O UNIVERSO EM EXPANSÃO

Patrocínio, MG, outubro de 2016 ENCONTRO DE PESQUISA & EXTENSÃO, 3., 2016, Patrocínio. Anais... Patrocínio: IFTM, 2016. O UNIVERSO EM EXPANSÃO Mariana Cardoso Torezam (IFTM - Campus Patrocínio) 1 ; Regina Staropoli de Azevedo (IFTM - Campus Patrocínio) 2 Modalidade: Pesquisa Resumo: O ser humano tem uma imensa fascinação em entender de onde viemos, para onde vamos e, também, o funcionamento do Universo. Tais questionamentos nos fizeram avançar cientificamente e tecnologicamente e estamos cada vez mais perto de várias respostas. Uma das perguntas que nos fazemos seria se o Universo estaria em expansão. Na tentativa de responder essa pergunta podese usar o conceito de Efeito Doppler, que relaciona as variações de frequências emitidas pelas galáxias quando aproximam-se ou afastam-se da Terra, e as que são recebidas na Terra. Usamos essa teoria para mostrar a expansão do Universo. Apesar de haver teorias que propõem que o Universo estaria estacionário, os estudos estão mais "voltados" para a expansão do Universo. Palavras-chave: Efeito Doppler; expansão do Universo; frequência. Introdução O conhecimento da nossa origem tem fascinado o ser humano desde os tempos primórdios. Daí, vem o desejo de estudar o Universo com toda sua extensão e beleza. De acordo com Milone et al. (2003) o conhecimento humano sobre o Universo foi aumentado significantemente com o aperfeiçoamento de instrumentos astronômicos e também com a nossa curiosidade. O conhecimento adquirido alimenta as respostas a algumas das indagações básicas do espírito humano: Como surgiu e se desenvolve este imenso teatro, no qual a matéria e a energia 1 Estudante do Curso Técnico em Eletrônica Integrado ao Ensino Médio, bolsista PIVIC. mariana_torezan@hotmail.com 2 Professora Orientadora, Dra. Física Nuclear. reginastaropoli@iftm.edu.br

produzem espetáculos fantásticos, em contínua transformação? (MILONE et al., 2003, Apresentação) Mas afinal o Universo está se expandindo? Se sim, haverá algum momento em que ele irá parar de expandir e começar a contrair? Há muita controvérsia que gira em torno desse tema. A ciência que estuda o Universo é a astronomia e a astrofísica, duas ciências diretamente ligadas a uma das ciências mais fundamentais da natureza: a física. Entender como o Universo funciona é um assunto muito interessante, além do grande aprendizado sobre a tecnologia envolvida em observações e interpretações de dados. Com o intuito de responder as perguntas, foi necessário entender o tema Efeito Doppler, que é usado não somente em astronomia, mas também em diversas áreas da física, da tecnologia e da eletrônica. Exemplos de aplicações encontrados no cotidiano são: 300 [...] as medidas Doppler em geodésica global, nas técnicas navegacionais de Doppler no ar ou no espaço, do radar Doppler como auxiliar na previsão meteorológica ou suas aplicações na medicina e tecnologia como o sonógrafo Doppler para medir a velocidade do fluxo sanguíneo ou do anemômetro laser-doppler para a velocidade de escoamento de fluidos (PAULA, 2015, p.1). O efeito Doppler é também aplicado "[...] na descoberta em astronomia dos gases interestelares, na catalogação sistemática do desvio para o vermelho de 250 mil galáxias]" (PAULA, 2015, p.1). Assim, descobrindo o tamanho do Universo. Mas o que seria o Efeito Doppler? O Efeito Doppler é observado na diferença entre as frequências emitidas por um objeto e a recebida por um observador, devido à velocidade relativa entre eles. O primeiro a descrever tal efeito matematicamente foi Johann Christian Doppler, cuja bibliografia pode ser encontrada na referência (SCHUSTER, 2007). O objetivo do projeto foi, então, obter através de meios tecnológicos, como internet, dados sobre algumas estrelas/galáxias como seus gases/materiais emitidos e portanto suas cores, suas distâncias do planeta Terra e suas velocidades. E então usar física e matemática básicas de Ensino

Médio para descobrir se tais estrelas/galáxias estão se aproximando ou se afastando da Terra, mostrando se há ou não expansão do Universo. Outro objetivo seria aprender a resolver problemas, tanto do projeto como de outros do cotidiano, usando matemática básica e os conceitos e princípios fundamentais de física do Ensino Médio, como o Efeito Doppler. Finalmente, visou-se descobrir onde mais o conceito de Efeito Doppler é observado. A metodologia se deu, inicialmente, por pesquisas bibliográficas. Depois foram realizadas, através de reuniões, discussões sobre o tema e sobre as técnica de obtenção das respostas pertinentes a essa pesquisa. A partir daí fez-se as coletas dos dados para descobrir se houve aproximação ou afastamento das galáxias com relação à Terra. Com esses dados foi calculado a idade do Universo. Estudos nos mostram que a teoria do Big Bang ou da "grande explosão", termo sugerido por Fred Hoyle em 1950, significa dizer que o Universo começou em um pequeno espaço com toda sua massa e alta densidade concentrados. Depois de 1923, cientistas descobriram que o Universo era mais do que simplesmente a Via Láctea, e hoje sabe-se que ela é apenas uma das mais de 400 bilhões de galáxias observadas. Somente em 1916, quando começou-se a falar em expansão do Universo, que a ideia do Big Bang teve início. Em 1929, Edwin Powell Hubble mostrou que as galáxias estão se afastando e de acordo com Andreolla (2010) pesquisadores, a partir daí, começaram a questionar que se o Universo está se expandindo, então houve um momento em que era apenas um ponto com toda a sua massa. Ainda não é certo como o Universo começou e muitas teorias estão sendo feitas, pois é uma questão de extrema importância para a ciência. No entanto, de acordo com Andreolla (2010), através das teorias da relatividade geral de Einstein, das partículas elementares e de modernos instrumentos é confirmada a existência da matéria escura, a energia escura e a inflação do universo. Tais confirmações se originam na teoria de que o Big Bang começou quente há 13,7 bilhões de anos e tem se expandindo e esfriado ao longo do tempo formando as estruturas - planetas, estrelas, etc. Andreolla (2010) afirma que o Universo tinha ao redor de 100 milhões de anos quando surgiram as primeiras galáxias. Com o passar dos 301

anos mais galáxias foram se formando e o Universo se expandindo. A temperatura também variou, já que inicialmente, logo após o Big Bang, ela chegou a ser de 10 32 K, e hoje é de apenas 2,7 K. Até o século XX, acreditava-se que o Universo estava parado. Foi somente com a teoria da Relatividade Geral, de Albert Einstein (1889-1955), que começou o movimento para o estudo da expansão do Universo, porém o próprio não acredita nisso até as observações de Hubble mencionadas acima. De acordo com Saraiva, Saraiva e Müller (2010), Vesto Melvin Slipher (1875-1969) descobre através de estudos de 41 galáxias que a maioria delas estava se afastando da Terra. Ainda de acordo com Saraiva, Saraiva e Müller (2010) e Amores e Aleman (2015), Hubble e Milton Humason, seu colaborador, observaram que as galáxias estavam se afastando da Terra com velocidades proporcionais à sua distância da Terra. Isso significa que maior a distância da galáxia (que está sendo medida) da Terra, maior é a velocidade de afastamento dela, contribuindo com a evidência de que o Universo está em expansão. Essa é a Lei de Hubble em forma de palavras. Os estudos mencionados até agora utilizam o Efeito Doppler para suas explicações. Várias referências podem ser utilizadas para o estudo desse efeito (HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 1996; NUSSENZVEIG, 1997; RESNICK; HALLIDAY; KRANE, 1996; SAMPAIO; CAIO, 2005; TIPLER, 1995; XAVIER; BENIGNO, 2010). O Efeito Doppler é um fenômeno que se observa em todas as ondas, tanto na luz como no som, emitidas ou refletidas por um objeto movimentando-se com relação a um observador. Por exemplo, quando escutamos o som emitido por algum corpo em movimento como: sirene de uma ambulância em movimento, buzina de um carro em movimento, ou simplesmente o barulho de carros ou aviões altamente velozes, etc., escutamos o som mais agudo quando o objeto se aproxima de nós e mais grave quando se afastam. Já que a luz também é uma onda, ela se comporta da mesma maneira, e é por isso que através dessa diferença de frequência pode-se determinar a velocidade de estrelas e galáxias com relação à Terra. No caso da luz, porém, por ser altamente veloz, a diferença de frequência é perceptível somente se a fonte também for veloz. Neste caso, quando a estrela/galáxia está se afastando da Terra, a luz que recebemos tem frequência aparente menor que a frequência real emitida, ocorrendo um desvio 302

para o vermelho (redshift), que tem a menor frequência visível. Quando a estrela/galáxia está se aproximando da Terra, a luz que recebemos tem frequência aparente maior que a frequência real emitida, ocorrendo um desvio para o azul (blueshift), que tem a maior frequência visível. Nesse projeto foi usado comprimentos de ondas reais medidos na Terra e suas cores reais, conhecidos graças aos elementos que as emitem. Alguns desses dados podem ser encontrados em (SARAIVA; SARAIVA; MÜLLER, 2010). Saraiva, Saraiva e Müller (2015) ainda mostram evidências da Lei de Hubble usando o Modelo do Bolo de Passas. Antes de ir ao forno, um bolo de passas tem tamanho pequeno e as distâncias entre as passas são menores, enquanto que depois de ir ao forno o bolo cresce, bem como a distância entre as passas. As passas não se moveram, o bolo é que cresceu, "espalhando" as passas, sem afetar o tamanho delas. Com a expansão do Universo é a mesma coisa. O Universo expande sem aumentar o tamanho dos objetos como: estrelas, planetas, galáxias, etc., porém aumenta a distância entre elas, e o comprimento de onda da luz, por sua vez também estica e fica maior, causando o redshift visto por um observador. Essa explicação é diferente da do Efeito Doppler, já que aqui os objetos não estão se movendo com relação aos outros, por isso o nome é alterado para redshift cosmológico, porém o tratamento físico é o mesmo do Efeito Doppler, portanto essa teoria ainda é válida. Usando essa teoria foi possível verificar, através das referências (HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 1996; NUSSENZVEIG, 1997; RESNICK; HALLIDAY; KRANE, 1996; SAMPAIO; CAIO, 2005; TIPLER, 1995; XAVIER; BENIGNO, 2010), que a idade do Universo é de 13,8 bilhões de anos. É argumentado, por alguns cientistas, através de teorias rivais a do Big Bang que o Universo está estacionário. No entanto a maioria das teorias, como a explicação usada por Hubble, ao usar o Efeito Doppler, e o modelo do bolo de passas, e muitos outros novos modelos, afirmam que o Universo está em expansão. O assunto discutido nessa pesquisa não atinge nem a "ponta do iceberg". Muitos estudos existem e continuarão na busca pelo conhecimento do Universo. 303

Portanto, nesse projeto foi estudada a teoria do Big Bang e usadas teorias de física de Ensino Médio como o espectro de luz e o efeito Doppler para calcular o redshift (deslocamento para o vermelho). Com as mesmas teorias, foi possível mostrar, através do cálculo das velocidades de algumas galáxias e quasares, que o Universo está em expansão. Notou-se, ainda que há muitas teorias, algumas delas propuseram que o Universo esteja estacionário, mas a maioria dos estudos ainda fornecem dados "mais convincentes" de que o Universo esteja em expansão. 304 Metodologia A orientação da pesquisa teve com ênfase bibliográfica e técnica. O tema foi discutido e debatido, e equações foram incluídas para obter as respostas pertinentes a essa pesquisa. Foram feitas leituras de trechos de livros técnicos e científicos, além de textos encontrados online, sobre os conceitos e os princípios básicos da física aplicada no estudo da expansão do Universo, o Efeito Doppler. Também foi estudado como ocorreu o princípio do Universo, o Big Bang, e verificado onde mais tal princípio se aplica no cotidiano, abrindo, assim, caminhos para novos conhecimentos. A porção exploratória se deu por meio de coletas de dados através de computadores, internet e artigos científicos. Nessa parte da pesquisa, descobriu-se as frequências emitidas por algumas galáxias e as que sabe-se existir no espectro aqui na Terra. Por fim, as técnicas científicas e os mecanismos matemáticos foram usados para determinar a velocidade de afastamento ou aproximação de algumas galáxias com relação à Terra. Foi possível, também, obter a idade do Universo. Referências AMORES, Eduardo B.; ALEMAN, Isabel G. Red Shift e Lei de Hubble. Disponível em:< www.telescopiosnaescola.pro.br/hubble.pdf>. Acesso em: 11 nov. 2015.

ANDREOLLA, Tina. Big Bang Evolução de uma Idéia. 2010. Disponível em: < https://educacaoespacial.files.wordpress.com/2010/10/big-bang-evolução-deuma-ideia.pdf>. Acesso em: 11 nov. 2015. HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de Física. v.4, 4. ed. Rio de Janeiro: LTC, 1996. MILONE, André et al. Introdução à Astronomia e Astrofísica. Disponível em: < http://staff.on.br/maia/intr_astron_eastrof_curso_do_inpe.pdf>. Acesso em: 30 set. 2016. NUSSENZVEIG, H. Moysés. Curso de Física Básica 4 - Ótica e Física Moderna. 1. ed. São Paulo: Edgard Blucher, 1997. 305 PAULA, Ricardo N. F. Efeito Doppler. Disponível em: < http://www.infoescola.com/fisica/efeito-doppler-2/>. Acesso em: 07 abr. 2015. RESNICK, Robert; HALLIDAY, David; KRANE, Kenneth S. Física. v.2, 3. ed. Rio de Janeiro: LTC Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 1996. SAMPAIO, José L.; CAIO, Sérgio. C. Física. 3. ed. São Paulo: Atual editora, 2005. SARAIVA, Maria F. O.; SARAIVA, Kepler S. O.; MÜLLER, Alexei M. Aglomerados de galáxias e a lei de Hubble. 2010. Disponível em: <www.if.ufrgs.br/~fatima/fis2010/aula24-132.pdf>. Acesso em: 11 nov. 2015. SCHUSTER, Peter M. Revolucionário e Ainda Desconhecido. Revista Brasileira de Ensino em Física, v.29, n. 03, p. 465-470, 2007. TIPLER, Paul. Física Volume 4: Ótica e Física Moderna. 3. ed. Rio de Janeiro: LTC, 1995. XAVIER, Claudio; BENIGNO, Barreto. Coleção Física. Aula por Aula. v.2. São Paulo: FTD, 2010.