Pesquisar o Universo para Entender a Terra. Por que o céu nos fascina

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1 1 Pesquisar o Universo para Entender a Terra Por que o céu nos fascina

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3 3 D esde o início de sua existência, o ser humano é fascinado pelo Universo. É bem possível que o homem tenha se interessado pelo céu antes de estudar a terra, os mares e os rios, que estavam bem mais próximos dele. Isso porque, para orientar seus deslocamentos sobre a terra e os mares, ou estabelecer um calendário, era (e ainda é) necessário entender fenômenos como o ciclo das estações e o padrão de movimento do Sol e da Lua em relação às estrelas. O Universo tem muito para nos contar, pois fazemos parte dele. Ao estudá-lo e explorá-lo, começamos a valorizar a existência da vida na Terra. Podemos conhecer as nossas origens e prever a evolução futura do Sol, do nosso planeta e do próprio Universo, e até mesmo a aprender a nos proteger futuramente de fenômenos extremos aqui da Terra ou vindos do espaço. Nas próximas páginas, você vai conhecer algumas das pesquisas desenvolvidas pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, o INPE, na área de Astrofísica - a parte da Astronomia que estuda os astros aplicando, para isso, os conceitos da Física e de outras áreas da Ciência, como a Química e a Matemática.

4 4 COMO TUDO COMEÇOU A Astronomia é provavelmente a ciência natural mais antiga, com suas origens em práticas religiosas e pagãs pré-históricas. Nesse período, observava-se os movimentos dos objetos celestes visíveis a olho nu, como o Sol, a Lua, estrelas brilhantes e cinco planetas (Mercúrio, Vênus, Marte, Júpiter e Saturno). Um dos objetivos era estudar a mudança da posição do Sol com relação às estrelas ao longo das estações do ano, por exemplo, estabelecendo um calendário para rituais, ou agricultura. Em muitas culturas, as observações eram utilizadas na Astrologia, uma área que, durante muito tempo, esteve ligada à Astronomia. Culturas antigas associavam os objetos celestes às vontades de deuses e espíritos e à influência destes na ocorrência de fenômenos como a chuva, as estações do ano, as secas e as marés. A Astronomia Ocidental originou-se na Civilização Mesopotâmica, região atual do Irã e Iraque. Foi dos mesopotâmicos que os gregos adquiriram

5 5 conhecimentos sobre os planetas visíveis a olho nu e as constelações do Zodíaco, os séculos de registros de observações astronômicas e até a ideia de que os movimentos dos planetas poderiam ser previstos com precisão. Os gregos antigos desenvolveram a Astronomia, associando-a à Matemática. Eudoxo de Cnido ( a.c.) criou um modelo geométrico de três dimensões, para explicar o movimento aparente dos planetas. Aristóteles ( a.c) desenvolveu uma primeira ideia de Universo, com a Terra no seu centro e com os outros objetos celestes girando ao seu redor. Esse conceito foi elaborado por Cláudio Ptolomeu (c d.c.), permanecendo como o modelo de Universo vigente no Ocidente durante mais de 1000 anos. Entretanto, a ideia de uma Terra redonda que orbitava um Sol também existia na Grécia antiga e seu principal proponente foi Aristarco de Samos (c. 270 a.c.). Já os maias (que viveram até o século 9 na região onde hoje se encontram Honduras, Guatemala e El Salvador) criaram tabelas para calcular as fases da Lua, a repetição de eclipses e o aparecimento e desaparecimento de Vênus - a Estrela D Alva.

6 6 AS GRANDES DESCOBERTAS Os estudos realizados no período do Renascimento trouxeram avanços fundamentais para a Astronomia. Nicolau Copérnico ( ) propôs um modelo heliocêntrico, ou seja, o Sol como o centro do Universo, em oposição ao modelo geocêntrico (Terra no centro), formulado por Aristóteles e consolidado por Ptolomeu. Seu trabalho foi defendido, ampliado e corrigido pelas ideias de Galileu Galilei ( ) e Johannes Kepler ( ), este último, autor das leis do movimento planetário, que carregam seu nome. Galileu foi um dos primeiros a observar o céu noturno com um telescópio, descobrindo os quatro maiores satélites de Júpiter, em Essa foi a primeira observação conhecida de corpos celestes orbitando outro planeta. Ele também observou que nossa Lua apresentava crateras e que o Sol possuía manchas escuras. Notou ainda que Vênus exibia um completo conjunto de fases, análogo às fases da Lua.

7 A FÍSICA E A ASTRONOMIA 7 Foi Isaac Newton ( ) quem explicitou os laços entre a Física e a Astronomia, ao mostrar que a Lei da Gravitação Universal e as Leis do Movimento são válidas tanto para os fenômenos celestes quanto para os terrestres. Percebendo que a mesma força que atraía os objetos para o centro da Terra mantinha a Lua em órbita ao redor da Terra, Newton conseguiu explicar grande parte dos fenômenos celestes. Os desenvolvimentos teóricos de Newton criaram muitos dos alicerces da física clássica, que vigorou até o início do século 20. Pesquisadores do INPE se dedicam à Astrofísica, ou seja, o ramo da Astronomia que lida com a Física do Universo, incluindo as propriedades físicas (luminosidade, massa, temperatura, dimensão e composição química) de objetos astronômicos (por exemplo, estrelas, galáxias e meio interestelar) e também as suas interações. Na prática, as pesquisas astrofísicas contemporâneas utilizam a Física e outras áreas da Ciência para explicar as observações dos astros e desenvolver instrumentos, como telescópios e satélites de observação do céu, e experimentos práticos como, por exemplo, a reprodução de uma atmosfera planetária em laboratório.

8 8 A ASTRONOMIA NO COTIDIANO Mas, afinal, onde a Astronomia está presente no nosso dia a dia? Calendário As formas de registrar a passagem do tempo e prever a sucessão de dias e estações sempre foram estabelecidas em relação ao Sol ou à Lua. Os calendários têm grande importância para diversas atividades humanas, como por exemplo as agrícolas, pois as colheitas dependem do plantio em uma época correta do ano. E o ano bissexto?? A inclusão de um novo dia a cada 4 anos, bem como a realização de correções menores, a cada 100 e 400 anos, é feita para ajustar as datas das estações do ano e outros eventos do calendário civil à data astronômica correta, pois o período de translação da Terra não é exatamente igual a 365 dias. O dia e a noite As 24 horas do dia são divididas em um período claro (iluminado pelo Sol, que chamamos de dia) e um período escuro (sem a iluminação solar, que chamamos de noite). Quando o Sol se põe numa certa região da Terra, começa o crepúsculo, ou seja o intervalo de tempo em que essa região não recebe luz direta do Sol e sim a luz solar difusa (difundida pela atmosfera). O crepúsculo termina quando nossos olhos não percebem mais a iluminação solar difusa, estando o Sol já bem abaixo do horizonte do lugar (noite civil).

9 O que são as estações do ano? As estações do ano estão ligadas à quantidade de luz solar que atinge uma dada região da Terra determinando o aquecimento solar sofrido pela mesma. Devido à forma da Terra, inclinação de seu eixo de rotação e seu movimento ao redor do Sol, durante o verão os dias são mais longos, tornando- -se gradativamente mais curtos à medida que o inverno se aproxima. No Brasil, embora tradicionalmente se mencione as quatro estações por causa da herança da colonização europeia, elas não são tão distintas. No sul é mais fácil dividir o ano em quatro estações, pois a natureza apresenta as quatro predominâncias. Já no norte do Brasil é mais fácil dividir o ano em duas estações, verão e inverno ou chuvas e seca, pois este é o comportamento predominante da natureza na região equatorial. Fonte de consulta: Ciências para Professores do Ensino Fundamental CDCC-USP-São Carlos. 9 Eclipses lunar e solar Um eclipse ocorre quando um objeto celeste intercepta a iluminação de outro. O eclipse solar é um fenômeno de alinhamento que acontece quando a Lua se interpõe entre a Terra e o Sol, interceptando completa ou parcialmente a iluminação solar recebida numa estreita faixa terrestre. O fato de a Lua e o Sol apresentarem aproximadamente o mesmo tamanho aparente embora saibamos que a Lua possui um diâmetro 400 vezes menor do que o do Sol é o que permite a ocorrência dos eclipses solares totais. Já o eclipse lunar ocorre quando a Lua penetra, total ou parcialmente, no cone de sombra projetado pela Terra, em geral, sendo visível a olho nu também. Neste caso, é o nosso planeta que intercepta a iluminação vinda do Sol recebida pela Lua.

10 10 A LUZ QUE A GENTE NÃO VÊ Galáxias, estrelas, planetas e cometas são objetos muito distantes de nós, mas que podem ser observados por diversos e sofisticados tipos de telescópios. Esses objetos emitem, além da luz visível, um tipo de luz que não podemos enxergar, como os raios X, a luz ultravioleta, a luz infravermelha e as ondas de rádio. Os telescópios ópticos, que captam a luz que somos capazes de ver, são os mais conhecidos. Os radiotelescópios coletam ondas de rádio que incluem aquelas que conhecemos por AM e FM. Existem telescópios que estão livres das alterações que a atmosfera pode causar na imagem do objeto: são os telescópios espaciais, como o Hubble e o Corot, que estão em órbita da Terra. Esses telescópios são capazes de obter imagens com qualidade ou resolução que seriam impossíveis para qualquer outro telescópio de mesmo porte, a partir da superfície terrestre. Fonte de consulta: Revista Ciência Hoje das Crianças 178, Sergio Pilling, Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento Univap.

11 Gemini e SOAR O Brasil é um dos sócios do Observatório Gemini, um consórcio internacional que opera dois telescópios idênticos de 8,1m de diâmetro cada um, localizados no topo de montanhas dos Andes Chilenos e no Havaí. Os Gemini permitem observações de alta qualidade da luz óptica e infravermelha. O Brasil e os Estados Unidos construíram em parceria o telescópio óptico e infravermelho SOAR (The SOuthern Astrophysical Research Telescope), de 4,2m de diâmetro, instalado nos Andes Chilenos, próximo ao telescópio Gemini Sul. Entre as principais pesquisas que podem ser desenvolvidas nos telescópios Gemini e SOAR incluem- -se: o nascimento e a composição de estrelas e análise de galáxias longínquas. 11 No INPE Os pesquisadores do INPE utilizam telescópios ópticos e em raios X e também radiotelescópios para entender melhor as estrelas e galáxias. Também são realizadas pesquisas teóricas em Astrofísica. Além de estudar os astros, os pesquisadores participam do desenvolvimento de instrumentos dotados com as tecnologias mais recentes, necessários para acompanhar os avanços dos principais temas de pesquisa em Astronomia.

12 12 O SOL A luz solar é a principal fonte de energia existente na superfície da Terra. Sem o Sol, a Terra seria um planeta gelado, sem a presença de seres vivos como conhecemos hoje. O Sol está queimando há mais de 4,5 bilhões de anos, e deve continuar assim por mais outros 4 ou 5 bilhões. É composto de uma grande quantidade de gás, principalmente Hidrogênio e Hélio. Por ser tão grande, comparado com os outros corpos do Sistema Solar, sua força gravitacional é imensa, o suficiente para manter todos os planetas do Sistema Solar nas órbitas à sua volta. As imagens de diferentes tipos de telescópios nos mostram as diversas características do Sol, que podem afetar a Terra. Vemos as manchas (áreas menos quentes da superfície gasosa do Sol), as proeminências e as explosões solares (fluxos e ejeções de matéria gasosa em forma de arcos determinadas pelo campo magnético do Sol que emerge em sua superfície). Alguns fenômenos da atividade solar podem interferir nos aparelhos de comunicação e nos equipamentos de navegação (como os

13 GPS), danificar satélites e até mesmo causar blecautes (quedas de energia). Estudar a atividade magnética solar, seu ciclo e seus possíveis efeitos sobre a Terra, como por exemplo transmissão elétrica e comunicação via rádio ou satélite, faz parte das pesquisas do INPE. Para isso, está sendo construído o BDA (sigla em inglês para Arranjo Decimétrico Brasileiro). Será um radiotelescópio composto por 38 antenas, que emprega modernas técnicas observação do céu por meio de ondas de rádio. A construção desse instrumento, que está sendo coordenada por uma equipe de cientistas brasileiros, obterá, por exemplo, imagens do Sol a partir das ondas de rádio por ele emitidas. Um protótipo de cinco antenas do BDA está operando com sucesso desde 2004 no INPE de Cachoeira Paulista (SP), proporcionando observações solares e não-solares. Cientistas e engenheiros do INPE também desenvolveram um radiotelescópio utilizando tecnologia brasileira. O Espectroscópio Solar Brasileiro (BSS), como é chamado, funciona desde 1988 e é composto de uma antena de 9 metros de diâmetro, instalada no INPE. 13

14 14 AS ESTRELAS As estrelas parecem ser eternas, mas não são. Elas nascem, vivem e morrem. A sua distância até a Terra é tão grande que, quando a luz que emitem chega até nós, já se passou muito tempo anos,séculos, milênios... As estrelas nascem, quando uma enorme nuvem de gás (composta principalmente por Hidrogênio) começa a se contrair, ficando cada vez menor, mais densa e mais quente. As partes mais externas da nuvem começam então a cair em direção ao centro. Esse nascimento pode levar um milhão de anos, o que não é muito tempo quando se fala de estrelas. Depois disso, a parte interna da nuvem fica tão quente que se transforma num enorme reator nuclear, quer dizer, uma verdadeira fábrica de energia sob forma de luz. A transformação de átomos de Hidrogênio em Hélio produz a energia que faz brilhar o Sol e a maior parte das estrelas que vemos no céu. Pode-se então dizer, de forma bem simplificada, que uma estrela é uma esfera gasosa cuja parte central transforma elementos químicos mais leves em outros mais pesados, começando com o Hidrogênio e acabando no Ferro. Começa aí a parte mais longa da vida da estrela. É um período que pode durar até muitos bilhões de anos. Depois desse tempo, o combustível acaba e a estrela começa a morrer. As estrelas não morrem todas do mesmo jeito, nem a duração da vida é a mesma para todas elas. As maiores e mais pesadas gastam mais rapidamente seu combustível e por isso duram muito menos, apenas alguns milhões de anos. As gigantes Depois que a estrela se forma e durante a maior parte de sua vida, seu tamanho não aumenta nem diminui. Mas quando acaba o ciclo de combustível que transforma Hidrogênio em Hélio, as coisas começam a mudar: as camadas que estão perto do centro acabam desabando. Isso faz aumentar a temperatura e a produção de energia, a ponto de empurrar para fora as camadas externas da estrela, que fica inchada e menos quente na superfície. É nesse estágio que ela recebe o nome de estrela gigante vermelha. Depois da fase de gigante vermelha, o destino das estrelas também depende de quão pesadas elas são.

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16 16 As magras Se a estrela for das mais magrinhas, com massa inicial até oito vezes a massa do Sol, ela começa a vibrar, até expulsar de uma só vez toda sua camada externa. Essa camada se espalha lentamente pelo espaço, aumentando cada vez mais de tamanho e adquirindo um brilho intenso. Nessa fase, a estrela é uma nebulosa planetária, um dos corpos celestes mais bonitos de se observar. Enquanto isso, a parte interna da estrela vai encolhendo. Primeiro, ela é a estrela central da nebulosa planetária. Depois, transforma-se numa anã branca, uma estrelinha quente e muito densa. Sem combustível para queimar e manter seu brilho, a anã branca vai esfriando aos poucos, até se transformar em anã negra, que é uma espécie de estrela sem brilho. As gordas Se a estrela for mais gordinha, digamos, com oito vezes mais matéria que o Sol, sua morte é mais violenta e espetacular. Esgotado o combustível, ela também fica instável e sofre as mesmas pulsações que as menores. Mas a matéria é tanta que a queda sobre o núcleo é muito violenta. A estrela pode até acabar explodindo, formando uma supernova: a parte externa é expulsa violentamente para o espaço, enquanto a parte interna - o núcleo - fica tão pequena e densa que uma colherinha desse material pode chegar a pesar milhões de toneladas. Esse núcleo é chamado de estrela de nêutrons. A luz dessa estrela é emitida em uma direção preferencial, como um holofote. Isso, em combinação com o fato de que a estrela gira muito rapidamente, faz com que o brilho da estrela aumente e diminua, como se fosse um luminoso de ambulância. Essa luz intermitente é conhecida como pulsar. Quando uma supernova explode, onde antes havia apenas uma estrela fraquinha, aparece, no céu, um objeto extremamente brilhante. Buraco negro Mas se a estrela for mesmo muito gorda, com massa equivalente a trinta ou mais Sóis, quando acaba o combustível, as partes externas caem sobre o núcleo de uma forma violentíssima. Na verdade, a atração em direção ao núcleo é tão forte que nada consegue escapar, nem mesmo a luz. Como a luz não escapa, esse corpo é escuro. Por isso, recebe o nome de buraco negro. É muito difícil observar um

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18 18 buraco negro, mas, para felicidade dos astrônomos, muitas estrelas nascem aos pares, ou até mesmo em grupos maiores, como se fossem gêmeas. Assim, se o buraco negro se formar perto de outra estrela, ele vai acabar engolindo pedaços dessa estrela. Ao cair em direção ao buraco negro, esses pedaços se aquecem muito e formam um disco. Produzem, então, raios X, aquela mesma radiação que atravessa nosso corpo quando tiramos uma radiografia, e que permite ao médico ver ser estamos com um osso quebrado. Observando esses raios X, os astrônomos podem saber da existência dos buracos negros, mesmo que estes não possam ser vistos diretamente. Fonte dos textos As estrelas e Buraco negro : trabalho publicado em Ciência Hoje das Crianças, Nº 20, 1991, Walter J. Maciel (IAG, USP) O INPE e as estrelas O INPE estuda estrelas binárias, onde uma das estrelas é um objeto em estágio final de vida, como uma anã branca, estrela de nêutron ou mesmo um buraco negro. E assim contribui para entender melhor o destino final das estrelas. O INPE também pesquisa como e onde as estrelas se formam e as moléculas existentes nas nuvens interestelares. Esse tipo de pesquisa pode nos ajudar a entender o complicado processo químico que leva à formação de moléculas orgânicas associadas à vida. Há também pesquisas sobre a composição química de estrelas tanto aquelas próximas do Sol como aquelas de outras galáxias. As estrelas não são todas compostas exatamente dos mesmos elementos químicos e nas mesmas proporções. Assim reuniremos pistas de como as galáxias, inclusive a nossa, se formam!

19 ORIGENS DO UNIVERSO 19 Do que é feito o Universo? Quando foi criado? Ele é finito ou infinito? Ele vai acabar? Qual é a sua geometria? São tantas as perguntas que os astrofísicos fazem atualmente! Mesmo com os avanços tecnológicos modernos e a evolução das pesquisas em Astronomia, ainda não sabemos do que é feito 95% do Universo! A ciência que estuda a estrutura, a evolução e a composição do Universo se chama Cosmologia. No INPE, as pesquisas na área de Cosmologia têm como objetivo determinar os parâmetros que descrevem em grande escala o Universo em que vivemos. Para medir esses parâmetros e entender os mecanismos responsáveis pela formação de galáxias e aglomerados de galáxias existentes no Universo, são desenvolvidos e utilizados experimentos que possibilitam a observação da radiação cósmica de fundo que permeia todo o Universo. Ela pode ser observada em qualquer direção do céu para onde olharmos e possui praticamente as mesmas propriedades, independente da direção. O UNIVERSO ESTÁ EM EXPANSÃO...

20 20 ONDAS QUE VIAJAM PELO ESPAÇO-TEMPO Quando você arremessa uma pedra em um lago, ela produz ondas que se propagam na superfície da água, certo? No espaço, acontece mais ou menos a mesma coisa: a movimentação de objetos celestes com muita massa, como planetas e galáxias, deforma o espaço e produz as chamadas ondas gravitacionais. As ondas gravitacionais que chegam à Terra são extremamente fracas. Isso porque, assim como a luz visível, sua intensidade vai diminuindo à medida em que se afastam do objeto que as produziu. Mesmo assim, são capazes de nos trazer informações importantes sobre esses objetos. Entretanto, até hoje elas nunca foram observadas diretamente pelo homem. A existência de ondas gravitacionais é aceita somente por meio de evidências indiretas. As ondas gravitacionais fascinam a ciência porque seriam a última comprovação pendente de considerações feitas pela Teoria da Relatividade Geral, formulada em 1915 pelo físico Albert Einstein. Porém, ainda não há evidências diretas da existência de ondas gravitacionais. O INPE lidera no país a construção e operação de um instrumento para detectar pela primeira vez as ondas gravitacionais o detector Mario Schenberg.

21 21 VOCÊ PODE OBSERVAR O CÉU Você pode participar de visitas ao Miniobservatório Astronômico do INPE, para a observar o céu noturno. Depois ou antes de assistir a uma palestra dos nossos pesquisadores, você pode visualizar os astros no telescópio com seus próprios olhos. A sua instituição de ensino também pode agendar uma sessão de observação astronômica remota, ou seja, você pode observar os astros a partir de um computador ligado à Internet. Para obter mais informações, visite o site do Miniobservatório: Peça para o seu professor agendar uma visita presencial ou sessão de observação remota!

22 22 Instalações do INPE no Brasil Belém-PA São Luís-MA Euzébio-CE Natal-RN Venha visitar o INPE! Cuiabá-MT Peça para a professora agendar uma visita: mirian.vicente@dir.inpe.br Tel. (12) (12) Brasília-DF Cachoeira Paulista-SP Atibaia-SP São Paulo-SP São Martinho da Serra-RS Visite o nosso site: Mais informações: atendimento.visitante@dir.inpe.br Santa Maria-RS São José dos Campos-SP

23 23 PESQUISAR O UNIVERSO PARA ENTENDER A TERRA Por que o céu nos fascina Cartilha ilustrada sobre Astronomia e Astrofísica Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais Realização: Gestão de Comunicação Institucional GCI Coordenação: Maria Virgínia Alves Consultoria: Ana Maria Zodi, André de Castro Milone, Carlos Alexandre Wuensche de Souza, Cláudia Vilega Rodrigues, Oswaldo Duarte Miranda Consultoria e revisão técnica: Divisão de Astrofísica do INPE Textos: Ana Paula Soares Projeto gráfico: Magno Studio Ilustrações: Jean Galvão Supervisão gráfica: Carlos Vieira Impressão e acabamento: Art Brasilis Tiragem: exemplares em setembro de 2010

24 24 Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE Av. dos Astronautas, 1758 Jardim da Granja São José dos Campos SP Tel. (12)