Fundamentos de Astronomia – 2012
Prof. Alexandre Medeiros, PhD
As Dimensões do Universo
1. As Dimensões da Terra
A Terra tem o formato aproximado de uma esfera com um diâmetro DT » 13.000 km . Deste modo, o comprimento de sua circunferência equatorial CT = 40.833,84 km .
Sendo a Velocidade da luz, c = 300.000 km/s, temos que a relação entre o diâmetro da Terra (DT » 13.000 km) e o comprimento de sua circunferência equatorial (CT = 40.833,84 km) é igual a: 7,34.
Vemos assim, que a luz percorre em apenas 1 segundo uma distância mais de sete vezes maior do que a circunferência equatorial da Terra. Um avião a jato comercial leva aproximadamente dois dias para dar uma volta equatorial completa em torno da Terra. Um astronauta em órbita dá esta mesma volta em apenas 100 minutos.
2. As Dimensões do Sistema Terra – Lua
Nosso vizinho astronômico mais próximo é a Lua. A distância Terra–Lua é de 384.000 km , ou seja aproximadamente 30 vezes maior que o diâmetro da Terra (que é de 13.000 km ). A luz percorre esta distância Terra-Lua em aproximadamente 1,3 segundos.
Figura 2: Diagrama em escala da distância Terra-Lua
Os intervalos de tempo nas conversações entre os astronautas na Lua e o comando espacial na Terra (perguntas e respostas) duravam aproximadamente 3 segundos.
Começamos a perceber as dimensões colossais do Universo e do seu enorme vazio.
3. As Dimensões do Sistema Solar
Enquanto a Lua gira em torno da Terra em aproximadamente um mês (pouco mais de 27 dias), a Terra gira em torno do Sol em um ano.
3.1 O Sol
A distância da Terra ao Sol é de aproximadamente 150.000.000 km .
Deste modo, o Sol está aproximadamente 400 vezes mais distante da Terra do que a Lua (que, como visto acima, está a
3.2 Planetas Inferiores: Mercúrio e Vênus
Os planetas Mercúrio e Vênus giram em torno do Sol em órbitas internas à órbita da Terra. Por isso Mercúrio e Vênus são denominados de planetas inferiores. Deste modo, em certas ocasiões, estes dois planetas podem estar mais próximos da Terra do que o Sol.
Vênus (o planeta que chega mais próximo da Terra) quando de sua aproximação máxima da Terra encontra-se a uma distância da mesma que é aproximadamente 100 vezes maior que a distância entre a Terra e a Lua.
Os cinco outros planetas (Marte, Júpiter, Saturno, Urano e Netuno) giram em torno do Sol em órbitas exteriores à órbita da Terra. Por isso, eles são todos denominados de planetas superiores.
Até 2006, Plutão era também considerado um planeta (o mais afastado do Sol), Desde então, ele passou a ser enquadrado em uma nova categoria de “planeta anão”, o que discutiremos oportunamente no decorrer deste curso. Júpiter, o maior dos planetas do sistema solar, gira em torno do Sol a uma distância média 5 vezes maior do que a distância média entre a Terra e o Sol.
Esta distância média entre a Terra e o Sol é frequentemente usada como um parâmetro de referência na Astronomia e por isso é tomada como uma conveniente unidade de distância astronômica. Ela recebe, assim, o nome de unidade astronômica ou UA. 1 UA = 150.000.000 km , ou mais precisamente 1,496 x 108 km. Deste modo, o raio da órbita de Júpiter em torno do Sol é de 5 AU. Júpiter tem um diâmetro 10 vezes maior que o diâmetro da Terra. Isso implica que o volume de Júpiter é 1000 vezes maior que o volume da Terra. Mesmo sendo um planeta gigantesco, Júpiter tem um diâmetro aproximadamente 10 vezes menor do que o diâmetro do Sol. Assim, a volume de Júpiter é aproximadamente 1000 vezes menor do que o volume do Sol. Deste modo, pode-se perceber que o volume do Sol é aproximadamente 1.000.000 vezes maior que o volume da Terra. Plutão (tido até 2006 como o nono e mais externo planeta do sistema solar) está a uma distância do Sol de aproximadamente 40 AU.
A luz viaja do Sol até os planetas em intervalos de tempo que variam de alguns poucos minutos até algumas horas.
A parte (a), à esquerda, mostra as órbitas dos planetas internos (Mercúrio, Vênus, Terra e Marte). O tamanho do Sol é mostrado na mesma escala das órbitas planetárias, mas os planetas, em si mesmos, não podem ser vistos nesta mesma escala.
A parte (b), à direita, mostra os planetas externos (Júpiter, Saturno, Urano e Netuno) e mais o planeta-anão Plutão para comparação.
Mesmo que houvéssemos representado a órbita da Terra em torno do Sol por um minúsculo segmento de apenas 2 milímetros (o que impediria de representarmos convenientemente as órbitas de Mercúrio e de Vênus), ainda assim o raio da órbita de Plutão teria de ser representada por um segmento de oito centímetros.
Continuamos, portanto, a perceber as dimensões colossais do Universo e do seu gigantesco espaço vazio.
4. As Dimensões das Distâncias do Sol às Estrelas mais Próximas
O Sol é uma estrela de tamanho médio, cujas características específicas serão estudadas no decorrer deste curso.
Isto equivale também a dizer que se representássemos em um diagrama em escala a órbita da Terra em torno do Sol (que é igual a uma unidade astronômica, 1 UA) por um pequeno traço de apenas 2 milímetros , a distância do Sol à estrela mais próxima teria de ser representada, nesta mesma escala, por um enorme segmento de 600 metros .
Nesta mesma escala (distância Terra-Sol = 2 mm ), a maior parte das centenas de estrelas mais próximas do nosso Sol deveriam ser representadas por segmentos que variariam de um a dois quilômetros de extensão.
Enquanto a luz leva aproximadamente oito minutos para vir do Sol à Terra, ela leva quatro anos para vir desde Alfa do Centauro, a estrela mais próxima, até a Terra. Por isso, dada às dimensões colossais de tais distâncias das estrelas, nós costumamos expressá-las utilizando uma unidade de distância bem maior e, portanto mais conveniente: o ano-luz.
Um ano-luz é a distância que a luz percorre em um ano, ou seja:. percebemos, assim, cada vez com mais clareza, as dimensões colossais do Universo e do seu gigantesco espaço vazio.
5. As Dimensões da Via Láctea
O nosso Sol, que nos parece tão grande da nossa humilde perspectiva terrestre, é apenas uma estrela de tamanho intermediário, dentre bilhões de outras estrelas (muitas delas bem maiores que ele) e que compõem a nossa galáxia, a Via Láctea.
A Via Láctea é um enorme conjunto de estrelas (entre 200 e 400 bilhões de estrelas). Ela tem a forma de um disco espiralado com aproximadamente 100.000 anos-luz de diâmetro e 2.000 anos-luz de espessura em seu bojo central.
A Via Láctea tem muitos braços que se enrolam em direção ao centro da galáxia. Eles vão desde o braço mais interno, o braço Norma, até o mais externo, o braço Cygnus. O Sol está localizado em um braço intermediário, o braço Orion, também conhecido como braço Local e fica a mais ou menos 30.000 anos-luz do centro da Via Láctea. Por suas modestas dimensões e pela sua localização periférica, o Sol não ocupa nenhuma posição de destaque na nossa Galáxia.
Figura 4: Diagrama da Via Láctea mostrando os seus braços em espiral e a localização do Sol
As enormes dimensões da gigantesca vastidão da Via Láctea podem ser mais bem compreendidas se as representarmos em um diagrama como o que se segue e que é composto de quatro partes.
Na figura (a) representamos todas as estrelas contidas em uma esfera imaginária (com um raio de 10 anos-luz) centrada no nosso Sol. Ela contém apenas 10 estrelas.
Na figura (b) representamos as estrelas contidas em uma outra esfera maior (com um raio de 100 anos-luz) centrada no Sol. Ela já contém 10.000 estrelas.
Na figura (c) representamos as estrelas contidas em uma esfera imaginária ainda maior que a anterior (com um raio de 1.000 anos-luz) e ainda centrada no Sol. Esta nova esfera já contém agora a enorme soma de 10.000.000 (dez milhões) de estrelas.
Note-se que este é já um número enorme de estrelas e elas estão contidas em uma colossal esfera com nada menos do que mil anos-luz de raio. A mesma luz que enquanto pronunciamos uma única letra (em mais ou menos 1 segundo) é capaz de percorrer uma distância maior do que sete vezes o círculo equatorial da Terra, gasta mil anos apenas para atravessar a metade da largura desta esfera.
Dito de outro modo, esta terceira esfera imaginária é tão grande que a luz que houvesse saído de uma estrela situada em um de seus lados há 500 anos atrás (na época do descobrimento do Brasil) ainda demoraria mais outros 500 anos para chegar até a Terra, colocada bem perto do centro da referida esfera.
Pois bem, observando a figura (d) podemos agora notar que mesmo esta gigantesca terceira esfera da figura (c) parece minúscula quando comparada às dimensões colossais da Via Láctea como um todo. 1.000 anos-luz é apenas a espessura da Via Láctea em um trecho já afastado de seu bojo central mais espesso, E como já enfatizamos anteriormente, o nosso Sol ocupa apenas uma simples posição periférica na Via Láctea.
Considerando agora a Via Láctea como um todo, a ordem de grandeza do número de estrelas é de 107, ou seja, da ordem de centenas de bilhões de estrelas.
Note-se que as estrelas observadas a partir da Terra rareiam em certas direções mais do que em outras. Isso se deve à posição do nosso sistema solar na Via Láctea e ao formato em disco achatado da mesma.
Quando olhamos através do plano da nossa Galáxia encontramos tantas estrelas que em nossa linha de visada que as mais remotas apresentam apenas um tênue brilho de luz em uma faixa circular em torno do Céu. Essa faixa de luz esbranquiçada, de aparência leitosa, é a origem do nome Via Láctea.
Figura 6: Foto da Via Láctea na região da Constelação de Sagitário
Figura 7: Composição em mosaico de várias fotos da Via Láctea em uma extensão angular de 360o
Nós não conseguimos ver diretamente através de toda a extensão da Via Láctea até as suas extremidades (passando pelo núcleo galáctico) porque o espaço interestelar não está completamente vazio. Ele contém uma distribuição esparsa de gás (principalmente hidrogênio) misturado com partículas microscópicas à qual denominamos de poeira interestelar.
Este material (a poeira interestelar) é tão rarefeita que o espaço interestelar constitui um vácuo muito melhor do que qualquer vácuo que se possa produzir nos laboratórios terrestres.
Entretanto, essa poeira interestelar, apesar de extremamente rarefeita, se estende por extensões tão vastas (milhares de anos-luz) que esmaece a luz proveniente das estrelas mais longínquas da nossa Galáxia.
Para termos uma idéia melhor das colossais dimensões da Via Láctea, consideremos a própria história da civilização humana. O que significa comparativamente esses 100.000 anos, tempo que a luz leva para atravessar a Via Láctea de lado a lado?
O nosso calendário oficial tem seu início há apenas 2010 anos atrás, isso é muito pouco, quase um nada em termos astronômicos. Recuando um pouco mais, as civilizações mais antigas (os primeiros hieróglifos egípcios) datam de 5200 anos atrás. Recuando ainda mais no tempo, 12.000 anos atrás, temos a invenção da agricultura. Ainda é muito pouco em termos astronômicos. Recuemos ainda mais no tempo entrando na Pré-história. Há 15.000 anos atrás, os primeiros homens migraram para as Américas. Há 30.000 anos atrás, os primeiros seres humanos chegaram à Europa. Há 50.000 anos atrás, os primeiros homens haviam chegado à Ásia e ao Oriente médio. Há 70.000 anos atrás, começaram as primeiras migrações humanas vindas da África. Há 250.000 anos atrás, o Homo Sapiens aparece na África.
Portanto, o tempo que a luz leva para atravessar a vastidão da Via Láctea é da mesma ordem de grandeza (107 anos) da própria existência do Homo Sapiens na face da Terra. Vale salientar ainda que o ser humano surgiu na Terra há aproximadamente 2.000.000 de anos atrás, bem depois da extinção dos dinossauros que se deu há 65.000.000 de anos atrás. E isso (como veremos na seqüência do nosso texto), ainda é quase nada em relação ao calendário astronômico do Universo. Só o nosso planeta tem 4,5 bilhões de anos de existência.
Percebemos, cada vez com mais admiração, as fantásticas dimensões do Universo e do seu gigantesco espaço vazio.
Vários outros sistemas planetários, além do nosso sistema solar, já foram detectados neste novo milênio. Isso será assunto de discussão futura. Na verdade, é muito provável que a maioria das estrelas tenha sistemas planetários. A quantidade, portanto, de possíveis planetas existentes na nossa Galáxia é simplesmente fantástica, devendo superar em muito o próprio numero de estrelas da mesma.
7. Aglomerados de Estrelas
Existem muitas estrelas duplas (pares de estrelas que giram em torno de um centro de massa comum), estrelas triplas e até mesmo sistemas de múltiplas estrelas que formam aglomerados de estrelas. Na verdade, estrelas solitárias não são uma regra, mas sim uma exceção em nossa Galáxia. Milhares
Esses aglomerados de estrelas têm comumente desde apenas algumas dúzias de estrelas até centenas de milhares de estrelas cada um. Os diâmetros desses aglomerados estelares variam desde alguns poucos anos-luz até várias centenas de anos-luz.
8. As Dimensões das Galáxias e dos Aglomerados de Galáxias
Breve História do Estudo da Via Láctea e do Universo Foi Demócrito (450 aC- Foi apenas em 1610 que se conseguiu demonstrar a veracidade desta idéia. Naquele ano, Galileu Galilei utilizando o recentemente inventado telescópio, descobriu que a Via Láctea era de fato composta por uma enorme quantidade de estrelas. Em 1755, Immanuel Kant sugeriu corretamente que a Via Láctea era, na verdade, um aglomerado de numerosas estrelas em rotação, mantidas unidas entre si pela força da gravidade, do mesmo modo que o sistema solar, mas em uma escala muitíssimo maior. Kant sugeriu também que algumas das manchas em formatos de pequenas nuvens (as nebulosas) observadas em um céu bastante escuro, deveriam ser galáxias como a nossa. A primeira tentativa de descrever a forma da Via Láctea e a posição do Sol foi feita por William Herschel em 1785 através da meticulosa contagem do número de estrelas nas diferentes regiões do céu. Baseado nesta contagem, Herschel construiu um diagrama com a forma da galáxia com o sistema solar próximo do centro. Em 1845, Lord Rosse construiu um enorme telescópio, para a época, e com ele conseguiu distinguir as diferenças entre uma nebulosa elíptica e uma em forma de espiral. Entretanto, até o início do século XX, acreditava-se ainda que a Via Láctea fosse um sistema relativamente pequeno, com o Sol próximo de seu centro. Foi apenas em 1917, que Harlow Shapley realizou o primeiro cálculo rigoroso das dimensões da Via Láctea. Analisando a distribuição espacial dos aglomerados globulares (esféricos ou elipsóides) na Galáxia, Shapley descobriu que o Sol estava localizado a trinta mil anos-luz do centro galáctico e que estava mais próximo das bordas da Galáxia. Ele calculou que a Via Láctea deveria ter um diâmetro aproximado de cem mil anos-luz, e que havia outros corpos celestes aparentemente em órbita da mesma, que logo Edwin Hubble viria a demonstrar serem também outras galáxias. Foi apenas em 1924, que o astrônomo Edwin Hubble conseguiu determinar aproximadamente a extensão do Universo. Hubble mostrou que, de fato, existem muitas outras galáxias e que estas se afastam de nós. Ao medir a velocidade com a qual as galáxias se afastavam (mostrando assim que se encontravam a uma grande distância), mostrou também que elas, estavam realmente fora da Via Láctea e eram assim como outras “ilhas” constituídas de estrelas. |
Se até a década dos anos
Com o auxílio dos modernos telescópios terrestres e principalmente com o telescópio espacial Hubble, foi possível detectar recentemente a existência de inúmeras galáxias distantes em regiões do céu que até então nos pareciam completamente escuras.
Estas galáxias podem ser melhor estudadas de acordo com as suas distâncias da nossa Via Láctea.
Iniciando a nossa jornada de estudo nas proximidades da nossa Via Láctea, podemos perceber que as galáxias estão agrupadas em diversos aglomerados de galáxias. A própria Via Láctea faz parte de um pequeno aglomerado, o Aglomerado Local. Este pequeno aglomerado reúne apenas umas vinte pequenas galáxias, dentre as quais as maiores dentre elas são apenas a própria Via Láctea e a sua irmã gêmea em espiral, a galáxia de Andrômeda.
O Aglomerado Local (que contém a Via Láctea) se estende por vastos 3.000.000 anos-luz. Lembremos que a Via Láctea tem uma extensão aproximada de 100.000 anos-luz. Isso equivale a dizer, como mostra a figura seguinte, que ele ocupa uma região do espaço 900 vezes maior que a própria Via Láctea.
Afastando-se ainda mais da Via Láctea, em torno de uns
Figura 10: Aglomerado de Galáxias na região da Constelação de Hércules
Afastando-se uns 50 milhões de anos-luz, ou mais, encontramos o mais próximo aglomerado de galáxias razoavelmente importante pelas suas dimensões. Ele contém pelo menos 1.000 galáxias (lembremos que o nosso Aglomerado Local contém em torno de apenas vinte galáxias). Mas, mesmo este gigantesco aglomerado (quando comparado ao nosso Grupo Local) ainda está longe de ser um dos “pesos pesados” do Universo.
Afastando-se ainda mais, a uns 400 a 500 milhões de anos-luz, encontramos o primeiro aglomerado de galáxias realmente grande. Ele reúne algo em torno de 10.000 galáxias.
Àquela distância, o volume espacial abarcado em nosso afastamento já é tão colossal que podemos encontrar nele centenas de milhares de outros aglomerados de galáxias espalhados pela imensa vastidão do Cosmos. Muitos deles são tão pequenos quanto o nosso Grupo Local.
Entretanto, a distâncias já da ordem de alguns bilhões de anos-luz, nós podemos encontrar outros gigantescos aglomerados de galáxias. Mais de 3.000 desses gigantescos e longínquos aglomerados de galáxias já foram catalogados.
Além disso, nesta escala monumental de distância já podemos perceber que os próprios aglomerados de galáxias se agrupam em super-aglomerados de galáxias. São aglomerados de aglomerados de galáxias; algo que só pode ser percebido devido ao efeito da enorme distância que os torna aparentemente diminutos.
Esses super-aglomerados de galáxias formam uma espécie de teia ou de rede espacial que ocupa organizadamente todo o Universo visível e que está separada por enormes bolsões de espaço vazio.
Há distâncias da ordem de 10 bilhões de anos-luz, encontramos objetos estranhos, que parecem estrelas, mas que são muito mais brilhantes do que galáxias encontradas àquela distância São os misteriosos Quasars, as coisas mais brilhantes do Universo. Nós não sabemos ao certo o que são os quasars, mas temos boas razões para suspeitar que eles estão localizados no centro de galáxias gigantescas e que sua colossal energia está associada à presença de monstruosos buracos negros.
Se tentássemos mostrar a localização dos quasars no Universo em um diagrama na mesma escala da Figura 9 (no qual representamos em aproximadamente doze centímetros a extensão do Aglomerado Local); neste novo diagrama os quasars estariam representados a uma distância de um quilômetro. Nesta mesma escala, a nossa Via Láctea teria menos de 1/2 centímetro.
Podemos avaliar, agora, como as fantásticas dimensões do Universo e do seu colossal espaço vazio superam em muito as nossas mais ousadas expectativas iniciais. Mas, ainda não terminamos a nossa jornada em direção aos limites do Universo.
9. As Dimensões do Universo Visível
Os Quasars são as coisas mais longínquas que podemos realmente ver. Eles marcam os limites do Universo visível alcançável com nossos telescópios óticos. Nenhuma luz visível provém de regiões mais afastadas do que aquela onde se encontram os quasars.
10. Para Além do Universo Visível: O Big Bang
Para além dos quasars jaz, portanto, uma região escura do Universo, da qual nós só temos conhecimento através da tênue radiação eletromagnética que provém da mesma. Esta radiação de fundo tem um comprimento de onda bem maior que o da luz visível (a maior parte dela nos chega na faixa das ondas de rádio) e provém de todas as direções.
Tendo em mente que (segundo a Teoria da Relatividade) a luz tem uma velocidade finita, podemos perceber que as imagens que nos chegam destas regiões longínquas do espaço são também imagens de um passado longínquo. Nós vemos os distantes quasars como eles eram em um passado remoto. As imagens que nos chegam dos confins do Universo são assim também as imagens de sua própria origem.
Ao penetrarmos na região escura do espaço (para além dos quasars), guiados apenas pela tênue radiação de fundo que da mesma provém, nós obtemos informações do que devem ter sido os instantes seguintes ao próprio momento da criação do Universo; os instantes que se seguiram ao gigantesco Big Bang.
PARA CITAR ESTA FONTE: Medeiros, Alexandre. As Dimensões do Universo. Física e Astronomia_Alexandre Medeiros, BLOG.
http://alexandremedeirosfisicaastronomia.blogspot.com/2012/03/as-dimensoes-do-universo.html. Acessado em 16 de Março de 2012. (atualizar a data).
