Astronomia Essencial - texto com sugestões dos principais

OBSERVATÓRIO DIDÁTICO ASTRONÔMICO
“Lionel José Andriatto” – UNESP – Bauru/SP
Localizado nas dependências do IPMet (“radar da UNESP”)
Fones: (14) 3103 6084 r. 29 (Profa. Rosa Scalvi) ou (14) 3103 6030 r. 151
http://unesp.br/astronomia
[email protected]
Rodolfo Langhi
[email protected]
ASTRONOMIA ESSENCIAL
Este texto foi extraído e traduzido, na íntegra, da página eletrônica oficial que representa
a África do Sul no Ano Internacional da Astronomia. Até a data de acesso (18 de julho de
2008), o texto se encontrava em sua versão n.10, e trazia a seguinte lista de conteúdos
considerados essenciais para o ensino da astronomia, conforme discutidos em workshops
por especialistas da área naquele país.
"Astronomia Essencial" Guia de Referência Rápida para atividades
(Projeto em andamento - Versão 10)
NOTA: Nunca olhe diretamente para o Sol - avisar as pessoas presentes!
Esteja sempre ciente das crenças locais sobre astronomia.
Conheça o seu público!
1. Astronomia Básica
Terra
-- Como uma bola redonda – por que não caímos? (gravidade) Onde é “para cima”? (é tudo relativo).
-- Terra gira em torno de seu eixo, por conseguinte, aparentemente o Sol e as estrelas movem-se pelo céu
e temos a noite e o dia.
-- Terra gira (órbita) em torno do Sol:
a) Temos estações do ano, porque o eixo terrestre é inclinado - NÃO por causa da distância da
Terra até o sol. O eixo inclinado produz durações bem diferentes da parte clara do dia durante as
estações de Verão e de Inverno. Note também a altura do Sol no céu durante estas estações.
b) Vemos diferentes estrelas e constelações em diferentes épocas do ano, por exemplo, Órion no
Verão, e Escorpião no inverno.
-- A Terra possui atmosfera e, por isso, não enxergamos as estrelas durante o dia. Porque céu é azul?
Espalhamento da luz solar. Na lua, sem atmosfera, as estrelas são visíveis no céu diurno. Atmosfera
provoca o cintilamento de estrelas.
-- Não encontramos planetas como a Terra (ainda), de modo que não há nenhum lugar para ir, além de
nosso planeta (ainda) – assim, esta é a nossa única casa – por isso tenha muito cuidado com a Terra.
Lua
-- O período orbital da Lua é de 27,3 dias, mas ela demora 29,5 dias para voltar à mesma fase, por
exemplo, de Lua nova a Lua nova. Em qualquer fase, o mesmo lado é visível para nós (a duração de
rotação da Lua = tempo necessário para a Lua completar uma volta em torno da Terra).
-- Eclipses (lunar = lua, solar = sol). O que provoca os eclipses? Demonstrar com bolas e uma fonte de luz.
-- O diâmetro da Lua é cerca de um quarto do diâmetro da Terra – possui menos massa, por isso, a
gravidade dela é menor também.
-- Sem atmosfera e sem condições meteorológicas para erodir as crateras que foram feitas milhares de
milhões de anos atrás. A Terra também sofreu impactos que provocaram crateras, mas elas foram
desgastadas através da erosão. Um meteorito de cerca de 10 km de diâmetro poderia dizimar toda a
civilização na Terra. Este tipo de meteorito pode ter sido responsável pela extinção dos dinossauros.
-- Fases da Lua são causadas por sua posição em relação à Terra e ao Sol, e não devido à sombra da
Terra. Demonstrar usando bolas e uma fonte de luz brilhante ou a luz do próprio Sol, segurando a bola que
representa a Lua na direção da Lua no céu.
Sol
-- O Sol é uma estrela. A estrela mais próxima do nosso Sol, Proxima Centauri, está a 4,2 anos-luz de
distância (um ano-luz é a distância que a luz percorre em um ano; velocidade da luz ~ 300 000 km por
segundo). Se o Sol fosse uma bola de 1 metro de diâmetro na cidade do Cabo, Proxima Centauri seria uma
bola 15 centímetros no Cairo.
-- Nosso Sol é uma estrela de meia idade (~ 4 bilhões de anos, possuindo ainda mais uns 4 bilhões de anos
para brilhar).
-- O Sol é composto de gás - principalmente hidrogênio e hélio (90% H, 9% He pelo número de átomos,
mas, em massa, 73% de H, e 24% He). Hidrogênio funde-se no núcleo, através da alta temperatura e
pressão, para formar Hélio – a energia desta reação é semelhante a milhares de bombas atômicas
explodindo a cada segundo – e é isso que libera o calor e a luz essenciais à vida.
-- O Sol está a cerca de 150 milhões de quilômetros de distância da Terra e é muito maior que a Terra, a
qual seria apenas como um pequeno ponto se colocado ao lado do Sol numa escala com diâmetro de 28
cm (ver tabela abaixo com a escala).
-- O Sol está tão longe de nós que sua luz leva cerca de 8 minutos para chegar à Terra – isto significa que
se o Sol explodir neste segundo, apenas teríamos conhecimento disto, 8 minutos mais tarde.
-- Erupções solares (flares solares) ocorrem quando o Sol ejeta uma enorme quantidade de partículas
eletricamente carregadas.
-- Manchas solares são regiões menos quentes na superfície do Sol. Embora sejam muito brilhantes,
aparecem escuras nas imagens devido ao contraste de brilho que há entre a mancha e nos arredores.
-- O Sol e todos os objetos que o orbitam (planetas, cometas, asteróides, etc) são chamados coletivamente
de sistema solar (note que Plutão não é mais considerado um planeta – como os demais objetos
descobertos semelhantes a ele; tivemos de aperfeiçoar a nossa compreensão e, conseqüentemente, ter de
redefini-los como "planetas anões" – portanto, existem hoje apenas 8 "planetas" no sistema solar).
Estrelas
-- Estrelas cadentes? O nome mais apropriado é meteoro. Não passam de pedaços de rochas e partículas
de poeira flutuando no que se queimam ao entrarem com alta velocidade em atrito com a atmosfera da
Terra. Na verdade, eles nos atingiriam a cerca de 100.000 km/h, mas a atmosfera funciona como um párabrisas. O tamanho médio das “estrelas cadentes” (meteoros) que vemos é algo em torno das dimensões de
um grão de areia ou de uma minúscula pedra. São chamados de meteoritos quando atingem o solo.
-- Assim como o sol, as estrelas são enormes bolas de gás com reações nucleares que ocorrem no centro,
fornecendo calor e luz. É a gravidade da matéria estelar que a mantém unida, com uma forma equilibrada e
arredondada, impedindo que as reações nucleares expulsem a matéria dela em todas as direções. Existe
um equilíbrio entre a força explosiva das reações nucleares, para fora, e a força da gravidade, para dentro,
mantendo assim a estrela estável.
-- Constelações não possuem significado científico – por exemplo, culturas diferentes possuem diferentes
padrões e histórias, ao unir visualmente as estrelas. Deste modo, qualquer padrão seria válido, embora a
mitologia grega seja a mais utilizada. Note que as estrelas em qualquer constelação encontram-se em
diferentes distâncias de nós. (a Astrologia, que se baseia na mitologia, é muito
diferente da Astronomia, que se baseia em métodos científicos).
-- Vida das estrelas:
a) Nascimento: uma grande quantidade de hidrogênio no Universo; grandes “esferas” de gás são
formadas a partir da gravidade; a pressão intensa sobre o gás localizado no centro desta bola gera
“faíscas” de fusão nuclear, que, por sua vez, fornece quantidades enormes de energia na forma de
calor; o puxão da gravidade contrabalança a dilatação da massa estelar devido à energia nuclear,
estabilizando a estrela.
b) Vida: conforme as reações nucleares prosseguem, o hidrogênio é convertido em hélio, e então o
hélio é convertido em carbono, e assim por diante, sendo que algumas estrelas muito massivas
atingem o limite da conversão, que é o ferro.
c) Morte: conforme a estrela "queima" todos os seus combustíveis úteis, ou quando se atinge a
conversão total até o ferro, não há mais a força das fusões nucleares para fora (as reações
nucleares com o ferro não dão conta de energia suficiente para isto), a gravidade "ganha" este
“cabo de guerra”. Assim, toda a estrela colapsa sob sua própria gravidade e explode, jogando para
fora o seu material. Se a estrela é suficientemente grande (mais de oito vezes a massa solar), então
esta é chamada de supernova, durante a qual os elementos mais pesados são produzidos e
lançados no espaço – estes, ao longo de muito tempo, unem-se, por gravidade, para formar
planetas e outros corpos – isto explica porque há tantos elementos químicos em nossa constituição
e na Terra. Estrelas menores, tal como o nosso Sol, expulsam suas camadas exteriores mais
suavemente, sem explosões violentas, e formam belas "nebulosas planetárias".
-- Podemos dizer que somos “poeira de estrelas” porque todos os elementos que nos compõem foram
produzidas no interior de estrelas e, por fim, espalhadas no espaço.
-- Estrelas de nêutrons: quando uma estrela, mais massiva ainda, desmorona sobre si mesma, como
descrito acima, ocorre a compressão violenta de todo o seu material, produzindo uma recombinação
atômica ao ponto de toda a estrela se tornar um enorme corpo composto somente de nêutrons, formando
essencialmente um enorme núcleo atômico (sem elétrons, apenas nêutrons). Isto
resulta em um objeto extremamente denso – tão denso que uma colher de chá deste material pesaria tanto
quanto todas as pessoas na Terra.
-- Buracos negros: NOTA: trata-se, na verdade, de um objeto muito denso, e não de um buraco literal, que
estamos habituados a pensar. É chamado de "negro" porque a luz não pode escapar dele (por isso, nós não
podemos realmente ver um buraco negro, mas apenas os efeitos à sua volta). Recebe o nome de “buraco”
porque é tão denso e tem tanta gravidade, que qualquer coisa que passa nas suas proximidades, seria
puxada e se tornaria parte do objeto.
-- Planetas extra-solares (exoplanetas): nós já descobrimos mais de 200 planetas em torno de outras
estrelas. E este número está crescendo muito rapidamente. No entanto, NÃO encontramos nenhum que
poderia abrigar a vida tal como a conhecemos aqui na Terra, e nenhum que pudesse haver “alienígenas”
(ainda).
Galáxias
-- Grupo de muitas estrelas, normalmente com um objeto semelhante a um enorme buraco negro em seu
centro.
-- Galáxias, como a nossa Via Láctea, possuem cerca de 100 bilhões (10 11) de estrelas, com um buraco
negro no centro.
-- A Via Láctea é achatada como um disco contendo bojo no centro. Ela tem braços espirais, sendo que em
um deles encontra-se o nosso Sol, localizado a uma distância do centro da Via Láctea de cerca de dois
terços do seu diâmetro.
-- Outras galáxias possuem diferentes formas e recebem uma classificação específica de acordo com o seu
formato.
-- Há, pelo menos, mais de uma centena de bilhões de galáxias no Universo, cada uma com bilhões de
estrelas.
-- As galáxias que enxergamos a partir da Terra localizam-se, geralmente, a milhões ou bilhões de anos-luz
de distância (imagine-se tentando se comunicar com possíveis "alienígenas" que estão em outras galáxias,
considerando estas enormes distâncias, e o tempo que qualquer informação à velocidade da luz levaria
para chegar até nós).
Universo
-- O Universo possui cerca de 13,6 bilhões de anos, e está se expandindo em um ritmo crescente.
-- Big Bang: usando o princípio do efeito Doppler (tal como o som de um carro ou moto passando por nós –
a freqüência sonora é maior quando se este se aproxima de nós, e quando se afasta, a freqüência é
menor), Edwin Hubble descobriu que todas as galáxias pareciam estar se afastando de nós. Na verdade,
elas se afastam umas das outras. Isto parece implicar que se elas estão se afastando umas das outras, isto
significa que todas elas poderiam estar unidas em um ponto há muito tempo atrás, em um ponto único, e
que, por algum motivo, este começou a se expandir – daí, a idéia do big bang.
-- Energia escura e matéria escura juntas perfazem cerca de 96% do universo; os restantes 4% é matéria
bariônica (as coisas com que estamos familiarizados):
a) Energia escura: de acordo com o conhecimento atual, o universo está se expandindo, mas não
apenas se expandindo – há o aumento da taxa de expansão! O que está causando esse "impulso"
da expansão? Existe alguma força "oposta" à gravidade nestas escalas? A energia que provoca isto
é chamada de energia escura, seja lá o que for. Einstein efetivamente introduziu um termo para isto
e, depois, considerou como o seu "maior erro".
b) Matéria escura: alguns estudos de galáxias e aglomerados de galáxias parecem sugerir que há
algo além de toda a matéria visível, mas que não podemos “ver” esta matéria “a mais” – nós
podemos ver apenas os efeitos da sua gravidade. Esta matéria, o que quer que seja, é chamada de
matéria escura.
2. Software de astronomia
(Há
softwares
disponíveis
gratuitamente
http://www.midnightkite.com/software.html e similares).
para
download
em
sites
como
Use o Stellarium para mostrar o céu conforme é visto a partir da Terra:
-- Constelações e diferentes mitologias – não existe uma única maneira de enxergar o céu (configurações->
idiomas)
-- Visão da Via Láctea – a nossa galáxia – nós enxergamos o seu disco a partir de um ponto dentro dela.
-- Nascer, ocaso e movimento das estrelas, bem como os pólos celestes (variar a taxa de passagem do
tempo).
-- Céu azul e sem estrelas durante o dia devido à atmosfera (remover atmosfera para ver as estrelas
durante o dia).
-- “Estrelas cadentes” (meteoros) devido à atmosfera.
-- A Lua muda a sua posição no horizonte ao nascer (acelerar bastante o tempo – centralize, centre, e
acompanhe, track, a Lua).
-- Alterando fases/orientação da Lua (acelerar o tempo enquanto a Lua está centrada e acompanhada).
-- Escolha um evento astronômico aleatório conforme a sua localização e digite a data (por exemplo,
eclipses).
-- Ampliação dos planetas – notar que estão na mesma orientação quando se observa no mesmo momento
através de um telescópio (por exemplo, as posições das luas de Júpiter, ângulo dos anéis de Saturno, etc).
-- Mostrar Sol/Lua/estrelas conforme visto do outro lado da Terra (remover solo).
-- Diferentes distâncias das estrelas em uma mesma constelação (clique nas estrelas).
Prossiga com o uso do Celestia para viajar através do espaço:
-- Rotação da Terra (dia e noite) – visualizada a partir de diversos ângulos.
-- Expanda a demonstração realizada com o Stellarium, falando sobre os pólos celestes, a Via Láctea, a
LMC e a SMC. Mostre as linhas das constelações e “voe” até uma estrela da constelação, virando para
olhar atrás.
-- Mostre a órbita da Lua em torno da Terra.
-- Explane sobre o sistema Sol-Terra-Lua.
-- Voe até os planetas e olhe ao seu redor – fale sobre as luas de cada planeta.
-- Começando pelo Sol, afaste-se do Sistema Solar, mostrando as órbitas dos planetas e suas velocidades
de translação (assinale a órbita diferenciada de Plutão).
-- Afaste da Via Láctea e analise-a partir de diferentes ângulos – pare a viagem no meio interestelar para
dar uma olhada em volta.
-- Voe para outras galáxias, olhe ao redor, e então retorne para casa.
3. Atividades e exposições externas
Construa exposições ao ar livre que use sombras:
-- Relógio de sol (desenho simples com marcações no chão e uma vareta perpendicular ao solo, gnômon).
-- Rochas de solstício (como os nossos antepassados, alinhe rochas no chão com o Sol no horizonte
durante os dois solstícios).
-- Anéis em gnômons ou buracos – seja inovador – crie objetos que lancem sombras em determinados
locais em determinados momentos do ano/dia.
-- Construa um modelo do Sistema Solar usando pessoas e objetos (veja a tabela abaixo).
4. Astronomia indígena
Saiba o máximo possível sobre o conhecimento local do céu e documente-o. Use-o em outros
eventos/atividades, especialmente com crianças (veja em: www.saao.ac.za). Exemplos:
-- Os sul-africanos usam a constelação Isilemela (também conhecida como Plêiades) para marcar o início
do plantio (esta constelação aparece no céu todo ano por volta da primavera).
-- Acreditava-se, em certas partes da África, que o Sol é engolido por um crocodilo todas as noites, e que
ele o atravessa para fora em outra extremidade do animal todas as manhãs.
-- Eclipses foram (e ainda são) considerados como um mau presságio para algumas culturas e pessoas que
se escondem durante eclipses, especialmente mulheres grávidas...
5. Observações a olho nu
Localize cartas estelares da Internet (por exemplo em: www.heavens-above.com), ou use programas como
o Stellarium. A melhor maneira de conhecer o céu noturno é PRATICAR. Note os padrões e os desenhos
que as estrelas formam no céu e que você acha fácil se lembrar mais tarde (não necessariamente devem
ser as constelações oficiais, mas desenhos criados por você mesmo e que o ajudarão).
Pontos importantes quando você não possui instrumentos, mas apenas seus olhos e um céu
estrelado (nota do tradutor – alguns itens dependem da época do ano e do horário da observação):
-- Movimento das estrelas no céu devido à rotação da Terra (especialmente se você permanecer
observando por mais de uma hora).
-- Pólo Celeste Sul (ponto no céu que não gira – demonstrar o giro das estrelas em torno deste ponto).
-- Cruzeiro do Sul (Crux e as estrelas guardiãs, alfa e beta centauri) – usá-los para encontrar o Pólo Celeste
Sul (estender uma linha que dá continuidade ao lado maior do Cruzeiro, e outra linha perpendicular entre as
guardiãs – onde se cruzarem é o Pólo Celeste Sul).
-- Órion (na sua espada está a Nebulosa de Órion, onde estrelas estão nascendo). Conte uma história
africana sobre um caçador (Aldebaran), três zebras (três estrelas do cinturão), arma (espada), leão
(Betelguese), esposas (Plêiades).
Sobre outras constelações e mais histórias indígenas, há uma sessão mensal chamada "What's up" no
link: www.saao.ac.za.
-- Notar que as constelações são apenas figuras no céu – qualquer um pode formar estas figuras – o que
ocorre é que estamos acostumados a usar as constelações que foram oficialmente definidas, principalmente
como um legado da mitologia grega.
-- Natureza 3D do céu – explique as diferentes distâncias até nós das estrelas em uma mesma constelação.
O céu aparece para nós como se estivesse em uma superfície interna 2D de uma esfera, mas é, de fato,
tridimensional.
-- Rigel e Betelgeuse – as estrelas possuem cores diferentes devido à temperatura superficial: azul = mais
quentes, vermelho = menos quentes.
-- Sirius – aproximadamente 8 anos-luz de distância de nós – é a estrela mais brilhante no céu – note a cor
azulada devido à alta temperatura superficial.
-- Alfa Centauri – sistema estrelar mais próximo do nosso Sol – aproximadamente 4,4 anos-luz de distância
– na verdade, é um sistema estelar triplo (Alfa Cen A, Alfa Cen B e Proxima Cen, esta última é a estrela
mais próxima de nós).
-- Planetas (diferentes planetas são visíveis em diferentes períodos do ano). Os planetas, sendo mais
próximos do que as estrelas, cintilam menos do que elas no céu. O cintilamento das estrelas é provocado
pela atmosfera. Compare as estrelas próximas do horizonte com estrelas diretamente acima de você. As
estrelas no horizonte cintilam mais porque temos de olhar através de mais atmosfera.
-- Via Láctea – olhando por dentro do disco da nossa galáxia – tente visualizar a orientação da galáxia.
-- Andrômeda, grandes e pequenas nuvens Magalhães são galáxias vizinhas. Todo o restante que
observamos a olho nu faz parte da nossa galáxia (e nós estamos em apenas em um dos bilhões de galáxias
do universo).
-- Satélites: vistos durante até algumas horas após o pôr-do-sol, ou antes do nascer do sol. Previsões para
visualizar estes satélites (especialmente flashes dos Iridium), podem ser encontrados em www.heavensabove.com. Os satélites parecem ser “estrelas móveis" e são visíveis somente porque refletem a luz do sol.
6. Usando um telescópio
Objetos interessantes podem ser vistos com pequenos telescópios ou binóculos (use o Stellarium ou um
planisfério para saber se eles serão visíveis a partir do seu local, e no horário e na data da observação –
nem todos estão sempre visíveis):
-- Lua – aponte para as crateras, terminador (linha divisória entre o dia/noite).
-- Saturno – aponte para seus anéis e suas luas.
-- Júpiter – faixas de nuvens da alta atmosfera (linhas mais escuras no disco do planeta) e suas luas –
movimento das luas pode ser perceptível em algumas horas de observação.
-- Marte – coloração vermelha é perceptível, e bons telescópios podem mostrar as calotas polares.
-- Vênus – fases como as da lua.
-- Nebulosa de Órion – enorme nuvem difusa, formada por poeira e gases, onde estrelas são formadas.
-- 47 Tuc – aglomerado globular, parecido com um chumaço de algodão no campo de visão – mas contém
milhões de estrelas aglomeradas em um só conjunto – imagine como o céu seria se a Terra se encontrasse
próxima de uma dessas estrelas do aglomerado.
-- Ômega Cen – aglomerado semelhante ao 47 Tuc, com aparência mais definida.
-- Caixa de jóias – aglomerado de estrelas de diferentes cores (diferentes cores = diferentes temperaturas).
-- Sirius – bem brilhante e azulada (azul = quente, vermelho = menos quente).
-- Betelgeuse – brilhante e avermelhada, próximo do final de sua vida e prestes a explodir a qualquer
momento neste milênio.
-- Plêiades – aglomerado estelar – bem observável através de binóculos (veja as lendas indígenas acima).
-- Alfa Centauri – a 4,4 anos-luz de distância – note que aparece ao telescópio como uma estrela dupla
(mas há efetivamente três estrelas, Alfa Cen A, Alfa Cen B, e Proxima Centauri, sendo esta última a mais
próxima de nosso Sol).
7. Workshops e atividades
Tente realizar atividades práticas em grupos.
Algumas sugestões rápidas para breves atividades simples voltadas para várias faixas etárias:
Crianças (ou ensino fundamental):
-- Sistema Solar usando pessoas (pedir para as crianças representarem objetos do Sistema Solar e, depois,
moverem-se de acordo com o movimento real dos planetas/Lua/Sol).
-- Modelo de escala do universo (se a Terra fosse deste tamanho, então...). Veja o exemplo abaixo.
-- Tente desenhar a sua própria sombra (veja também: www.unawe.org).
Adolescentes (ou ensino médio):
-- Observe as sombras ao longo de um dia e marque suas posições a cada 30 minutos. Construa um
relógio.
-- Construa um telescópio (lentes de acrílico, fornecedores dessas lentes podem ser encontradas na
SAAO).
-- Observe o movimento da lua e suas fases ao longo de um mês.
Adultos:
-- Envolva-se com as lendas e crenças da astronomia indígena.
Escala para a construção de um modelo em escala do sistema solar:
Objeto real
Diâmetro
(km)
Sol
Mercúrio
Vênus
Terra
1.400.000
4.900
12.100
12.800
Na
escala
(mm)
280,0
1,0
2,4
2,6
Exemplos de
objetos para
demonstração
Bola
Semente
Semente
Semente
Órbita
(x1000000 km)
0
60
104
150
Na
escala
(m)
0
12
21
30
Lua (gira em torno da Terra)
Marte
Júpiter
Saturno
Urano
Netuno
Plutão (planeta anão)
3.400
6.800
142.800
120.600
51.100
49.400
2.300
0,7
1,4
28,6
24,1
10,2
9,9
0,5
Grão de areia
Semente
Bola
Bola
Ervilha
Ervilha menor
Grãozinho de areia
0,37
240
800
1.400
3.000
4.500
5.900
0,074
48
160
280
600
900
1.180
Algumas referências sobre astronomia na África do Sul: South African Astronomical Observatory; Southern
African Large Telescope; Karoo Array Telescope; Hartebeesthoek Radio Astronomy Observatory; High
Energy Stereoscopic System; Boyden Observatory; Hermanus Magnetic Observatory; UNISA Observatory
(links para maiores informações sobre o International Year of Astronomy 2009 podem ser encontrados em:
www.astronomy2009.org.za).