Explorando o Universo

O céu noturno: um olhar para o passado – literalmente

20 de Novembro de 2019, por Rodrigo Silva 0

Deneb, da constelação de Cisne, a aproximadamente 1500 ano luz de distância da Terra.

O interesse do homem em viajar pelo tempo é inegável. Diria, talvez, que este é um de seus anseios mais gritantes. Vemos a expressão desse desejo com certa frequência em grandes obras cinematográficas. A título de exemplo, podemos mencionar os clássicos “Exterminador do Futuro” de James Cameron; “Efeito Borboleta” de Eric Bress & J. Gruber; e “A Máquina do Tempo” de George Pal. O que passa despercebido aos olhos da maioria, porém, é que o passado está visível, a olho nu, no céu noturno: as estrelas.

Somos capazes de enxergar objetos através da luz que estes emitem ou refletem. Há um determinado intervalo de tempo desde o instante em que um corpo emite ou reflete feixes de luz até o instante em que esses feixes alcançam os nossos olhos. Para objetos na Terra, esse intervalo de tempo é ínfimo; afinal, as distâncias são muito pequenas e a velocidade da luz é enorme: aproximadamente 300 mil quilômetros por segundo (300.000 km/s).  Não obstante, para os astros que vemos no céu, a história é diferente.

O termo “ano-luz” talvez lhe seja familiar. Apesar da palavra “ano”, o termo diz respeito a unidade de distância, e não unidade de tempo. Exemplificando, 1 ano-luz é a distância que a luz percorre no intervalo de tempo de 1 ano – aproximadamente 9,5 trilhões de quilômetros (9.460.730.472.580,8 km).

A estrela mais próxima da terra, além do Sol é claro, está a cerca de 4,24 ano-luz de distância (estrela Próxima Centauri – da constelação de Centauro). Em outras palavras, a luz que vemos ser emitida de Próxima Centauri é a luz que deixou o astro há pouco mais de 4 anos. Ao olharmos para o céu noturno, especificamente para Próxima Centauri, não estamos vendo o astro do presente, e sim o estamos vendo como este era 4 anos no passado. Se Próxima Centauri fosse destruída no presente, só veríamos sua destruição 4 anos no futuro (quando a luz emitida pela destruição chegasse à Terra). Já a estrela provavelmente mais distante da Terra que é visível a olho nu (Deneb – da constelação de Cisne) está a cerca de 1.500 ano-luz de distância, segundo cálculos mais recentes. Ou seja, ao olharmos para Deneb, a vemos como esta era 1.500 anos atrás.

A título de curiosidade, imaginemos um planeta hipotético bem distante da Terra. Imaginemos, também, que neste planeta há um observador com um telescópio, também hipotético, com o qual se possa ver a Terra, independentemente do quão distante o planeta esteja:

  • Se o planeta estivesse a 18 ano-luz de distância (170,3 trilhões de quilômetros), o observador estaria vendo, no presente, o atentado às Torres Gêmeas de 11 de setembro de 2001.
  • Se o planeta estivesse a 30 ano-luz de distância (283,8 trilhões de quilômetros), o observador estaria vendo, no presente, a Queda do Muro de Berlim (1989).
  • Se o planeta estivesse a 74 ano-luz de distância (700,1 trilhões de quilômetros), o observador estaria vendo, no presente, a Bomba de Hiroshima (1945).
  • Se o planeta estivesse a 70.000.000 anos-luz de distância, o observador estaria vendo dinossauros caminhando sobre a Terra.

Na próxima vez em que olhar para as estrelas, lembre-se que o passado está, literalmente, diante de seus olhos. Lembre-se que está, a olho nu, a fazer uma viagem entre 4 e 1500 anos no passado.

Quantas são as fases da Lua? Se respondeste “quatro”, estás enganado

29 de Julho de 2019, por Rodrigo Silva 0

Figura 4. Fases da Lua em cada um dos dias do mês de julho de 2019 para o Hemisfério Sul

A ideia comumente disseminada de que a Lua possui 4 fases está incorreta. Algo mais próximo da realidade seria afirmar que a Lua possui, aproximadamente, 30 fases. Sim, 30 – um número bem maior que 4. Inclusive, se fôssemos ainda mais rigorosos, afirmaríamos que a Lua possui infinitas fases! Para melhor entendimento, basta discutirmos sobre a definição de “fase da Lua” e do que se trata o que chamamos, em Astronomia, de “lunação”.

Imaginemos Terra, Lua e Sol no espaço, como pontos. Se desenharmos um triângulo com vértices nesses três pontos, formaremos três ângulos – ver Figura 1. O ângulo cujo vértice está na Terra define em qual fase a Lua está. Para cada ângulo diferente, temos uma fase diferente – a Lua aparecerá no céu em um formato diferente. Não podemos esquecer, porém, que a Lua gira ao redor da Terra a uma velocidade aproximada de 1 quilômetro por segundo e que a Terra gira ao redor do Sol a cerca de 30 quilômetros por segundo. Ou seja: a cada instante temos um ângulo diferente e, consequentemente, uma fase da Lua diferente – a Lua possui infinitas fases.

Sejamos, agora, um pouco menos rigorosos. A lunação se trata do tempo, em dias, transcorrido entre duas fases iguais. Este período é de aproximadamente 29,5 dias. Como vimos, o formato (fase) da Lua muda rapidamente no céu. Logo, podemos afirmar que a Lua possui 1 fase por dia no decorrer do período lunação – aproximadamente 30 fases.

Portanto, fica evidente o erro presente em afirmar que a Lua possui apenas 4 fases. Na realidade, possui aproximadamente 30 e se fôssemos ainda mais rigorosos diríamos que são infinitas. E quanto às 4 fases das quais sempre ouvimos falar? Bem, essas são as fases que recebem nomes especiais: Lua Nova, Quarto Crescente, Lua Cheia e Quarto Minguante. Eis aqui uma curiosidade extra: não existem, como falamos no cotidiano, as fases “Crescente” e “Minguante” – pois é incorreto deixar de utilizar a palavra “quarto” ao nomear essas fases.

Um erro também comum é presente em muitos calendários (mais comum em calendários específicos para prática esportiva de pesca): trazem a afirmação de que as fases Nova, Quarto Crescente, Quarto Minguante e Cheia durariam cerca de uma semana. Isso é um erro, pois, como já dito, há cerca de 30 fases da Lua (uma para cada dia). A Figura 2 mostra a posição específica entre Lua-Terra-Sol para cada uma das 4 fases que recebem nomes especiais (sendo que cada uma dessas fases só ocorre em um único e específico dia do período de lunação). A Figura 3 apresenta um exemplo de calendário de prática de pesca que apresenta o erro, segundo o qual as fases que recebem nomes especiais durariam mais de um único dia.

Na próxima vez em que lhe perguntarem sobre as fases da Lua, poderá explicar: “a Lua possui aproximadamente 30 fases e 4 delas recebem nomes especiais”. A Figura 4 apresenta as fases da Lua, para cada dia, do mês de julho de 2019 – Hemisfério Sul.

O formato da órbita da Terra: o que não lhe ensinaram

08 de Julho de 2019, por Rodrigo Silva 0

Figura 4. Forma correta de representar a órbita da Terra em torno do Sol

No ano de 1609, o matemático e astrônomo alemão Johannes Kepler publicou três leis de autoria própria que tratavam das peculiaridades dos movimentos dos planetas. A segunda das três leis que naquele período revolucionaram a Astronomia e a Física apontava exatamente que o formato da órbita da Terra, e de todos os planetas do Sistema Solar, era elíptica. Atualmente, tais leis são consenso entre os cientistas: a orbita da Terra em torno do Sol é realmente elíptica. Kepler estava certo! Porém, grande parte dos livros didáticos da educação básica não está.

A título de exemplo, basta verificar a Figura 1. Você, leitor, provavelmente se deparou com tal imagem em algum livro (ou aula) de Ciências, Geografia ou Física. Essa imagem é comumente utilizada para representar o formato elíptico da órbita da Terra em torno do Sol. Não obstante, nela possui um erro exacerbado. Para melhor entendimento do assunto, discutiremos sobre elipse e excentricidade.

Podemos entender a elipse como uma “circunferência achatada”. Não cabe entrar em detalhes matemáticos no presente texto, pois o necessário para entender a confusão que fazem quanto ao formato da órbita da terra é bem simples. É preciso entender que quanto mais achatada for uma elipse, dizemos que ela é mais excêntrica. Esse “achatamento” é medido através da excentricidade, que possui valores que variam de 0 a 1. Ou seja, quando a excentricidade de uma elipse se aproxima de 0, ela é pouco achatada – pouco excêntrica; e quanto mais se aproxima de 1, ela é mais achatada – mais excêntrica. Quando o valor da excentricidade é exatamente 0, não há uma elipse, temos uma circunferência perfeita.

O grande problema é: quão excêntrica precisa ser uma elipse para que notemos o “achatamento”? A Figura 2 apresenta valores de excentricidade para algumas elipses. Observe que somente a forma com excentricidade igual a 0 se trata de uma circunferência. Todas as outras são elipses – circunferências achatadas.  Porém, pode ser um tanto complicado notar o “achatamento” presente em elipses com baixos valores de excentricidade – mais especificamente com excentricidades que vão até o valor de aproximadamente 0,3. As elipses de baixa excentricidade nos parecem, “a olho nu”, como circunferências.

E é aí que está “o que não lhe ensinaram” sobre o formato da órbita da Terra em torno do Sol. A órbita da Terra é sim uma elipse. Porém, é uma elipse de excentricidade tão baixa que nos parece uma circunferência. Portanto, a Figura 1 (apresentada em muitos livros didáticos) está incorreta e totalmente exagerada. A Figura 3 apresenta os formatos das órbitas e excentricidades dos planetas do Sistema Solar. Todas as órbitas são elípticas, pois nenhuma delas possui excentricidade nula. Não obstante, é praticamente impossível notar o achatamento dessas órbitas a olho nu. Note que mesmo a órbita de Mercúrio, a mais excêntrica, ainda parece, aos nossos olhos, um círculo perfeito.

Portanto, Kepler estava correto! As órbitas dos planetas do Sistema Solar são elípticas. Porém, estão longe de ser como as apresentadas em muitos livros didáticos da educação básica. A Figura 4 apresenta uma forma mais correta de representar o formato da órbita da Terra em torno do Sol (uma órbita tão pouco excêntrica que nos parece uma circunferência). Para mais detalhes, no âmbito matemático e científico, basta conferir o texto “O Problema do Ensino da Órbita da Terra”, de João Batista Garcia Canalle – coordenador da Olimpíada Brasileira de Astronomia e Astronáutica –, disponível em: http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol4/Num2/v4n2a06.pdf.

Observação: no texto recomendado, Plutão está entre a lista de planetas do Sistema Solar – pois o texto foi publicado no ano de 2003. Atualmente, porém, Plutão não é considerado um planeta. Plutão é classificado, pela União Astronômica Internacional, como um planeta anão.

Poluição espacial: catástrofe iminente

03 de Junho de 2019, por Rodrigo Silva 0

Ilustração da quantidade de lixo espacial (pontos acinzentados) na órbita terrestre

No dia 4 de outubro de 1957, a base de testes de foguetes da União Soviética – Cosmódromo de Baikonur – lançou o Sputnik 1; o primeiro satélite artificial da Terra. O satélite, que consistia em uma esfera de cerca de 58cm de diâmetro e massa aproximada de 84kg, orbitou a Terra por cerca de 6 meses e foi o marco para o início do que chamamos de “corrida espacial”. Porém, iniciou-se naquele dia o que denotamos aqui como “catástrofe iminente”.

Decorridos 62 anos desde o início da corrida espacial, milhares de objetos foram colocados em órbita do planeta. O que poucos sabem é que a região próxima à Terra se tornou um verdadeiro depósito de lixo: mais de 90% dos milhares de objetos em órbita terrestre se trata de lixo espacial (ou, aplicando um pouco de eufemismo, detrito espacial).

Quaisquer utensílios lançados no espaço orbital do planeta Terra e que já não são mais utilizados compõem o lixo espacial. São fragmentos de foguetes ou satélites, satélites desativados e, inclusive, instrumentos perdidos pelos astronautas durante as missões realizadas no espaço.

A poluição espacial não apresenta um perigo direto à integridade física da humanidade. Afinal, grande parte do lixo espacial é queimada e destruída ao entrar em contato com a atmosfera terrestre, que atua como uma espécie de barreira de proteção contra os destroços. Além do mais, quaisquer fragmentos que ultrapassem essa barreira possuem maior probabilidade de atingir o oceano, já que este corresponde a aproximadamente 71% da área da superfície terrestre. Não obstante, impactos na superfície terrestre são possíveis. A título de exemplo, no ano 2000 duas esferas metálicas caíram em fazendas da África do Sul; identificadas pela agência espacial estadunidense como detritos do Foguete Delta que havia sido lançado em 1996 – as esferas possuíam massa de 30kg e 55kg, aproximadamente.

O lixo espacial representa um perigo gigantesco para satélites ativos (como os recém lançados pela SpaceX a fim de prover internet do espaço); também é uma ameaça para naves espaciais tripuladas e para a Estação Espacial Internacional (laboratório espacial que orbita a Terra, utilizado em inúmeras pesquisas). Uma simples ferramenta que “escapasse” da mão de um astronauta, por exemplo, viajaria a cerca de 9km por segundo ao entrar em órbita (o equivalente a 32400 km/h), de forma que uma colisão com um veículo espacial tripulado por humanos ameaçaria de forma significativa a vida das pessoas ali presentes. Segundo a NASA, um objeto que tenha somente 1 mm de tamanho (menor que um grão de arroz) seria capaz de quebrar cabos de dados e cabos de força secundários da Estação Espacial Internacional; já um com 4 ou 5 mm seria capaz de danificar os cabos de força principais, tubos e painéis.

O que tem sido feito para lidar com o problema do lixo espacial?

Projetos e ideias para lidar com o problema do lixo espacial têm sido apresentados por especialistas do mundo todo nos últimos anos. Um projeto que merece destaque e tem realizado testes desde setembro de 2018 é o Projeto RemoveDEBRIS, que capturou com sucesso, neste primeiro semestre de 2019, um fragmento de lixo espacial.

O projeto RemoveDEBRIS conta com várias tecnologias para coleta do lixo espacial, a fim de garantir a “limpeza” da órbita da Terra. Na recente captura de um detrito espacial, o satélite lançou um arpão/garra em um alvo a uma velocidade de 20 metros por segundo (72 km/h).

A captura do fragmento pode ser assistida no link a seguir: https://www.youtube.com/watch?time_continue=13&v=3oryJMdonUA.

 

É revelada a primeira imagem real de um buraco negro – Einstein estava certo

18 de Abril de 2019, por Rodrigo Silva 0

À esquerda, simulação de como seria um buraco negro, baseada nas equações de Einstein. À direita, a imagem real do buraco negro

Publicado em 10 de abril de 2019

Atualizado em 18 de abril de 2019

 Buracos negros: o que são?

A massa de um objeto, propriedade da matéria relacionada à quantidade desse objeto que ocupa determinado lugar no espaço, apresenta como consequência um curioso fato: a formação de um campo de forças ao redor do corpo que irá interagir com qualquer outro que também possua massa e esteja próximo o suficiente. Sim! Os seres humanos, assim como todos os objetos cotidianos que os rodeiam, possuem massa. Conseguinte, todos os seres (animados ou não) geram tal campo de forças ao redor de si, de forma que todos os objetos se atraem. Porém, nossos corpos, e os objetos à nossa volta, possuem massa muito pequena para que essa força de atração seja fisicamente significante, que seja sequer notada. Não obstante, quando falamos de corpos espaciais de grande massa (planetas, estrelas...) a situação é diferente.

Quando a massa de um objeto espacial é grande o suficiente, o campo de forças torna-se extremamente significativo e atrai para si corpos que estejam nas proximidades. Chamamos tal campo de forças de “campo gravitacional”. A gravidade, que nos prende à terra, é consequência direta desse campo que é gerado pela massa que o planeta possui (aproximadamente 5,9 sextilhões de toneladas – para se ter ideia da magnitude da grandeza, “sextilhões” é o equivalente ao número dado seguido de 21 “zeros”).

Esse campo gravitacional, porém, não depende somente da massa. O tamanho do corpo, que está diretamente relacionado à quantidade de espaço ocupada pelo mesmo, também é um fator determinante. Já foi dito que quanto maior a massa de um corpo, maiores serão as forças de atração causadas pelo campo gravitacional por ele formado.  Já com o tamanho do objeto, ocorre o oposto: quanto menor for o objeto, em tamanho, maiores serão os efeitos do campo gravitacional por ele gerado. Tendo isso em mente, imaginemos agora um corpo espacial com massa extremamente grande (bilhões de vezes a massa da terra) e que, simultaneamente, ocupe um espaço extremamente pequeno para uma quantidade de massa tão grande... teríamos uma força gravitacional gigantesca que atrairia qualquer objeto nas proximidades para si! Teríamos, teoricamente, um buraco negro!

Um buraco negro não pode ser visto

O efeito da gravidade como uma força gerada por massa que atrai massa foi apresentada pelo físico britânico Isaac Newton em 1687, num conjunto de postulados válidos e amplamente utilizados: as famosas “Leis de Newton”. Porém, Einstein propôs – em 1915, com a “Teoria da Relatividade Geral” – que a gravidade, na realidade, se tratava da iteração entre energia e energia. Em outras palavras, Einstein propôs que a gravidade não governa somente o movimento de partículas com massa; mas governa também o movimento de partículas que não possuem massa, como a luz.

Quando olhamos os objetos à nossa volta não enxergamos diretamente os objetos em si, mas sim o que eles refletem. Em outras palavras, o que nossos olhos captam, na realidade, é a luz que incide sobre os objetos e que por eles é refletida. Por isso não enxergamos quando não há luz.

Observações astronômicas ao longo da história apontam a existência de estrelas que se movem de maneira “estranha”, como se estivessem orbitando um objeto de massa muito maior, mas invisível. Assim nasceu a teoria do buraco negro, com base nos postulados de Einsten: uma região de campo gravitacional tão imenso que nem mesmo a luz escapa de sua força de atração.

A região ao redor de um buraco negro à qual a luz não escapa é denominada “horizonte de eventos”. Dessa forma, o buraco negro não reflete luz alguma e, consequentemente, não podemos vê-lo. Todas as imagens de buracos negros disponíveis em livros, na internet, ou em filmes, até o dia de hoje (10 de abril de 2019), tratam-se de simulações feitas em computador. A primeira simulação foi realizada pelo astrofísico Jean-Pierre Luminet na década de 1960.

Se buracos negros são invisíveis, como sabemos que existem e como os detectamos?

Tal detecção é feita de forma indireta. Buracos negros podem ser percebidos pelos efeitos gravitacionais que causam nas regiões próximas ainda visíveis (regiões às quais a luz ainda é refletida pelos objetos – fora do horizonte de eventos). Os corpos que tendem a ser atraídos pelo buraco negro apresentam variações de velocidade que são observáveis e podem indicar a presença de um buraco negro. Essa variação de velocidade, inclusive, possibilita o cálculo para a massa aproximada do buraco negro.

Além do mais, quando o campo gravitacional de um buraco negro absorve a matéria ao seu redor, toda a matéria é comprimida. Essa matéria apresenta significativo aumento de temperatura e passa a emitir uma grande quantidade de raios-X. Dessa forma, sensores que detectam raios-X podem ser utilizados para a localização de buracos negros.

Como capturar a imagem de um objeto do qual nem mesmo a luz escapa?

O poder de um telescópio é limitado ao tamanho que possui. Para captar pequenos pontos de luz “residuais” no horizonte de eventos de um buraco negro, combiná-los e formar uma imagem nítida, seria necessário um telescópio de milhares de quilômetros de diâmetro. Seria um telescópio tão grande que poderia se reduzir a destroços ao sucumbir ao próprio peso. A solução apresentada por uma colaboração internacional foi “transformar a Terra” em um telescópio gigante!

O projeto Event Horizont Telescope (EHT), que envolveu aproximadamente 200 cientistas, combinou oito telescópios, cada um de observatórios de diferentes pontos ao redor da Terra, como se cada um deles fosse o fragmento de um espelho gigante. Cada um deles foi sincronizado com relógios extremamente precisos. Cada sinal detectado foi combinado e organizado com algoritmos matemáticos complexos que exigiram alto poder de processamento. Dessa forma, transformaram a Terra num telescópio virtual gigante, com cerca de 10.000 quilômetros de diâmetro. Os dados foram coletados no ano de abril de 2017 e foram processados e analisados durante os dois últimos anos.

O “telescópio virtual gigante” foi apontado para dois pontos específicos: o primeiro é Sagittarius A*, a região central da nossa própria galáxia (a Via Láctea), onde estimavas apontam a existência de um buraco negro com a massa de aproximadamente quatro milhões de vezes a do Sol. O segundo é o centro da galáxia M87, que está a cerca de 500 milhões de trilhões de quilômetros, também um local onde estimava-se a existência de um outro buraco negro, ainda mais massivo, com cerca de 6,5 bilhões de vezes a massa do Sol.

Divulgada a primeira imagem de um buraco negro

Após dois anos de espera, foi divulgada – hoje (10 de abril de 2019), por volta das 10h (horário de Brasília), em conferência coletiva de astrônomos – a primeira imagem real de um buraco negro. A imagem é referente ao horizonte de eventos do buraco negro supermassivo com cerca de 6,5 bilhões de vezes a massa do Sol, localizado na galáxia M87. Possui tamanho de 40 bilhões de quilômetros (cerca de 3 milhões de vezes o tamanho da Terra) e foi descrito pelos cientistas como “um monstro”.

Tal registro representa um marco histórico para a ciência e tecnologia e coloca em jogo os postulados de Einstein. A imagem da região central da Via Láctea (Sagittarius A*) ainda não foi divulgada. Antxon Alberdi, diretor do Instituto de Astrofísica da Andaluzia, afirmou que tal imagem não foi apresentada devido à existência de algumas dificuldades técnicas que logo serão contornadas.

Einstein estava certo!

Com a fotografia real de um buraco negro recém divulgada, a existência do mesmo deixa de ser uma teoria e torna-se um fato. Torna-se válida, inclusive, a “Teoria da Relatividade Geral” de Albert Einstein. Afinal, a existência confirmada de uma região cujo campo gravitacional é tão grande a ponto de sugar tudo o que está ao redor, inclusive a luz, confirma que a gravidade governa também o movimento de partículas sem massa, como propôs Einstein.

Além do mais, a imagem revelada está extremamente de acordo com simulações realizadas pela equipe do projeto EHT. As simulações foram baseadas nas equações de Einstein que previram o buraco negro como um anel brilhante no entorno de uma forma escura. Previram que o horizonte de eventos deveria ter uma forma circular e tamanho proporcional à massa do buraco negro. O anel brilhante é produzido por partículas de gás e poeira aceleradas em alta velocidade e destruídas pouco antes de serem completamente “sugadas” pelo buraco negro e desaparecem.