Roteiro da Aula 9. Nebulosas e a formação de estrelas. Objetivos

Roteiro da Aula 9.
Nebulosas e a formação de estrelas.
Objetivos:
Abordar o processo de formação das estrelas, bem como alguns dos mecanismos que operam em
seus interiores, apresentando aplicações de diversos princípios físicos, tomando como ponto de partida a
análise de imagens de nebulosas.
Discutir o processo de geração de energia no interior das estrelas, dando sentido à já familiar
equação de Einstein
E =m.c 2
e diferenciando fusão nuclear e fissão nuclear.
Explorar a estrutura do Sol, aproveitando a abordagem à estrutura estelar para discutir as formas
de propagação de energia.
Instrumentos:
Apresentação de computador, material impresso, computadores com o software SalsaJ instalado,
roteiro de atividade.
Desenvolvimento:
A atividade inicial desta aula é de contato com imagens de nebulosas. Os alunos, divididos em
duplas ou trios, recebem uma folha com três imagens – uma de uma nebulosa de formação estelar, uma
de uma nebulosa planetária e uma de remanescente de supernova. O papel do professor nesta etapa
inicial é de mediador da discussão. Os alunos são convidados a fazer inferências sobre o que cada
imagem representa. É comum obter respostas do tipo “é uma nebulosa” simplesmente, ou “é uma estela
nascendo”, mas o que se espera desta atividade inicial é familiarizar o aluno com o objeto de estudo e
dar significado ao conceito de nebulosa. O fechamento desse momento de reflexão inicial se dá com a
explicação de que os três objetos cujas imagens são fornecidas, embora possam ser parecidos, não
representam fisicamente a mesma coisa. Pelo contrário, representam coisas bem distintas em termos da
evolução estelar e dos processos que lhes originaram.
A partir daí se inicia a discussão sobre como surgem as estrelas, de que são feitas e por que
emitem luz. Quanto à primeira questão, aborda-se o processo de formação estelar em uma ordem
cronológica dos eventos que antecedem o nascimento de uma estrela, mostrando-se imagens de
nebulosas de formação estelar. Aborda-se as nuvens moleculares, caracterizando-as e enfatizando que
algumas regiões mais frias e densas no interior dessas nuvens é que dão origem à formação estelar.
Apresenta-se o processo da formação a partir das flutuações de densidade, seguido pelo colapso da
matéria pela ação da gravidade e pela fragmentação, sendo que as flutuações podem ser causadas pela
explosão de uma supernova próxima, como ilustra o vídeo que selecionamos para esta aula. Neste vídeo
há uma ressalva a ser feita: diferentemente do que é mostrado, à medida em que as estrelas vão se
formando, o gás da região de formação vai ficando erodido.
O professor deve ser capaz de explicar porque o colapso torna a esfera de gás mais quente,
mostrando que há conversão de Energia Potencial Gravitacional em Energia Térmica. Ressalta-se que as
estrelas não se formam sozinhas, mas em aglomerados, já que uma das etapas do processo
de
formação é a de fragmentação da nuvem e que cada fragmento é uma esfera de gás quente em rotação
à qual denomina-se protoestrela. A etapa subsequente que o professor deve abordar é a acresção de
matéria à protoestrela, que vai fazendo com que a pressão e a temperatura no interior da mesma se
elevem. Essa acresção ocorre até determinado ponto, dependente de uma série de fatores.
Neste ponto da aula, os alunos certamente estarão se perguntando sobre o processo de formação
do Sol. Se a nossa estrela não nasceu sozinha, onde terão ido parar as suas companheiras de formação?
De um modo geral as estrelas nascem juntas em um aglomerado aberto, esse processo de separação das
estrelas de um aglomerado não é simples de ser abordado, podendo o professor restringir-se a afirmar
que as estrelas adquirem energia suficiente para escaparem do campo gravitacional do aglomerado e
dispersarem-se pela Galáxia. Assim, salvo alguns exemplares de alta massa que sobrevivem coesos até
hoje, a grande maioria dos aglomerados de estrelas que vemos hoje são jovens, com cerca de milhões de
anos de idade.
O tópico seguinte da aula é a fonte de energia das estrelas, sendo que o professor deve conduzir
a discussão questionando o porquê da emissão de luz das estrelas. Sabe-se que a emissão de luz é uma
liberação de energia. Essa energia que é liberada tem uma origem específica – as reações
termonucleares que ocorrem no caroço (centro) da estrela. No processo de colapso, o centro da
protoestrela vai aumentando de temperatura. Dizemos que a protoestrela torna-se uma estrela quando
começam a ocorrer as reações termonucleares. O professor deve explicar que para a ocorrência de tais
reações é necessária uma temperatura altíssima, na qual as partículas subatômicas já não se encontram
mais confinadas no átomo. Daí vem a explicação do que é o processo de fusão nuclear. A grosso modo,
pode-se dizer que é a fusão de quatro átomos de Hidrogênio em um átomo de Hélio, mas a apresentação
do ciclo próton-próton é bastante razoável a estudantes de Ensino Médio. Claro que não é suficiente dizer
apenas o que é a fusão nuclear, pois o essencial é expor que a liberação de energia nesse processo se dá
pela diferença entre a massa dos reagentes e a massa do produto na reação. A diferença de massa é
convertida em energia de acordo com a equação
E =m.c 2
, da qual pode-se inferir que uma pequena
massa é convertida numa enorme quantidade energia, pois o fator c² é muito grande.
Este ponto dá aula dá margem à discussão sobre Energia Nuclear, frequentemente objeto de
interesse por parte dos alunos. Acreditamos que o professor pode e deve sair do campo da Astronomia
neste momento da aula para abordar o processo de fissão nuclear e a geração de energia nas usinas,
pois é uma oportunidade de esclarecer sobre essa forma de energia que é bastante utilizada no mundo
todo, mas pouquíssimo compreendida pela população.
A continuidade da aula é a apresentação da situação na qual uma protoestrela não atinge a
temperatura mínima para que ocorram as reações de fusão nuclear, tornando-se um objeto denominado
anã marrom. É importante salientar que embora a anã marrom não realize fusão nuclear em seu interior,
ela emite radiação devido a sua temperatura elevada. Pode-se aproveitar para comentar o fato de Júpiter
emitir mais radiação do que recebe do Sol, devido a seu centro ser quente. Neste caso, é preciso expor
que Júpiter não é uma anã marrom, pois sua massa é muito menor que a de corpos classificados como
tal.
Para finalizar este tópico, discute-se a escala de tempo das etapas da formação estelar.
Naturalmente que os alunos questionarão o fato de aglomerados estelares com milhões de anos serem
considerados jovens e o papel do professor é explicar que a escala de tempo em Astronomia é muito
diferente da escala de tempo que adotamos em nossas vidas.
O último assunto da aula é a estrutura das estrelas, abordando sucintamente suas camadas,
explorando os mecanismos de transporte de energia do caroço estelar para as camadas mais externas.
Pode-se associar às formas de propagação do calor abordadas aqui situações cotidianas em que também
ocorram condução, convecção e irradiação. Ao apresentar as camadas do Sol e a atmosfera solar, deve-se
mencionar o vento solar e também as ejeções de matéria que, inclusive, exercem influência sobre a
Terra.
Para finalizar a aula sugerimos a realização de uma atividade com o auxílio do software SalsaJ
que consiste em determinar as dimensões de uma protuberância Solar. No CD do curso trazemos um
roteiro para esta atividade. A atividade, resumidamente, prevê a utilização de ferramenta do software
para determinar a área do disco solar em pixels, calcular o raio do mesmo em pixels a partir dessa
informação e, por fim, comparar com a dimensão da protuberância, medida em pixels também, com o
auxílio da ferramenta de medida. De posse da informação do raio real do Sol, verificar a escala da
imagem e obter a dimensão real aproximada da protuberância.
Referências:
Para saber um pouco mais sobre os tópicos do curso, recomendamos a visita aos seguintes sítios
internet:
•
Nascimento de estrelas – artigo do Observatório Frei Rosário/UFMG
•
A fonte de energia das estrelas – trabalho do Centro de Ciências da Educação/UFSC
•
Energia Nuclear – apostila do CNEN
•
Hipertexto sobre estrutura estelar – OEI/UFRGS