de elevadíssima ordem de grandeza o princípio
cosmológico é válido: na ordem de bilhões de anos-luz, podemos
considerar galáxias e superaglomerados como pontos muito pequenos,
assumindo assim um Universo com a distribuição uniforme de densidade
de matéria.
Teoria do Sistema Nebular
A Teoria do Universo Nebular, ou Hipótese Nebular, entende o Universo e a sua
origem como uma nuvem de gás e poeira que rotaciona ao redor de um
eixo.
 Ilustração da Teoria do Sistema Nebular
A
Essa nuvem, então, em um movimento de rotação mais lento, contraiu-se por
conta da atração da gravidade existente entre os corpos e a poeira que a
formavam.
B
file:///C:/inetpub/wwwroot/graduacao/2018.2/Geologia__GON945/aula1.html
A contração acelera a rotação das partículas, causando um achatamento da
nuvem, que toma a forma de uma elipse bastante achatada, como um disco.
C
A matéria da nuvem passa a se concentrar no centro dessa elipse, e dá
origem a uma protoestrela — o estágio pretérito do nosso Sol. - Cada vez
mais que essa protoestrela aumentava sua concentração de matéria, sua força
gravitacional tornava-se ainda maior, atraindo ainda mais matéria, em um
ciclo positivo.
Desse ciclo, há o aumento da sua densidade, opacidade e temperatura, e
muitas substâncias que, devido à temperatura baixa do Universo,
encontravam-se em forma sólida (gelo, gases metano, entre outros)
vaporizam-se na proximidade com a protoestrela.
D
Depois que as reações nucleares da nova protoestrela se estabilizam, esse
astro seria responsável por expelir ventos estelares. Tal processo levou a um
esvaziamento das suas áreas adjacentes; a matéria, deslocada, formou o
chamado disco, passando a orbitar ao redor da protoestrela.
E
A atração gravitacional mútua do Sol e dos corpos que compunham o disco
protoplanetário levou à condensação de outros corpos, formando os planetas
e suas luas.
Considerando essa teoria, nosso sistema solar tem uma idade de
aproximadamente seis bilhões de anos, quando houve a contração das nuvens
da Via Láctea. Sua poeira e seus gases se aglutinaram e, há
aproximadamente 4.5 bilhões de anos, deram origem a diversos corpos
esféricos que se deslocavam em torno de uma estrela incandescente que deu
origem ao Sol. 
As esferas menores deram origem aos planetas de nosso sistema, entre eles a
Terra. Por conta da gravidade e dos movimentos de rotação terrestres,
materiais mais densos, como o ferro, concentraram-se no núcleo; já materiais
menos densos, como os gases, além de metais como alumínio e silício,
deslocaram-se para a superfície. Estes gases foram, em seguida, varridos da
superfície do planeta por ventos solares.
Teoria do Big Bang
Em 1924, o conhecimento sobre nosso Universo alcançou novos patamares,
quando Edwin Powell Hubble, utilizando apenas um telescópio de 2,5 metros,
provou que as estruturas de nebulosas difusas eram galáxias, como a nossa.
Em 1929, o mesmo pesquisador demonstrou tanto que as galáxias se
afastavam uma das outras como também conseguiu determinar as
velocidades de afastamento — velocidades estas que eram proporcionais às
suas distâncias. 
Quanto mais distantes as galáxias, mais rápida era a velocidade de
afastamento. Ainda,Hubble descobriu o chamado redshift, processo físico pelo
qual o comprimento de onda da luz proveniente de galáxias distantes mudava
para o vermelho — por meio desse processo, era possível estimar a distância
entre as galáxias. (STEINER, 2006)
 Edwin Powell Hubble| Fonte: wikipedia / Johan
Hagemeyer.
O processo de afastamento das galáxias e a expansão do Universo podem ser
entendidos por meio de uma simples analogia: imagine que o Universo possui
duas dimensões, assim como um balão de aniversário vazio. 
Nesse balão, desenha-se galáxias bidimensionais, onde habita um ser
bidimensional, que observa a dinâmica das galáxias ao seu redor. Ao passo
que o balão é inflado e se expande, as galáxias mais próximas do ser
bidimensional vão se afastar mais lentamente que as galáxias que se
encontram mais longe. Assim, o indivíduo que habita o “universo-balão”, por
meio da observação das galáxias e a expansão do universo, descobre a Lei de
Hubble.
A Lei de Hubble mostra que o nosso Universo
está em constante expansão. Ao regressar no
tempo, o Universo era menor do que é hoje, e no
futuro, ele será maior. Pode-se voltar no tempo
até um ponto onde o balão de aniversário, de
tão pequeno, seria como um ponto. A estimativa
é de que, há 13,7 bilhões de anos, o Universo
era apenas um ponto e começou sua expansão. 
Outros cientistas já haviam hipotetizado a expansão do Universo, como o
Cientista russo Alexander Alexandrovich Friedmann, já em 1922; e pelo
Padre, Engenheiro Civil e Cosmólogo Georges-Henri Édouard Lemaître.
Os estudos de Hubble fornecem as evidências necessárias para corroborar tais
pesquisas.
 Edwin Hubble observando pelo Telescópio Hooker em Monte Wilson, Califórnia, 1937. | Fonte:
https://goo.gl/JFHKaj <https://goo.gl/JFHKaj>
O Big Bang deixou resíduos observáveis até hoje. No final dos anos 1940, o
astrônomo George Gamow teorizou que, antes da explosão, o Universo era
tão compacto e quente que emitia muita luz. Quando houve sua expansão,
sua luz resfriou-se, atingindo um valor de temperatura estimado em cerca de
5 graus Kelvin, e comprimentos de onda da ordem das micro-ondas (variando
de alguns centímetros até metros).
Não muito tempo depois, em 1965, os Engenheiros Arno Penzias e Robert
Wilson mediram um ruído que atrapalhava transmissões em sistemas de
telecomunicações: o ruído estava presente de maneira omnidirecional, ou
seja, em todas as direções para quais as antenas eram apontadas.
O comprimento de onda, desse ruído eletromagnético, era da ordem das
micro-ondas, e a temperatura apenas ligeiramente diferente da teorizada por
Gamow — cerca de 3K. O ruído era a confirmação dos resíduos da explosão
do Big Bang! Ambos os Engenheiros Penzias e Wilson receberam o Prêmio
Nobel de Física, pela sua descoberta, em 1978. 
https://goo.gl/JFHKaj
 Geoge Gamow | Fonte:
 Legenda: Robert W. Wilson (à esquerda) e
Arno Penzias.| Fonte: https://goo.gl/Sfd19V
<https://goo.gl/Sfd19V>
Pode-se realizar uma história cronológica do Big Bang: o primeiro
microssegundo é considerado o seu período de formação, quando a matéria
dominava a antimatéria, e a temperatura média era da ordem de 1032K e
todas as interações fundamentais da matéria (a força gravitacional, a força
eletromagnética e a força nuclear) eram consideradas como uma só força.
Após 43 segundos do início do Big Bang, a interação gravitacional pôde ser
considerada como uma força diferente das outras forças supracitadas.
A radiação de fundo descoberta por Penzias e Wilson datam de 380 mil anos.
Apenas cerca de 100 milhões de anos depois do primeiro microssegundo que
se estima a origem das primeiras galáxias e estrelas.
Essas galáxias foram as primeiras estruturas do Universo ligadas
através da força gravitacional, e eram formadas, basicamente, por
matéria escura incapaz de emitir luz. A matéria ainda não era
organizada como conhecemos hoje, em estruturas atômicas, mas sim
formadas por núcleos atômicos, elétrons e fótons livres.
https://goo.gl/Sfd19V
Apenas com o resfriamento do Universo tais partículas passam a formar
átomos. Atualmente, a temperatura do Universo é a mesma da radiação de
fundo detectada por Penzias e Wilson, ou seja, cerca de 3K.
Na figura a seguir, podemos observar que, com o passar do tempo, estrelas e
galáxias foram se formando, e como é a distribuição atual.
 Expansão do Universo e formação de sua estrutura após a grande explosão.| Fonte:
https://goo.gl/w4oEFP <https://goo.gl/w4oEFP>
Em síntese, a teoria do Big Bang parte do pressuposto que todo o Universo,
como conhecemos, originou-se a partir de um único ponto, de densidade
quase infinita. Ao detonar-se, passa a ter um início não só espacial, mas
temporal, e a expansão de toda sua matéria teria dado origem ao Universo.
Estrutura do Universo
O Universo se expande, as galáxias se afastam, resultando em distâncias cada
vez maiores. A própria Lua, inicialmente, se encontrava muito mais perto da
Terra. Se tudo se afasta, suponha-se que, em projeção ao contrário, no início
tudo estava muito próximo, ocupando um volume mínimo, há 13,7 bilhões de
anos. 
https://goo.gl/w4oEFP
Um ano-luz equivale à distância que a luz, em sua
velocidade de 300 mil km/s, viaja durante um ano. De
maneira hierárquica, o universo organiza-se na forma de
superaglomerados, podendo alcançar dimensões de até
centenas de milhares de anos-luz. 
Tais aglomerados são compostos por galáxias, que possuem bilhões de
estrelas e, em média, com dimensões da ordem de 100 mil anos-luz. Algumas
galáxias contêm grande quantidade de gás e poeira, formando estruturas de
braços espirais, onde novas estrelas são formadas. 

Saiba mais
A descoberta das galáxias, como sistemas exteriores à Via Láctea,
aconteceu em 1923, em consequência das pesquisas realizadas por
Edwin Hubble com a Galáxia de Andrômeda, utilizando o telescópio, de
2.5 metros, em Mount Wilson, Califórnia, Estados Unidos.
Anteriormente, todos os objetos extensos, galáxias, aglomerados estelares,
nebulosas planetárias eram classificadas como nebulosas.
Hubble classificou as galáxias de acordo com a sua forma em três tipos
básicos:
1) Galáxias espirais
Organizam-se em forma de espiral, principalmente quando observadas do
topo. Também podem ser do tipo espiral-barrada, e ambas são categorizadas
como espirais de disco.
2) Galáxias elípticas
São mais comuns em aglomerados, sendo raramente encontradas sozinhas.
Possuem estrelas mais antigas, e organizam-se em um padrão mais
esferoidal.
3) Galáxias irregulares
São representadas por aquelas que não coincidem com o esquema de Hubble
de galáxias elípticas e espirais.
Vamos saber mais.
1) Galáxias espirais
Tais galáxias são assim chamadas porque são formadas por um disco de
estrelas e materiais interestelares, que por sua vez constituem os
padrões espirais. As suas proporções são semelhantes àquelas de um
CD, mas com o furo central mais largo.
Algumas galáxias não apresentam tais proporções, como é o caso da
Galáxia do Sombrero (M104), que mais lembra uma galáxia elíptica.
Outras galáxias espirais não são proporcionais, ou ainda não apresentam
bojo central.
Pode-se dizer que as galáxias espirais típicas possuem um núcleo, um
disco, um halo e braços espirais. Elas variam entre si de acordo com o
tamanho desses atributos e de seus graus de desenvolvimento.
Hubble propôs um esquema onde tais galáxias são divididas nas
categorias Sa, Sb e Sc, em função da proporção do tamanho do seu
núcleo e do seu disco, e do grau de desenvolvimento dos braços espirais.
Exemplos de galáxias espirais são a Galáxia de Andrómeda (M31) e a
nossa própria Via Láctea.
2) Galáxias elípticas
Dentre as galáxias elípticas, pode-se citar as anãs elípticas, mas, a
despeito do nome, tais galáxias podem ser gigantes. Na Via-Láctea,
encontram-se muitas anãs elípticas. Por conta da idade dessas
formações, além das estrelas mais antigas, galáxias anãs caracterizam-
se pela escassez de gases e poeiras, já que se encontram em estágios de
evolução mais desenvolvidos.
Por conta de sua composição química(baixa concentração de metais),
são chamadas de populações do tipo II, e possuem cores azuladas, ao
contrário de estrelas jovens, que tendem a ser amareladas e vermelhas.
3) Galáxias irregulares
Existe apenas uma galáxia irregular, no Catálogo de Messier, que foi
compilado pelo Astrônomo francês Charles Messier, entre 1764 e 1781,
sendo composto por 110 objetos do céu profundo, como nebulosas,
aglomerados estelares e galáxias que poderiam ser confundidos com
cometas, objetos de brilho fraco e difusos no céu noturno.
Essa é a M82, uma galáxia com um disco distorcido. A distorção é devido
à interação gravitacional com a sua maior e mais massiva galáxia vizinha
M81.
Formação dos elementos químicos
É possível que você esteja se perguntando...como se formam os
elementos que constituem o Universo?
Eles podem se formar por dois processos:
Nucleogênese
Que ocorreram principalmente durante a fase seguinte ao Big Bang
(hidrogênio e hélio).
Featured
Que se dá no interior das estrelas (elementos que possuem número atômico
entre o hélio e o ferro).
Nos momentos inicias de uma estrela, seu material
encontra-se pouco coeso, expandido, e sua temperatura é
relativamente baixa. Durante o processo de contração e
adensamento da estrela, sua temperatura eleva-se
proporcionalmente.
Materiais como o hidrogênio (H) começam a queimar quando a
temperatura da estrela atinge a ordem de 107K.
Explosões de supernova têm como característica lançar, no espaço, muitos
elementos formados em seus interiores. Esse material mistura-se naquele que
já existe no espaço, e, quando novas estrelas se formam, já possuem à
disposição novos elementos, como materiais pesados e isótopos radiativos de
meia-vida longa (como U e Th).

Comentário
Estima-se que estrelas mais novas possuem até mil vezes mais ferro e
outros elementos que aquelas mais antigas — a cada nova formação, as
estrelas tornam-se progressivamente mais ricas em termos de elementos
2
file:///C:/inetpub/wwwroot/graduacao/2018.2/Geologia__GON945/aula1.html
formadores. Pode-se afirmar que existe uma relação direta entre a
dinâmica das estrelas e a riqueza de materiais formadores em sistemas
estelares.
O Sistema Solar possui, entre seus elementos formadores, materiais pesados
e uma composição química coerente com àquela de um sistema mais jovem
(Tabela: cronologia do Big Bang
<galeria/aula1/anexo/Cronologia_do_Big_Bang.pdf> ). Estima-se que
o nosso sistema se formou há 4,6 bilhões de anos, quando a idade do
Universo era de 8 a 10 bilhões de anos.
A origem dos nossos materiais deu-se pela explosão de uma supernova, com
cerca de 8 massas solares.
Atividade
2. Segundo a teoria do Big Bang como era o Universo no seu início?
3. Observando as diversas formas que compõem o Universo, descreva as
características de uma galáxia do tipo espiral.
file:///C:/inetpub/wwwroot/graduacao/2018.2/Geologia__GON945/galeria/aula1/anexo/Cronologia_do_Big_Bang.pdf
4. O nosso Universo se estrutura em galáxias que são gigantescos
sistemas formados por bilhões de estrelas. Algumas contêm grande
quantidade de gás e poeira, formando estruturas diferentes. Quais são
essas estruturas?
 a) Plana e Retilínea.
 b) Espiral e Elíptica.
 c) Elíptica e Plana.
 d) Retilínea e Espiral.
 e) Convectivas e Planas.
5. Ao longo do tempo, várias teorias surgiram para tentar explicar a
origem do Universo. Qual delas é a mais aceita atualmente pelos
cientistas?
 a) Teoria da Expansão.
 b) Teoria da Geração Espontânea.
 c) Teoria de Einstein.
 d) Teoria do Big Bang.
 e) Teoria da Relatividade.
6. Qual a conclusão que se tira a respeito do Universo, a partir da Lei de
Hubble?
Notas
Gses e poeira 
Os gases são compostos por oxigênio, nitrogênio, hidrogênio e hélio; e a poeira
nebular é composta por todos os outros elementos conhecidos: ferro, ouro e outros
metais.
Queimar 
Esse tipo de queima, provocado pelo adensamento de uma estrela, libera uma
quantidade de energia milhões de vezes superior àquela liberada em processos
químicos de queima. Esse tipo de queima faz com que a estrela emita uma
quantidade muito elevada de energia durante bilhões de anos, como é o caso do Sol.
Referências
POPP, José Henrique. Geologia geral. 5. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2004.
STEINER, J. E. Origem do universo e do homem. Instituto de Estudos Avançados
da Universidade de São Paulo, São Paulo, v. 20, n. 58, p. 232 – 248. Dez. de 2006.
TEIXEIRA, Wilson. FAIRCHILD, Thomas Rich. TOLEDO, M. Cristina Motta de. TAIOLI,
Fabio. Decifrando a Terra. 2. ed. São Paulo: Companhia Editora Nacional, 2009.
Próximos Passos
Evolução da Terra, constituição interna da Terra e estudos dos meteoritos;
Distribuição dos elementos na crosta terrestre;
Classificação geoquímica dos elementos.
Explore mais
Assista ao vídeo O tamanho do universo <https://youtu.be/eutY--PyXig> e
observe Morgan Freeman narrando como ocorre a expansão no Universo com base na
teoria do Big Bang.
Visite o portal Site Astronomia
<http://www.siteastronomia.com/category/planetas-e-satelites> . O
astrônomo Patrick Francisco explica, de forma detalhada, as características físicas e
1
2
https://youtu.be/eutY--PyXig
http://www.siteastronomia.com/category/planetas-e-satelites
químicas de diversos cometas, planetas e estrelas que compõem o nosso Universo.