Aula 1 Observando o Céu: O Nascimento da Astronomia. Alex C. Carciofi

Transcrição

1 Aula 1 Observando o Céu: O Nascimento da Astronomia Alex C. Carciofi

2 Via láctea vista de um local escuro Em noites sem lua e com o horizonte desobstruído, pode-se ver aproximadamente 3000 estrelas

3 Céu noturno (!) de NY fonte: wiki

4 Poluição luminosa Céu brilhante causado pela luz artificial espalhada pela atmosfera Quanto mais brilhante o céu, menor o número de estrelas que podem ser vistas Vários problemas: - astronomia; - saúde; - ecossistemas. fonte: wiki

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6 Resultado: Natureza (e o ceú, em particular) não mais participa do nosso quotidiano Antiquidade: TODOS os registros de tempos antigos mostram que os povos observavam os astros e tentavam endendê-los. - agricultura - cosmologia - religião - astrologia Ex: príncipais deuses do panteão grego eram associados com os seis planetas conhecidos.

7 Alex C. Carciofi Observando o Céu: O Nascimento da Astronomia - elementos do céu noturno e diurno que podem ser observados a olho nu -evolução da concepção humana do cosmos até o séc. XVI (cosmologia aristotélica)

8 (Abrindo um parêntese

9 O que é ciência? Conjunto de todo o conhecimento humano. Correto? não Ciência abarca, também, o método pelo qual tentamos entender a Natureza e a forma como ela se comporta. Conjunto do conhecimento humano gerado e sujeito ao método científico.

10 O que é ciência? série de observações Movimentos do Sol, Lua, estrelas e planetas modelo geocêntrico validação X Ingredientes fundamentais: - auto-correção - revisão pelos pares Ex: fusão a frio novas observações Tycho Brahe novo modelo heliocêntrio mudança de paradigma

11 fechando o parêntese)

12 Movimento Diurno e Anual dos Astros Imaginemo-nos vivendo em um local escuro (longe de cidades) e que observássemos e registrássemos o movimento do Sol, Lua, planetas e estrelas. O que veríamos? Movimentos diurnos dos astros Movimento mensal da Lua em relação à abobada celeste Movimento anual do Sol em relação à abobada celeste Movimento complexo dos planetas em relação à AC E se observássemos por muito, muito tempo veríamos a precessão dos equinócios Vamos, então, estudar quais seriam nossos dados observacionais

13 A Abóbada Celeste = céu = firmamento Zênite Zênite Horizonte Horizonte Nadir Dia Nadir Noite

14 Movimento noturno aparente olhando ao Sul 20 horas 22 horas 24 horas Pólo Sul Sul Estrelas circumpolares Leste Oeste

15 Movimento noturno aparente olhando ao Norte 24 horas 20 horas 22 horas Leão Norte Oeste Leste

16 Movimento noturno aparente de uma estrela circumpolar norte Polaris Pólo Norte Norte Oeste Leste

17 Star trails...

18 Movimento diurno aparente em torno do PS visto dos Andes Via Láctea Nuvens de Magalhães Ojos del Salado Mais alto vulcão o ativo da Terra Altitude = 6000 m Temperatura = C Exposiçã ção 1 hora

19 Movimento Aparente visto do Hemisfério Norte PN Z Circumpolar (sempre visível) E N S W Equador Astros nesta posição são sempre invisíveis

20 Movimento aparente visto do hemisfério Sul Z PS E N S W Equador

21 Movimento aparente visto do equador Z E PN = N S = PS W Equador

22 Movimento aparente visto do Polo Sul PS Horizonte = Equador

23 Muito importante: o movimento aparente dos astros depende da latitude do observador... Como descrever esse movimento?

24 Sistema Altazimutal (local) zênite (Z) Neste sistema, a posição de um astro é dada por dois ângulos: h S O φ Horizonte N azimute (φ): ângulo entre o plano que contém a estrela, o zênite e o observador (ZOS) e a direção norte (0 < φ < 360 o ) altura (h): ângulo entre o plano do horizonte e a estrela (0 < h < 90 o ) É útil para certas situações, mas não pode ser usado em catálogos astronômicos, por exemplo, pois varia com o tempo de forma complicada.

25 Azimute de um astro ao longo do dia no HN PN Z Como varia o azimute de um astro ao longo do dia? N S A Ocaso A Equador W Passagem meridiana A Nascer 0 0 t

26 Azimute de um astro ao longo do dia no HS Z PS Como varia o azimute de um astro ao longo do dia? E N S A W Equador A Ocaso A Nascer 0 0 Passagem meridiana t

27 PNC Eixo de rotação A esfera celeste - pólos sul e norte - equador celeste Movimento do astro é ao longo de linhas formadas pela intersecção entre uma esfera e planos paralelos ao equador PN PS Equador N PSC L

28 Coordenadas Celestes Um sistema de coordenadas muito mais útil para a Astronomia usa a esfera celeste como referência. Neste sistema, a posição de um astro é dada por duas coordenadas (ascenção reta e declinação), análogas à latitude e longitude terrestres. polo norte celeste Ascenção reta (α): ângulo entre o mediriano que cruza a estrela e um ponto de referência (γ), medido ao longo do equador celeste. equador celeste δ α γ Declinação (δ): ângulo entre a equador e a estrela, medido ao longo do meridiano (-90 o < δ < 90 o ) Ponto vernal (γ): posição do Sol na esfera celeste no dia do equinócio da primavera no HN

29 Condição de visibilidade de um astro Dado um observador situado a uma latitude ϕ, determinar para quais intervalos de declinação uma estrela: - seja sempre visível; - tenha nascer e ocaso; - seja sempre invisível.

30 Círculo de perpétua visibilidade olhando para o norte Círculo de perpétua visibilidade Círculo de perpétua visibilidade: Região do céu permanentemente visível para aquele observador Polo Norte Norte Oeste Leste

31 Condição de (in)visibilidade no Hemisfério Norte Circumpolares visíveis δ Máx + ϕ = 90 0 δ Máx = ϕ δ * ϕ N PN Circumpolares visíveis ϕ δ Máx Z ϕ - δ Mín Horizonte Circumpolares invisíveis - δ Mín + ϕ = 90 0 δ Mín = ϕ δ * - ( ϕ) S PN Z Equador Equador Circumpolares invisíveis PS Estrelas com nascer e ocaso - ( ϕ) δ * + ( ϕ)

32 Círculo de perpétua visibilidade olhando ao Sul Círculo de perpétua visibilidade Círculo de perpétua visibilidade: Região do céu permanentemente visível para aquele observador Polo Sul Sul Leste Oeste

33 Condição de (in)visibilidade no hemisfério Sul Circumpolares invisíveis Z PS Circumpolares visíveis δ Máx - ϕ = 90 0 δ Máx = ϕ δ * ϕ N Horizonte δ Máx - ϕ Circumpolares visíveis - ϕ - δmín - δ Mín - ϕ = 90 0 δ Mín = ϕ δ * - ( ϕ) S Equador Z PS Estrelas com nascer e ocaso Circumpolares invisíveis PN N E S - ( ϕ) δ * + ( ϕ) W Equador

34 Movimento do Sol Inverno na Itália (Mar Tireno) Que horas são neste ponto?

35 Sol Gnômon ( Relógio de Sol ) Gnômon Sombra Chão

36 Determinação do meridiano e dos pontos cardeais (sombra mínima) Nascente Ponto Leste Ponto Norte Meridiano Linha do Meiodia Ponto Sul Ocaso Ponto Oeste

37 Astronomia a serviço da polícia

38 90- ϕ Z E 90- ϕ PS Nascer ϕ Ângulo entre o equador e o horizonte ϕ N 90- ϕ ϕ S 90- ϕ W 90- ϕ Ocaso - ϕ Z 90+ϕ PS Equador - ϕ 90+ϕ N Horizonte 90+ϕ 90+ϕ S Ângulo entre o equador e o plano do horizonte: 90 o - ϕ PN Equador

39 Leste Leste Norte Sul Norte Sul Oeste Observador no Hemisfério Sul Oeste Observador no Hemisfério Norte Nascer do Sol N Horizonte L S N L Horizonte S Visto por um observador no Hemisfério Sul Visto por um observador no Hemisfério Norte

40 Leste Leste Norte Sul Norte Sul Oeste Observador no Hemisfério Sul Oeste Observador no Hemisfério Norte Ocaso do Sol S W Horizonte N S Horizonte W N Visto por um observador no Hemisfério Sul Visto por um observador no Hemisfério Norte

41 Sequestradores distraídos ϕ

42 Mapa do crime! Local do seqüestro ϕ Cativeiro dentro desse círculo

43 Pergunta: a duração do pôr (ou nascer) do sol é a mesma em todos os pontos da Terra? Resposta: não. Em altas latitudes o pôr do sol é muito mais longo que próximo ao equador Próximo aos pólos: há dias em que o sol nunca se põe ou nunca nasce (próxima aula...)

44 Nascer do Sol Leste é o ponto onde o Sol nasce. (?!?)

45 Noção de ano e de estações do ano Ano das Estaçõ ções ~ 365 dias Nascente Meridiano Primavera Verão Inverno Outono Ocaso

46 Noção de ano e de estações do ano Nascente Meridiano Ocaso

47 Sol Ano das Estações Norte IV IP Primavera Verão IO Inverno Outono II Sul Ano das Estaçõ ções ~ 365 dias

48 13 12 Pri/Out Trajetórias diurnas do Sol Verão 15 7 Inverno 16 7 Leste 6 5 N 17 S Oeste 19

49 Pergunta: como os astrônomos da antiguidade explicavam isso?

50 Eclíptica: Trajetória anual aparente do Sol ao longo da esfera celeste Ω PN Eixo de rotação EclípticaEcl γ Equador PS

51 + 23,5 o Declinação Declinação do Sol ao longo do ano 22 jun 0 jan γ 21 mar jun PN 23 set Ω dez Ω - 23,5 o γ PS 22 dez

52 Polo Celeste Norte Trajetória anual aparente do Sol por entre as constelações Sol sígnos...

53 Movimentos dos planetas Planeta vem do grego planetes, que significa aquele que vagueia Já na antiguidade notou-se que havia seis estrelas que se moviam lentamente em relação às demais (chamadas, por isso, de estrelas fixas) Alguns planetas (ex. Marte) moviam-se mais rapidamente que outros (ex. Saturno) Além disso, o brilho do planeta mudava com o tempo. Distância??

54 Movimento de Marte no céu Movimento retrógrado! Como explicar isso? Enorme desafio para os astrônomos da antiguidade

55 Precessão dos equinócios Se observarmos a posição das estrelas (declinação e ascenção reta) por muito tempo (séculos), notaremos que ela não é constante! Isso foi descoberto em por volta de 150 AC pelo astrônomo grego Hiparco, que notou diferenças entre as coordenadas da estrela Spica por ele obtidas e as obtidas por Timocaris dois séculos antes. Como explicar isso?

56 PN Precessão PN Hoje PN PN Período da Precessão: ~ anos Daqui a 13 mil anos

57 Pião

58 Lira Cisne δ Cefeidas β 6000 Estrelas Polares γ ι PNE Dragão Ursa Menor PN 2000 Hércules τ Trajetória do PN ao longo do tempo visto por um observador no HN

59 Estrelas Polares Cisne δ β Achernar Eridani Hydra β γ 0 Columbae ι Canopus PSE Octanti PS 2000 Pintor Carina Popa τ 6000 Trajetória do PS ao longo do tempo visto por um observador no HS Cruzeiro do Sul

60 Movimento Diurno e Anual dos Astros Já temos nossos dados observacionais: Movimentos diurnos dos astros Movimento mensal da Lua em relação à abobada celeste Movimento anual do Sol em relação à abobada celeste Movimento complexo dos planetas em relação à AC Precessão dos equinócios Qual o modelo que melhor os explica?

61 Modelos do Sistema Solar (a visão do cosmos da antiguidade até o século XVI) Roberto Ortiz - EACH/USP

62 Grécia antiga (750 a.c a.c.) Desenvolvimento da Matemática, Geometria, Astronomia, Filosofia, Política, etc. Em sua obra Metafísica, Aristóteles (384 a.c a.c.), o precursor do Método Científico, propôs que o Universo era Geocêntrico, i.e. a Terra ocuparia seu centro. Modelo geocêntrio era baseado tanto em observações (ciência) quanto em conceitos filosóficos (não ciência)

63 Idéias são reais. O mundo é só uma imagem das idéias. Sim, mestre! Bobagem! O mundo dos fenômenos é o mundo real. As idéias são sua essência. Platão e Aristóteles Platão Aristóteles

64 Pitágoras Alguns Astrônomos Famosos Filolau Heráclides Aristóteles Aristarco Eratóstenes Hiparcos Ptolomeu Mecânica Clássica Raios orbitais Órbitas elípticas Uso do telescópio Excelente observador Sistema Heliocêntrico Sistema Geocêntrico Distância Terra-Lua Raio da terra Processo p/ obter a distância até o Sol Geocentrismo filosófico Sistema híbrido Helioocentrismo religioso Terra esférica Copérnico Tycho Brahe Galileu Kepler Newton

65 Aristóteles já sabia que a Terra é esférica. Algumas evidências: 1) Variação da latitude astronômica

66 PN Estrela Polar suposta no infinito Altura do PN em diferentes posições na Terra suposta plana PN h 2 = h 1 = ϕ N h 2 Horizonte Observador na posição 2 Sentido do deslocamento do observador h 1 Observador na posição 1 S

67 Variação observada na altura da estrela Polar Polar Inferência: A estrela Polar estaria muito próxima da Terra e essa seria plana. h 2 h 1 N h 2 Horizonte h 1 S Observador na posição 2 Sentido do deslocamento do observador Observador na posição 1

68 PN Outra explicação para a variação na altura do PN Horiz. 1 h 1 N PN PN PN N Horiz. 2 PN h 2 h 1 Horiz. 1 w N Horiz. 2 h 2 PS

69 Aristóteles já sabia que a Terra é esférica. Algumas evidências 1) Variação da latitude astronômica 2) Nos eclipses da Lua, a sombra projetada pela Terra é sempre redonda

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71 Aristóteles já sabia que a Terra é esférica. Algumas evidências 1) Variação da latitude astronômica 2) Nos eclipses da Lua, a sombra projetada pela Terra é sempre redonda 3) Em navios que se afastam do porto sempre a parte de baixo desaparece primeiro que a parte de cima

72 Esfericidade da Terra

73 Hiparco ( a.c.) foi o maior astrônomo da antiguidade Seus modelos geométricos do Sol e da Lua permitiam-lhe fazer previsões de eclipes Compilação de uma catálogo com 850 estrelas com coordenadas Invenção do astrolábio Descoberta da precessão dos equinócios

74 Claudio Ptolomeu ( d.c.) escreveu diversas obras científicas, entre elas o Almagesto. O Almagesto utilizava um modelo geocêntrico para se calcular a posição dos planetas no céu, no passado ou futuro. Também fazia parte do Almagesto um catálogo estelar com aproximadamente 1000 estrelas e 48 constelações. O modelo geocêntrico perdurou até o século XVI.

75 Geocentrismo: um modelo amplamente aceito A Terra parece firme e estável. As estrelas parecem descrever circunferências no céu, em torno dos pólos celestes. Os planetas da época (Lua, Sol, Mercúrio, Vênus, Marte, Júpiter e Saturno ) parecem mover-se em torno da Terra. Profundas raízes filosóficas e religiosas Argumento bíblico: Josué ordenou ao Sol e à Lua que parassem.

76 O Modelo Geocêntrico: A Terra ocupa o centro do Universo. Os planetas giram em órbitas circulares em torno da Terra. Os planetas mais rápidos estão mais próximos: Lua, Mercúrio, Vênus, Sol, Marte, Júpiter e Saturno. As estrelas estariam incrustadas numa esfera de cristal, muito distante.

77 O que é ciência? série de observações Movimentos do Sol, Lua, estrelas e planetas modelo geocêntrico validação X novas observações Tycho Brahe XXX novo modelo heliocêntrio

78 Problemas do Modelo Geocêntrico (notados por Ptolomeu) A velocidade dos planetas no céu é variável. O brilho dos planetas é variável. Há ocasiões quando o sentido do movimento dos planetas temporariamente se inverte: as laçadas. Solução: ciclos, epiciclos, equantes...

79 Epiciclos

80 O Nascimento da Astronomia Moderna O complicadíssimo modelo geocêntrico de Ptolomeu (mas que já remontava ao primórdios da Grécia Antiga) sobreviveu por 15 séculos sem alterações. Ele só foi questionado por Copérnico no séc. XVI. Assunto da próxima aula...

81 Para saber mais: Uma História da Astronomia Jean-Pierre Verdet, pags , 61-67, Astronomia & Astrofísica Kepler Oliveira & Maria de Fátima Saraiva, Caps. 9, 10, 11 e 12.