1º TRIMESTRE - O UNIVERSO

COSMOLOGIA E FORMAÇÃO DAS ESTRELAS

Nesse tema, conheceremos o Universo, assim como sua formação, composição e evolução, as galáxias, o ciclo das estrelas, o Sistema Solar e a vida fora da Terra.

REFLEXÃO...

O que há no Universo, além do planeta Terra?

Como surgiram as estrelas? De onde veio o material que as compõe?

As estrelas são eternas? O Sol pode deixar de existir algum dia?

Como as estrelas podem influenciar na formação dos planetas?

Será possível encontrar outro planeta em que possamos viver?

1. A COSMOLOGIA E A HUMANIDADE

O que há no céu

A beleza de um céu noturno longe da poluição luminosa é indiscutível. O céu noturno é cheio de estrelas, mas será que só há estrelas lá?

No Universo encontramos galáxias, gases e poeira cósmica, aglomerados de estrelas, planetas, luas, cometas e outros corpos celestes.

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A astronomia é uma das ciências mais antigas que existe, encarregada de estudar o céu e tudo aquilo que se relaciona com o espaço.

Surgiu e se desenvolveu devido à curiosidade e estudo da humanidade ao longo da história: há mais de 5 000 anos, os povos já construíam monumentos para observação do céu.

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Diferentes culturas, diferentes céus

Homens das cavernas ficavam apavorados quando ocorria um eclipse solar, pois não sabiam como explicar uma escuridão bem no meio da tarde. Na busca por respostas, muitos desses fenômenos se fundamentavam no conhecimento e nas crenças limitados da época.

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Outro tema inspirado em observações do céu foi a origem do Universo. As respostas para a origem e evolução do Universo são conhecidas como modelos cosmológicos:

A cosmologia estuda e tenta explicar a origem, a estrutura e a evolução do Universo.

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Cosmologia Egípcia - Os egípcios estudavam o céu para compreender melhor seus deuses, relacionando observações do céu com comportamentos da natureza: previam a época de cheias através da observação da estrela Sirius no horizonte pela manhã, sabiam que o ano durava 365 dias, conheciam as fases da Lua e a ocorrência dos eclipses.

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Cosmologia Indígena Brasileira - Os povos indígenas possuíam suas ideias sobre o surgimento do Universo, relacionando-as aos fenômenos da natureza. Alguns povos explicavam sua origem através de uma longa caçada a um tatu místico.

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Cosmologia grega – Os gregos buscavam explicações fora do âmbito religioso, com mais análises e observações. Acreditavam que o Universo era esférico, feito de camadas e finito. Os gregos acreditavam que a Terra não se move e ocupa o centro do Universo, numa região chamada de Morada Humana, e os demais corpos celestes giravam ao seu redor, inclusive o Sol. Essa ideia formulada por Claudio Ptolomeu (100 - 170) é conhecida como geocentrismo, ganhou popularidade e foi aceita no mundo ocidental por mais de 15 séculos.

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Cosmologia Copernicana - No século XVI, o astrônomo Nicolau Copérnico (1473 - 1543) observou que Mercúrio e os demais planetas estavam girando ao redor do Sol e não da Terra, constatando que o Sol está no centro do Universo, formulando a ideia do heliocentrismo. Essa ideia foi rejeitada pela maioria da população, mas contribuições de outros estudiosos, como Galileu Galilei, Johannes Kepler e Isaac Newton, ajudaram a consolidar essa ideia com alterações.

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Como contamos o tempo

Cada povo organizou sua forma de contar o tempo de acordo com sua cultura e necessidades.

Babilônios – Calendário com 354 dias divididos em 12 ciclos lunares de 29 a 30 dias. Essa civilização percebeu que o tempo entre uma lua cheia e a próxima lua cheia era de 29 a 30 dias, conhecido como ciclo lunar. Perceberam também que o calendário ficava desatualizado com o passar dos anos, e para corrigir essa defasagem acrescentavam alguns dias a mais no meio do ano, chamado de mês intercalar. Considerado o calendário mais antigo da história.

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Egípcios – Observando a estrela Sirius, fizeram um calendário com 365 dias, divididos em 12 meses de 30 dias, mais cinco dias de festividades. Quando a estrela Sirius surgia no céu ao amanhecer “estrela da manhã” era a época em que o Rio Nilo transbordava.
Maias – Na América pré-colombiana, observaram o Sol, a Lua e Vênus e fizeram um calendário com 365 dias, divididos em 18 meses de 20 dias, mais cinco dias de mau presságio.

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Romanos – Elaboraram um calendário com 365 dias e 12 meses, e a cada quadriênio um dia a mais, conhecido como ano bissexto. Os romanos criaram os meses como são hoje, com 28, 30 e 31 dias, além dos anos bissextos.
Calendário Gregoriano – Elaborado pelo papa Gregório XIII, ao reformar o calendário romano, e é usado no mundo todo hoje. Esse papa recomendou que os anos terminados em 00 só seriam bissextos a cada 400 anos, visto que na época, todos os anos terminados em 00 eram bissextos. Além desse, alguns países usam calendários tradicionais próprios, como os chineses, os judeus e os muçulmanos, sempre em conjunto com o gregoriano.

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EXERCÍCIOS

Diversos povos, em diferentes épocas, dedicaram-se à observação e ao estudo dos astros. O que explica esse interesse tão grande?

Discuta as questões a seguir:

a) Você conhece algum mito sobre a criação do Universo, da Terra ou da humanidade?

b) De onde você acredita que vem a inspiração para a criação de mitos?

c) Qual é a importância dos mitos para um povo?

3. Quais observações do céu são capazes de apoiar o modelo geocêntrico?

4. Quais as contribuições de Nicolau Copérnico para o modelo heliocêntrico?

5. O calendário Gregoriano está fundamentado em quais ciclos naturais?

6. Como ocorrem os anos bissextos e qual é a sua função?

2. UNIVERSO E SUAS GALÁXIAS

O Universo se expande

O Universo é toda a matéria e energia que existe e a teoria mais aceita sobre sua origem é a do Big Bang:

Tudo começou há cerca de 14 bilhões de anos, com a expansão de um único ponto extremamente denso e quente, que se tornou o Universo de hoje.

Teoria proposta no século passado, é fundamentada em observações de galáxias se afastando e em cálculos que indicam que o Universo continua se expandindo.

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Se o Universo está se expandindo, podemos imaginar o reverso, o Universo se retraindo até se tornar um ponto extremamente denso. E antes disso? Um dos maiores questionamentos...

Após o Big Bang, a matéria começou a se expandir, forças fundamentais foram criadas, depois os elementos químicos e as primeiras estrelas. Milhões de anos depois surgiram as primeiras galáxias, e o Universo foi se moldando e se tornando como é hoje.

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As galáxias

As galáxias são sistemas gravitacionais formados por inúmeras estrelas. As estrelas produzem luz e calor e podem ser orbitadas por planetas, formando sistemas planetários. O Sistema Solar é um sistema planetário, entre inúmeros que existem nas mais de 100 bilhões de galáxias que existem no Universo conhecido.

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Via Láctea, nossa galáxia

Galáxia espiral formada por bilhões de estrelas, com um buraco negro no centro, Sagitário A*.

O Sistema Solar está localizado em um dos braços secundários, o Braço de Órion, a 26 000 anos-luz do centro da galáxia.

A Via Láctea é uma das mais de 100 bilhões de galáxias que existem no Universo, e localiza-se em um aglomerado com cerca de 50 galáxias, chamado de Grupo Local.

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Seu nome tem origem a partir de uma mitologia grega, em que a deusa Hera, ao se recusar amamentar o filho de Zeus com uma mortal, espirra um jato de leite em direção ao céu, formando a mancha brilhante e esbranquiçada. Dessa forma, Via Láctea significa "caminho do leite".

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Outras galáxias visíveis

Andrômeda – Galáxia espiral muito maior do que a Via Láctea, é a galáxia mais próxima da nossa podendo ser vista a olho nu. Irá se chocar com nossa galáxia daqui 4 bilhões de anos.
Grande Nuvem de Magalhães e Pequena Nuvem de Magalhães – Galáxias anãs satélites irregulares, que orbitam a Via Láctea, possuem berços de estrelas. Ambas são visíveis a olho nu.

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Tipos de galáxias

Com a evolução dos instrumentos para a observação do espaço, os cientistas perceberam que as galáxias não são todas iguais. As galáxias são classificadas de acordo com seu formato, em quatro categorias:

Elípticas (E) – Têm forma esférica ou elipsoidal.
Espirais (S) – Sua forma é espiral, e podem ter braços abertos ou fechados.
Espirais Barradas (SB) – Têm forma de barra em espiral, e podem ter braços abertos ou fechados.
Irregulares (Irr) – Possuem forma irregular.

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Constelações e asterismos

Observando o céu, diversos povos antigos imaginaram desenhos no céu: linhas imaginárias ligando estrelas e formando figuras. A época de aparição de certas imagens indicava o momento de plantio, e ajudava os viajantes a se orientarem.

Hoje, são reconhecidas 88 constelações, e os astrônomos as utilizam para mapear e identificar regiões no céu. Embora as constelações deem a impressão de que as estrelas estão próximas umas das outras, o que vemos é uma imagem plana, mas o Universo é uma estrutura em três dimensões.

As figuras imaginadas ao ligar estrelas no céu são conhecidas como asterismos. Muitos asterismos foram propostos na época da Grécia Antiga, como explicação de mitos.

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EXERCÍCIOS

7. Além das galáxias, do que nosso Universo é composto? O que é um sistema planetário?

8. O que diz a teoria do Big Bang? Quais são suas evidências?

9. Você conhece alguma outra ideia sobre a origem do Universo?

10. Quais são as quatro galáxias que podem ser observadas a olho nu? Ilustre-as.

11. Ilustre e escreva as características de cada um dos tipos de galáxias.

12. Pesquise, escreva a origem e ilustre quatro dos 88 asterismos aceitos hoje.

3. A FORMAÇÃO DAS ESTRELAS

Como se formam as estrelas

Nebulosas são grandes nuvens de gases e poeira cósmica que se estendem por centenas de anos-luz.

Forças gravitacionais fazem com que partes dessa nuvem se condensem, dando início ao processo de formação das estrelas.

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Durante esse processo, a temperatura e a pressão aumentam drasticamente, formando uma protoestrela (estrela em formação).

O aumento da gravidade faz com que a temperatura alcance milhões de graus Celsius, possibilitando o início do processo de fusão nuclear, mecanismo de produção de luz e calor - uma estrela se formou.

Quando a protoestrela não atinja a temperatura necessária, seu processo falha, resultando em uma esfera gasosa sem luz e sem calor, a anã-marrom.

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A cor das estrelas

Olhando para o céu, notamos muitas estrelas com brilhos de cores diferentes: brancas, azuladas, amareladas, vermelhas.

A coloração das estrelas indica sua composição, que tipo de material está sendo produzido em seu interior e sua temperatura superficial. Quanto maior a temperatura superficial, mais intenso será seu brilho.

Estrelas azuis apresentam as maiores temperaturas superficiais, podendo chegar a 40 000 ºC, enquanto as estrelas vermelhas são as menos quentes, com temperaturas superficiais médias de 3 000 ºC. O Sol é uma estrela de cor branca, com temperatura superficial de 5 500 ºC.

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Ciclo de vida das estrelas

Uma estrela nasce quando sua temperatura é alta a ponto de fundir hidrogênio em hélio. Após isso, entra em sua fase estável, na sequência principal. Cerca de 80% das estrelas conhecidas, inclusive o Sol, encontram-se nessa fase.

Quando o hidrogênio acaba, a estrela entra na fase final de seu ciclo, sendo brutalmente modificada, fundindo elementos cada vez mais pesados de forma descontrolada.

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De gigante vermelha a anã branca

No final de seu ciclo, as estrelas pequenas, com massa entre 0,8 e 10 vezes a do Sol, iniciam a fusão de hélio, produzindo grande quantidade de energia.

A intensa força gravitacional segura essa energia fazendo com que as camadas externas da estrela se expandem, e ela se torna uma gigante vermelha. No momento em que a energia acumulada supera a força gravitacional, a estrela torna-se instável e ejeta a maior parte de sua massa para o espaço, produzindo uma nebulosa planetária.

O restante de matéria que sobra se torna uma anã branca que irá se resfriar e perderá seu brilho, com o passar bilhões ou até mesmo trilhões de anos. Uma anã branca pode esfriar totalmente, se tornando uma anã negra, não possuindo mais brilho.

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Supernovas

Já estrelas dezenas de vezes maiores que o Sol são capazes de fundir elementos mais pesados que o hélio, liberando muita energia, que se acumula devido a sua imensa força gravitacional, o que faz com que suas camadas se expandam e originem uma supergigante vermelha.

A quantidade de energia necessária para superar a força gravitacional dessas estrelas faz com que as supergigantes vermelhas entrem em colapso, causando as maiores explosões do Universo – as supernovas do tipo 2.

O brilho de uma supernova pode ser equivalente ao brilho de uma galáxia inteira.

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Grande parte da matéria é lançada ao espaço, originando nebulosas, e o centro da estrela pode concentrar muita massa condensada, transformando-se em uma estrela de nêutrons ou em um buraco negro:

Estrela de nêutrons – Origina do que restou do centro de uma estrela com até 40 vezes a massa solar, apresenta muita massa condensada e é muito densa. Uma colher de chá de uma estrela de nêutrons tem a massa equivalente a 2 000 toneladas.
Buraco negro – Origina do que restou do centro de uma estrela que possuía massa superior a 40 vezes a massa solar, é extremamente denso, e sua atração gravitacional é fortíssima a ponto de nem a luz escapar dessa atração.

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EXERCÍCIOS

13. Que característica indica que uma estrela se formou?

14. O que podemos concluir em relação as cores das estrelas?

15. Qual é a cor do Sol? Em que fase nossa estrela se encontra?

16. O que é a sequência principal? E o que caracteriza que uma estrela entrou no fim do seu ciclo?

17. Qual o fim do ciclo de estrelas com até dez vezes a massa solar?

18. Qual o fim do ciclo de estrelas com mais de dez vezes a massa solar?

4. O SISTEMA SOLAR

Sua formação

Nosso Sistema Solar foi formado há 4,6 bilhões de anos, originado de uma nuvem de gases e poeira cósmica.

Provavelmente, uma estrela primitiva explodiu, formando uma nebulosa, que originou essa nuvem de gases e poeira, ou seja, o Sol é uma estrela reciclada, uma estrela de segunda mão.

Essa nuvem foi se aglomerando até formar uma protoestrela que deu origem ao Sol. Ao redor do Sol, restou um disco de poeira e gases que começaram a se agrupar dando origem aos planetas.

Estima-se que o processo de formação dos planetas levou cerca de 100 milhões de anos.

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O Sol e os planetas

O Sol é a estrela do nosso sistema planetário, com 1 390 000 km de diâmetro, encontra-se na sequência principal e é orbitado por oito planetas.

Os quatro mais próximos são conhecidos como planetas rochosos, pois são compostos basicamente por minerais em estado sólido. Os quatro mais distantes são os planetas gasosos, grandes massas de gases sem apresentar superfície sólida.

(R = duração da rotação; T = duração da translação; D = diâmetro; S = distância média até o Sol; ºC = temperatura superficial; L = número de satélites naturais conhecidos)

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Planetas rochosos:

Mercúrio – R = 59 dias; T = 88 dias; D = 4 879 km; S = 57,9 milhões de km; ºC = 167 ºC; L = 0.
Vênus – R = 243 dias; T = 224 dias; D = 12 104 km; S = 108,2 milhões de km; ºC = 464 ºC; L = 0.
Terra – R = 23,9 horas; T = 365,25 dias; D = 12 756 km; S = 149,6 milhões de km; ºC = 15 ºC; L = 1.
Marte – R = 24,6 horas; T = 687 dias; D = 6 792 km; S = 227,9 milhões de km; ºC = -65 ºC; L = 2.

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Planetas gasosos:

Júpiter – R = 9,9 horas; T = 11,9 anos; D = 142 984 km; S = 778,3 milhões de km; ºC = -110 ºC; L = 79.

Saturno – R = 10,7 horas; T = 29,5 anos; D = 120 536 km; S = 1,43 bilhões de km; ºC = -140 ºC; L = 82.
Urano – R = 17,2 horas; T = 83,8 anos; D = 51 118 km; S = 2,87 bilhões de km; ºC = -195 ºC; L = 27.
Netuno – R = 16,1 horas; T = 163,8 anos; D = 49 528 km; S = 4,5 bilhões de km; ºC = -200 ºC; L = 14.

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Outros corpos celestes do Sistema Solar

Planetas-anões – Parecidos com planetas, mas não são gravitacionalmente dominantes em sua órbita.
Satélites naturais – Corpos que orbitam um planeta, não possuem luz própria e nem sempre são esféricos.
Cometas – Formados por rochas, gases e gelo.

Asteroides – Corpos rochosos irregulares com mais de 10 metros de tamanho.
Meteoroides - Semelhantes aos asteroides, porém possuem menos de 10 metros de tamanho.

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O telescópio espacial Hubble

Telescópios são conjuntos de lentes capazes de ampliar imagens distantes. Os telescópios são muito utilizados em estudos dos astros.

O mais famoso é o Hubble, que está na órbita da Terra desde 1 990: graças a ele, foram detectadas mais de mil galáxias, o ciclo de vida das estrelas foi compreendido, e foi possível identificar outros sistemas planetários.

Quando é necessário fazer a troca de alguma peça, uma missão de manutenção é lançada e tudo é feito no espaço.

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EXERCÍCIOS

19. Quais são os planetas rochosos do Sistema Solar e o que eles têm em comum?

20. Que relação existe entre a distância entre um planeta e o Sol e o período de translação desse mesmo planeta?

21. Como a distância em relação ao Sol influencia a temperatura média na superfície de um planeta? Há outros fatores relevantes para determinar a temperatura do planeta?

22. A maioria das sondas espaciais usa energia solar para se locomover. Sondas dirigidas a planetas como Urano e Netuno, porém, empregam energia nuclear para se deslocar no espaço. O que justifica essa diferença?

23. Como o Sistema Solar se formou?

24. Quais são as maiores contribuições que o telescópio Hubble trouxe para a ciência e para a humanidade?

5. VIDA FORA DA TERRA

Vivendo nos extremos da Terra

Encontramos bactérias vivendo abaixo de camadas de gelo, em lagos com alta acidez, em locais termais com 100 ºC ou mais, e nas profundezas dos oceanos.

Será possível algum organismo viver no espaço?

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Por onde começar a procurar vida

Procurando corpos celestes onde exista água líquida e temperaturas amenas. Missões enviadas a Marte concluíram que há água no planeta vermelho, porém está congelada.

Essas características só são alcançadas em determinadas regiões de um sistema planetário, conhecida como zona habitável.

Regiões mais próximas da estrela são quentes demais e regiões mais distantes são frias demais. A Terra está na zona habitável do Sistema Solar.

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Exoplanetas – Planetas orbitando uma estrela em outros sistemas planetários. Especula-se que alguns desses exoplanetas possuem características semelhantes a da Terra, podendo abrigar algum tipo de forma de vida. O exoplaneta mais próximo de nós se chama Proxima Centauri b, e está a 4,2 anos-luz de distância de nosso sistema planetário.

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Colonização espacial

A tecnologia que possuímos hoje nos impossibilita uma viagem interestelar, mas há planos de instalar bases na Lua e em Marte.

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EXERCÍCIOS

25. Quais as condições necessárias para a vida?

26. O que é zona habitável em um sistema planetário?

27. O que são exoplanetas? O que é necessário para que o ser humano chegue até um deles?

AVALIAÇÃO

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