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1 INTRODUÇÃO À ASTROFÍSICA AULA 2 Prof. Hugo Henrique Amorim Batista 2 CONVERSA INICIAL A astronomia é considerada uma das primeiras áreas de estudos da humanidade, e é certo também que foi uma das primeiras a evoluir. Com o passar do tempo e a contribuição de diversas civilizações, a forma de se pensar e de contribuir também foi evoluindo. Assim, fazer uso de objetos para desenvolver o conhecimento começou a ser cada vez mais comum. Ferramentas de pesquisa, como o telescópio, em tempos atuais, são indispensáveis para análises quando imaginamos o Universo. A astronomia ganhou cada vez mais destaque com o passar dos tempos. Apesar de a civilização europeia não contribuir muito durante a Idade Média, antes e depois desse período as suas contribuições são de extrema relevância. Instrumentos de observação/pesquisa começaram a existir ou a serem aperfeiçoados. Nesta etapa, vamos procurar compreender como o desenvolvimento de instrumentos de pesquisa auxiliaram na compreensão do cosmos e como eles ainda contribuem para a Astronomia do século XXI. TEMA 1 – MÉTODOS E INSTRUMENTOS OBSERVACIONAIS: ESFERA CELESTE Desde a Grécia antiga, sabemos que as estruturas dos fenômenos que ocorreram não são direcionadas pelo panteão de deuses gregos, mas sim que podem ser expressas pelo iniciante “método científico”, o qual teve início naquela época. Entretanto, a forma de verificação de fenômenos ainda era subjetiva. Eratóstenes, brilhantemente, conseguiu perceber a relação de distância entre duas cidades de Siena e Alexandria (porém, assume-se que elas estejam no mesmo meridiano, mas há uma diferença em torno de 2,98° de longitude entre as cidades, o que produz uma pequena diferença de 0,135%, que não é relevante em comparação a outras fontes de erro). 3 Figura 1 – Mapa-múndi de Eratóstenes Crédito: Tersetki/Shutterstock. Na época, havia muitas unidades de medida com o mesmo nome (stadium), tendo diferenças em seus comprimentos (de 156 m até 210 m). Segundo Eratóstenes, o comprimento da circunferência da Terra era de 252.000 estádio. Essa desconfiança em relação a qual informação de distância foi utilizada nos cálculos de Eratóstenes perdurou até 1972, quando Lev Vasilevich Firsov averiguou cerca de 81 trabalhos de Eratóstenes e Estrabão, para averiguar qual é o valor utilizado, em metros, para cada stadium e chegou ao valor 157,7 m. Com isso, verificou-se que a circunferência da Terra, medida por Eratóstenes, seria de 39.700 km. Séculos depois, refinamos essa precisão, chegando em 40.008 km, ou seja, os cálculos de Eratóstenes tinham apenas um erro de 0,769% em relação aos dados oficiais atuais. Com isso, podemos convergir essas informações, porque o nosso planeta é uma esfera e não um disco. Na verdade, Eratóstenes não sabia que o planeta seria levemente “achatado” e com uma diferença entre a região equatorial e os polos (que conhecemos como um geoide), mas, com essa inovação, as nossas coordenadas de observação não poderiam ser planificadas e sim levar em consideração que estamos dentro de uma esfera e que as distâncias de astros, observadas por todos, devem ser estabelecidas por ângulos (Rooney, 2013). 4 Uma vez estabelecido que a referência era uma esfera, precisávamos buscar formas de nos adaptarmos a essa nova maneira de observação. Com a matemática tendo uma importância histórica muito plausível para a consolidação do conhecimento, as suas relações angulares (futuramente vinculadas a elementos trigonométricos), fez a diferença na forma de se observar os astros. Não chamava de “distância” entre os astros, mas sim de uma “diferença angular”. Thales de Mileto foi uma das primeiras pessoas que conseguiram ter a percepção astronômica de tal feito, evidenciando que a Lua está mais próxima da Terra do que o Sol. Mesmo olhando ambos, o diâmetro angular sendo de 0,5°, essa comprovação foi efetiva no instante em que ocorreu o eclipse solar que ele havia revisto, fazendo com que essa relação métrica surtisse efeito. A representação matemática destacava que o Sol era imensamente maior do que a Lua, entretanto, a proporção de tamanho do Sol em relação à Lua era considerada também na relação da distância entre os corpos, o que fazia com que a relação mantivesse o mesmo tamanho angular de ambos os objetos. O conhecimento foi evoluindo com o avanço dos séculos. Um computador analógico foi produzido no século I a.C. (por datação de carbono). Esse componente foi descoberto em 1901, com mergulhadores resgatando diversos elementos históricos da Grécia antiga. Ele foi estudado e analisado, segundo permitiam suas condições de naufrágio, contendo um conjunto de engrenagens que representava o Sol, a Lua e os planetas conhecidos até então. Esse componente é denominado mecanismo de Anticítera (Rooney, 2013). 5 Figura 2 – O universo de Ptolomeus Crédito: Yaruna/Shutterstock. Ainda na Grécia antiga, Claudio Ptolomeu compreendeu que a Terra é uma circunferência e, conforme o deslocamento dos astros na abóboda celeste, formulou a teoria do que é conhecido como geocentrismo (geo = “Terra”; centrismo = “centro, no meio”). A denominação foi ampla e a margem de conhecimento foi determinante para as denominações referenciadas em graus para os astros (Rooney, 2013) Com os conceitos sendo aplicados em astronomia e o comércio marítimo com o Mediterrâneo como local de deslocamento de cargas, essas informações rapidamente foram vinculadas à navegação e a abóboda celeste tornou-se uma referência para a localização. Para qualquer observador, ao olhar para o céu, forma-se uma esfera de raio concêntrico e indefinido, associado às coordenadas na Terra. Assim, os objetos observados no céu podem ser representados como 6 projeções na abóboda celeste. A compreensão se deu com as pesquisas observacionais ocorridas no século XVIII, pelo britânico Edmond Halley (1656- 1742), que catalogou o céu meridional para complementar a esfera celeste. Dessa forma, puderam ser representados os polos celestes e o Equador celeste, atuando com o céu por completo, devidamente catalogado (Kepler, 2014). Figura 3 – Planisfério celeste, dividido em hemisfério boreal (Norte) e hemisfério austral (Sul) Crédito: Benjamin Marin Rubio/Shutterstock. TEMA 2 – SISTEMAS DE COORDENADAS ASTRONÔMICAS Quando observamos objetos no céu, a sua posição é definida por um sistema de coordenadas. Assim, podemos ter “noções” angulares sem a preocupação da distância dos objetos. Dessa forma, podemos posicioná-los por intermédio de dois ângulos, que são semelhantes à latitude e à longitude. Para determinar a posição de um astro no céu, precisamos definir um sistema de coordenadas. Nesse sistema, vamos utilizar apenas coordenadas angulares, sem nos preocuparmos com as distâncias dos astros. A posição do astro será determinada por meio de dois ângulos de posição, um medido sobre um plano fundamental e o outro medido perpendicularmente a ele (Rooney, 7 2013). Antes de entrarmos nos sistemas de coordenadas astronômicas, convém recordarmos o sistema de coordenadas geográficas, usadas para medir posição sobre a superfície da Terra. Nesse sistema, as coordenadas são latitude e longitude. Esse sistema, já definido por coordenadas esféricas (em razão de seus ângulos), é conhecido como astrometria. 2.1 Sistema horizontal No sistema horizontal, pegamos como referência a linha do horizonte celeste. Essas definições são dadas por azimute e altura. • Azimute (A): é o ângulo medido sobre o horizonte a partir do norte geográfico, no sentido horário. O azimute varia entre 0° e 360°. • Altura (h): é o ângulo verificado a partir do círculo vertical do astro, com origem no horizonte e extremidade no astro. A altura varia entre-90° e +90°. O complemento da altura é chamado distância zenital (z). • Distância zenital (z): é o ângulo medido sobre o círculo vertical do astro, com origem no zênite e extremidade no astro. A distância zenital varia entre 0° e 180°. Figura 4 – Versão de observação a partir de uma esfera 2.2 Sistema equatorial celeste Para esse contexto, são válidas as estruturações, como ascensão reta e declinação. 8 • Ascensão reta: ângulo medido sobre o Equador, com origem no meridiano que passa pelo ponto Áries, e extremidade no meridiano do astro. A ascensão reta varia entre 0 h e 24 h (ou entre 0° e 360°), aumentando para Leste. • O ponto Áries (ponto vernal) é um ponto do Equador, ocupado pelo Sol no equinócio de primavera do Hemisfério Norte, isto é, quando o Sol se desloca do Equador a partir do Hemisfério Sul. • Declinação: ângulo medido sobre o meridiano do astro (perpendicular ao Equador), com origem no Equador e extremidade no astro. A declinação varia entre -90° e +90°. A complementação da declinação chama- se distância polar. TEMA 3 – GNOMON, ASTROLÁBIO, SEXTANTE E LUNETA, BINÓCULO, TELESCÓPIO 3.1 Gnomon Figura 5 – Gnomon Crédito: Roninnw/Shutterstock. 9 Conforme avançávamos em direção às maravilhas que o céu pode nos oferecer, alguns direcionamentos se tornaram necessários e registrar a informação sempre atuou junto às observações da humanidade. Baseando-se em registros anteriores, uma infinidade de comparações foi realizada, e movimentos, como a precessão e a nutação, foram identificados, porém, tudo teve um início (Fara, 2004). O gnomon é a primeira forma de se orientar por meio do Sol. Observando o topo de sua sombra, marcando a posição e, posteriormente, selecionando novamente a posição (cerca de 30 minutos), você consegue fazer um segmento de reta entre os pontos, em que as extremidades de seus pontos fazem a linha Leste-Oeste. Se sobre o primeiro ponto você colocar o seu pé esquerdo e sobre o segundo colocar o pé direito, estará olhando para o Norte. 3.2 Astrolábio Figura 6 – Astrolábio Crédito: Pixel Squid 3d/Shutterstock. Este é um instrumento de medição antigo, inventado pelos árabes e aperfeiçoado pelos gregos. Inicialmente, era utilizado em terra, mas foi adotado 10 pelos marinheiros, a fim de calcular as distâncias das rotas marítimas. Diversas são as suas finalidades, como saber as horas, precisar as estações do ano, calcular a altura de montanhas ou a profundidade de poços. Seu surgimento é incerto, porém, a aplicabilidade do instrumento baseia- se em representar a Terra em movimento, além de servir como referência para a navegação. 3.3. Sextante Figura 7 – Sextante Crédito: Anghi/Shutterstock. O sextante é um instrumento não apenas utilizado para cálculo de posicionamento de navegação, mas também para analisar o tamanho aparente de objetos. Ele pode ser utilizado para medir ângulos verticais (em relação ao horizonte) e horizontais entre objetos, com o intuito de calcular uma posição. Além da navegação, foi muito utilizado para observação de astros, como a Lua, o Sol, os planetas e também as estrelas. 11 3.4 Luneta Figura 8 – Luneta Crédito: My Pro/Shutterstock. A luneta foi um divisor de águas no que se refere à observação. Foi inventada por Hans Lippershey (1570-1619), porém, em 1609, Galileu Galiei (1564-1642) construiu sua própria luneta para observações celestes e, dessa maneira, levantaram-se as cortinas da noite e o universo pôde ser observado mais longe e com muito mais profundidade. Com a sua utilização, hipóteses tornaram-se evidentes a cunho científico. Além de pleno observador, Galileu Galilei é conhecido também como o pai do método científico. Suas anotações foram realizadas com base em observações realizadas com a sua luneta. Mesmo rudimentar, Galileu pode observar as fases de Vênus, as crateras lunares e ver algo diferente ao redor de Saturno (que, anos mais tarde, foi identificado como anéis), além de objetos celestes que circundavam o planeta Júpiter. Esses satélites naturais são conhecidos como luas galileanas e são quatro ao todo, sendo elas (em ordem de afastamento de Júpiter): Io, Europa, Ganimedes e Calisto. Suas observações foram de encontro 12 com as teorias de Nicolau Copérnico (1473-1543), derrubando a teoria de Claudio Ptolomeus (90-168), evidenciando o heliocentrismo. 3.5 Binóculo Figura 9 – Binóculo Crédito: Htwe/Shutterstock. O binóculo foi criado em 1608 por Hans Lippershey. Esse inventor, além de ter criado a luneta, juntou dois tubos telescópicos para ver objetos que estavam em longas distâncias. Esse instrumento, inicialmente, tinha como objetivo trazer para perto objetos a longa distância, mas popularizou-se pela visão mais nítida e melhor focada e, dessa maneira, foi utilizada para finalidade bélica como também para observações astronômicas. 13 3.6 Telescópio Figura 10 – Telescópio Crédito: David 3 Giordano/Shutterstock. O telescópio refrator (conhecido como luneta) foi aperfeiçoado em 1610 por Galileu Galilei. Seu telescópio (luneta) era constituído de uma objetiva cromática (objetiva formada por uma lente convergente) e uma ocular que captava o fluxo luminoso, direcionando para o olho do observador. O telescópio refletor (conhecido como telescópio newtoniano) faz uso de um espelho esférico ou parabólico para captar e concentrar a luz. A imagem refletida por esse espelho incide em um espelho plano que, em seguida, direciona o fluxo luminoso para uma lente ocular, que é responsável pelo foco. Isaac Newton (1643-1727) resolveu o problema do que é conhecido como aberração cromática. O seu grande atrativo era que as imagens poderiam ser observadas nove vezes maiores que com uma luneta quatro vezes mais comprida. https://pt.wikipedia.org/wiki/Espelho_esf%C3%A9rico 14 TEMA 4 – SUPERTELESCÓPIOS, TELESCÓPIOS ESPACIAIS E SONDAS ESPACIAIS 4.1 Supertelescópios Imagine um telescópio residencial de uma jovem curiosa. Com dimensões relativamente pequenas, ele pode ser manuseado com a mão e deslocado de um ambiente para o outro sem maiores dificuldades, mas, em contrapartida, em razão de o diâmetro do espelho primário ser pequeno, ele não vai tão longe. Mas vamos aumentar as dimensões do espelho, de 100 mm para 10 m: com esse aumento de diâmetro em 100 vezes, a distância a ser observada é muito mais longínqua e, consequentemente, muito mais nítida. Figura 11 – Supertelescópio Crédito: J Pachecod/Shutterstock. Os supertelescópios têm o funcionamento como um telescópio de pequeno porte, porém, a sua área de captação de luz é muito maior, possibilitando maior definição do objeto que é observado. A cúpula em que ele fica é simplesmente um local de armazenamento para evitar que entre sujeira na lente, além de existir uma estrutura mecânica que dá acesso ao telescópio, para 15 que ele se mantenha observando um objeto por horas e acumulando a maior quantidade de luz possível. Sendo assim, é possível identificar cada vez mais mistérios do Universo, porém, nós esbarramos em alguns detalhes. O olho humano consegue verificar apenas um fragmento do espectro eletromagnético. Mas como podemos “ver” essas outras bandas? Simples: os instrumentos podem ver o que os nossos olhos não podem, cobrindo, assim, uma área muito maior do espectro eletromagnético. 4.2 Radiotelescópios Figura 12 – Radiotelescópio Crédito: Shivam Chy/Shutterstock. Os radiotelescópios são instrumentos capazes de realizar observações do espectro eletromagnético na faixa das ondas de rádio. Algumas estruturas, como galáxias distantes, estrelas, pulsares, quasares e buracos negros, emitem muita quantidade de ondas de rádio, que são passíveis de serem detectadas. Na observação por radiotelescópios, pode ser utilizado apenas um ou mais telescópiosdirecionados para um ponto em comum, sendo eles atuantes como um único radiotelescópio gigantesco. Suas ondas, então, são “somadas” e atribuídas como uma única informação. 16 4.3 Telescópios espaciais Os telescópios na Terra sofrem interferência da atmosfera, podendo ocorrer distorções. Para evitar essas interferências, alguns telescópios são lançados ao espaço, denominando, assim, telescópios espaciais. Sem a interferência da atmosfera, o campo de visão é mais amplo e a sua profundidade é maior. Posicionado em um certo local, a área de cobertura passa a ser constante e o zoom pode ser mais preciso. 4.3.1 Telescópio espacial Hubble Figura 13 – Telescópio espacial Hubble Crédito: Dima Zel/Shutterstock. Talvez o mais famoso telescópio, o Hubble, operou de 24 de abril de 1990 até 29 agosto de 2022. Foi o primeiro telescópio a observar além dos olhos humanos, coletando informações no infravermelho. Dessa forma, o Hubble trouxe informações valiosas e preciosas, que eram desconhecidas até o momento. Foi, sem dúvida, revolucionário, trazendo informações importantes sobre os elementos constituintes da nossa galáxia. 17 4.3.2 Telescópio espacial Spitzer Figura 14 – Telescópio espacial Spitzer Crédito: Alex Terentii/Shutterstock. 18 Esse telescópio era um dos integrantes do grupo dos grandes telescópios da Nasa, tendo sido lançado em 25 de agosto de 2003 e operante até 30 de janeiro de 2020. O telescópio espacial Spitzer buscou uma nova forma de observar o espaço por intermédio da luz infravermelha. O Universo é composto por muitas nuvens de poeira interestelar, mas o seu calor flui por ela, sendo passível de ser detectado. Dessa forma, essa radiação pode apresentar sistemas planetários em formação, averiguar o centro da galáxia, ampliando a faixa de observação espacial. Assim, o objetivo é o de manter expandido o conhecimento científico sobre o Universo. 4.3.3 Telescópio espacial Chandra Figura 15 – Telescópio espacial Chandra Crédito: Zaharius/Shutterstock. Lançado em 23 de julho de 1999, esse telescópio trazia em sua bagagem instrumentos que observavam a luz no comprimento do raio X. A natureza do Universo seria muito restrita se fosse observada apenas na luz visível. Ao longo de suas pesquisas, não apenas observou planetas e cometas, quasares, 19 supernovas e seus remanescentes, mas também o buraco negro no centro da nossa galáxia e tantos outros em outras galáxias. Deu os primeiros passos para avançar no conhecimento da matéria escura, além de contribuições para desmistificar a energia escura. 4.3.5 Telescópio espacial James Webb Figura 17 – Telescópio espacial James Webb Crédito: Evgeniy Jamart/Shutterstock. Lançado em 25 de dezembro de 2021, o telescópio espacial James Webb tem a missão de substituir do telescópio espacial Hubble. Seu espelho primário é 2,5 vezes maior que o seu antecessor e sua missão primária é realizar observações da radiação infravermelha resultante do Big Bang. Fazendo uso de equipamentos da astronomia infravermelha, outras missões e grandes expectativas são direcionadas ao James Webb, sendo elas: pesquisar a luz das primeiras estrelas e galáxias que se formaram no Universo após o Big Bang, estudar a formação e evolução das galáxias, entender a formação de estrelas e sistemas planetários, e estudar os sistemas planetários e as origens da vida. 20 4.3 Sondas espaciais Ainda com a intenção de missões de observação sem tripulação, as sondas espaciais sempre são uma boa opção. Elas exploram, coletam, pesquisam e nos entregam os dados. Muitos são um amplo sistema de pesquisa com laboratórios ultratecnológicos, com uma sensibilidade muito elevada. Geralmente são utilizadas para realizar varreduras físico-químicas de objetos com os seus respectivos ambientes. 4.3.1 Sondas Voyager Figura 18 – Sonda espacial Voyager Crédito: Dotted Yeti/Shutterstock. Lançadas em 5 de setembro de 1977, as sondas Voyager fizeram parte de um plano piloto e sofisticado de exploração espacial de Júpiter e Saturno e, posteriormente, incluíram Urano e Netuno. Posteriormente, as pesquisas se estenderam para o cinturão transnetuniano (Cinturão de Kuiper). Em 2004, a Voyager 1 saiu da heliosfera (que ocorreu em 2007 com a Voyager 2). Há estimativas de que elas parem de funcionar em breve, porém, são os objetos criados pelo homem que estão mais longe de casa. 21 4.3.2 Cassini-Huygens Figura 19 – Sonda espacial Cassini-Huygens Crédito: 300ad/Shutterstock. Lançada em 15 de outubro de 1997, a sua missão era observar Saturno e suas luas. Entre as suas principais descobertas, estão determinar que, em Titã, existe um sistema hidrológico similar ao da Terra e, em Encélado, determinou um oceano abaixo de sua superfície, com a presença de vulcões de água. 4.3.3 New Horizons Lançada em 15 de janeiro de 2006, a sua missão é observar objetos mais distantes da Terra, tendo Plutão como foco. Descobertas como a presença de água, montanhas, atmosfera rica em nitrogênio e céu azul foram intrigantes para 22 a análise no nosso antigo nono planeta do sistema solar. A pesquisa continua, cada vez mais longe de casa. Figura 20 – Sonda espacial New Horizons Crédito: Edobric/Shutterstock. TEMA 5 – FOTOMETRIA E ESPECTROSCOPIA 5.1 Fotometria A fotometria refere-se à medida da luz proveniente de um objeto. Durante séculos, a observação era feita a olho nu, porém, com o telescópio, aparatos ópticos tornaram-se necessários para um olhar cada vez mais distante. A fotografia astronômica iniciou no fim do século XIX e, a partir disso, diversos detectores eletrônicos foram utilizados para compreender a radiação eletromagnética do espaço. Para isso, compreender a precisão do que observamos é imprescindível. A tabela a seguir relaciona cor e seu respectivo comprimento de onda e frequência. 23 Tabela 1 – Cores, comprimentos de onda e frequências Outros detalhes também são de suma importância e não devem ser desconsiderados, conforme mostra o quadro a seguir. Quadro 1 – Fenômenos e suas descrições Fenômeno Descrição Ângulo sólido Um “setor” de uma esfera a ser analisada. Intensidade específica A energia que atravessa a unidade de área da fonte por unidade de tempo e por unidade de ângulo sólido. Fluxo É a energia por unidade de área e por unidade de tempo que chega ao detector. Luminosidade É a energia total emitida por segundo em todas as direções. Magnitude É o fluxo medido na Terra e, normalmente, é expresso em termos da magnitude aparente. 5.2 Espectroscopia Resultado da “fusão” da física (óptica) e da astronomia (observação), a espectroscopia foi revolucionária no meio científico. Com base sólida nos estudos de Joseph von Fraunhofer, suas interpretações retratam a composição química de objetos distantes, com uma análise espectral da luz captada de suas atmosferas (planetas, estrelas, galáxias). 24 Figura 21 – Espectro dos átomos Crédito: Tersetki/Shutterstock. No que diz respeito às estrelas, podemos relacionar as observações com uma tabela periódica expressa em luz, em que cada átomo possui um padrão de emissão luminosa, que, ao ser comparada com a luz observada das estrelas, pode ter sua composição química determinada. As linhas de absorção de hidrogênio (que são achadas na atmosfera de quase todas as estrelas) apresentam comprimentos de ondas distintos, sendo eles: 410 nm, 434 nm, 486 nm, e 656 nm, que refletem as emissões de fótons por elétrons em estado excitado transitando ao nível quântico. Assim, as linhas de hidrogênio dentro do espectro visual são conhecidas como linhas de Balmer. NA PRÁTICA Muitas teorias propostas são o resultado combinado de simulações baseadas em modelos propostos e observações feitas, mas as formas foram aperfeiçoadasao longo dos tempos, trazendo-nos informações de ampla magnitude para o desenvolvimento da ciência. Assim, podemos perceber que a informação e os métodos vão se aperfeiçoando com o tempo. FINALIZANDO Diversos materiais utilizados para a observação foram confeccionados e aperfeiçoados ao longo do tempo, trazendo um avanço sem barreiras para a evolução científica. 25 REFERÊNCIAS FARA, P. Uma breve história da ciência. Curitiba: Fundamento, 2014. FARIA, R. P. et al. Fundamentos de astronomia. 2. ed. Campinas: Papirus, 1985. KEPLER, S. O.; SARAIVA M. F. O. Astronomia e astrofísica. Porto Alegre: UFRGS, 2014. ROONEY, A. A história da física. Mbooks, São Paulo. 2013. Ângulo sólido Intensidade específica