Observando o Céu - Astronomia
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Aula 1 Observando o Céu: O Nascimento da Astronomia Alex C. Carciofi Via láctea vista de um local escuro Em noites sem lua e com o horizonte desobstruído, pode-se ver aproximadamente 3000 estrelas Céu noturno (!) de NY fonte: wiki Poluição luminosa Céu brilhante causado pela luz artificial espalhada pela atmosfera Quanto mais brilhante o céu, menor o número de estrelas que podem ser vistas Vários problemas: - astronomia; - saúde; - ecossistemas. fonte: wiki Resultado: Antiquidade: Natureza (e o ceú, em particular) não mais participa do nosso quotidiano TODOS os registros de tempos antigos mostram que os povos observavam os astros e tentavam endendê-los. - agricultura - cosmologia - religião - astrologia Ex: príncipais deuses do panteão grego eram associados com os seis planetas conhecidos. Observando o Céu: O Nascimento da Astronomia - elementos do céu noturno e diurno que podem ser observados a olho nu -evolução da concepção humana do cosmos até o séc. XVI (cosmologia aristotélica) Alex C. Carciofi ( Abrindo um parêntese O que é ciência? Conjunto de todo o conhecimento humano. Correto? não Ciência abarca, também, o método pelo qual tentamos entender a Natureza e a forma como ela se comporta. Conjunto do conhecimento humano gerado e sujeito ao método científico. O que é ciência? série de observações modelo geocêntrico Movimentos do Sol, Lua, estrelas e planetas Ingredientes fundamentais: - auto-correção - revisão pelos pares Ex: fusão a frio validação novas observações Tycho Brahe mudança de paradigma novo modelo heliocêntrio X ) fechando o parêntese Movimento Diurno e Anual dos Astros Imaginemo-nos vivendo em um local escuro (longe de cidades) e que observássemos e registrássemos o movimento do Sol, Lua, planetas e estrelas. O que veríamos? • Movimentos diurnos dos astros • Movimento mensal da Lua em relação à abobada celeste • Movimento anual do Sol em relação à abobada celeste • Movimento complexo dos planetas em relação à AC • E se observássemos por muito, muito tempo veríamos a precessão dos equinócios Vamos, então, estudar quais seriam nossos “dados observacionais” A Abóbada Celeste = céu = firmamento Zênite Zênite nte Horizo Nadir Dia H o ri zo n te Noite Nadir Movimento noturno aparente olhando ao Sul 24 horas 20 horas 22 horas Pólo Sul Estrelas circumpolares Sul Leste Oeste Movimento noturno aparente olhando ao Norte 20 horas 24 horas 22 horas Leão Norte Oeste Leste Movimento noturno aparente de uma estrela circumpolar norte Polaris Pólo Norte Norte Oeste Leste Star trails... Movimento diurno aparente em torno do PS visto dos Andes Via Láctea Nuvens de Magalhães Ojos del Salado Mais alto vulcão ativo da Terra Altitude = 6000 m Temperatura = -18 0C Exposição ≅ 1 hora Movimento Aparente visto do Hemisfério Norte Z Circumpolar (sempre visível) PN E N S W E o d a qu r Astros nesta posição são sempre invisíveis Movimento aparente visto do hemisfério Sul Z PS E N S W E qu a do r Movimento aparente visto do equador Z E PN = N S = PS W Equador Movimento aparente visto do Polo Sul PS Horizonte = Equador Muito importante: o movimento aparente dos astros depende da latitude do observador... Como descrever esse movimento? Sistema Altazimutal (local) Neste sistema, a posição de um astro é dada por dois ângulos: zênite (Z) h S φ O nte Horizo N azimute (φ): ângulo entre o plano que contém a estrela, o zênite e o observador (ZOS) e a direção norte (0 < φ < 360o) altura (h): ângulo entre o plano do horizonte e a estrela (0 < h < 90o) É útil para certas situações, mas não pode ser usado em catálogos astronômicos, por exemplo, pois varia com o tempo de forma complicada. Azimute de um astro ao longo do dia no HN Z Como varia o azimute de um astro ao longo do dia? PN N S 3600 AOcaso Eq r o d ua A W 1800 ANascer 0 0 Passagem meridiana t Azimute de um astro ao longo do dia no HS Z Como varia o azimute de um astro ao longo do dia? PS E N S 3600 W E qu a do r A AOcaso 1800 ANascer 0 0 Passagem meridiana t PNC Eixo de rotação A esfera celeste - pólos sul e norte - equador celeste Movimento do astro é ao longo de linhas formadas pela intersecção entre uma esfera e planos paralelos ao equador PN PS or d a u Eq N PSC L Coordenadas Celestes Um sistema de coordenadas muito mais útil para a Astronomia usa a esfera celeste como referência. Neste sistema, a posição de um astro é dada por duas coordenadas (ascenção reta e declinação), análogas à latitude e longitude terrestres. Ascenção reta (α): ângulo entre o mediriano que cruza a estrela e um ponto de referência (γ), medido ao longo do equador celeste. polo norte celeste δ equador celeste Declinação (δ): ângulo entre a equador e a estrela, medido ao longo do meridiano (-90o < δ < 90o) α γ Ponto vernal (γ): posição do Sol na esfera celeste no dia do equinócio da primavera no HN Condição de visibilidade de um astro Dado um observador situado a uma latitude ϕ, determinar para quais intervalos de declinação uma estrela: - seja sempre visível; - tenha nascer e ocaso; - seja sempre invisível. Círculo de perpétua visibilidade olhando para o norte Círculo de perpétua visibilidade Círculo de perpétua visibilidade: Região do céu permanentemente visível para aquele observador Oeste Polo Norte Norte Leste Condição de (in)visibilidade no Hemisfério Norte Circumpolares visíveis δMáx + ϕ = 900 Z PN e ar l po is um íve c r Ci v i s s - δMín + ϕ = 900 δMáx = 900 - ϕ δ* ≥ 900 - ϕ Z PN Circumpolares invisíveis δMín = - 900 + ϕ ϕ ϕ N δMáx r o d a u q E - δMín Horizonte S δ* ≤ - (900 - ϕ) es r la o p e is m u s ív c r i Ci inv PS Estrelas com nascer r ado Equ e ocaso - (900 - ϕ) ≤ δ* ≤ + (900 - ϕ) Círculo de perpétua visibilidade olhando ao Sul Círculo de perpétua visibilidade Círculo de perpétua visibilidade: Região do céu permanentemente visível para aquele observador Polo Sul Sul Leste Oeste Condição de (in)visibilidade no hemisfério Sul Z Circumpolares invisíveis rc um v i s po íve lar is e δMáx - ϕ = 900 δMáx = 900 +ϕ δMáx Horizonte Ci Estrelas com nascer e ocaso PN rc u in mp v is o í v e la r e is s - (900 + ϕ) ≤ δ* ≤ + (900 + ϕ) - δMín - ϕ = 900 s δMín = - 900 - ϕ -ϕ δ* ≥ 900 + ϕ N Circumpolares visíveis PS Ci -ϕ S - δMín δ* ≤ - (900 + ϕ) Eq ua do r Z PS E N S W Equ ado r Movimento do Sol Inverno na Itália (Mar Tireno) Que horas são neste ponto? Sol Gnômon Ch ã o Gnômon ( Relógio de Sol ) So mb ra Determinação do meridiano e dos pontos cardeais (sombra mínima) Ponto Leste Nascente Ponto Norte Meridiano Linha do Meiodia Ocaso Ponto Oeste Ponto Sul Astronomia a serviço da polícia Z 90- ϕ PS 90- ϕ E Nascer ϕ Ângulo entre o equador e o horizonte ϕ N ϕ 90- ϕ S Z 90- ϕ -ϕ 90- ϕ W Ocaso Equ ado r PS -ϕ 90+ϕ N Ângulo entre o equador e o plano do horizonte: 90o - ϕ 90+ϕ 90+ϕ 90+ϕ S Horizonte Eq ua do r PN Leste Norte Leste Sul Sul Norte Oeste Oeste Observador no Hemisfério Sul Observador no Hemisfério Norte Nascer do Sol N Horizonte L Visto por um observador no Hemisfério Sul S N Horizonte L Visto por um observador no Hemisfério Norte S Leste Norte Leste Sul Sul Norte Oeste Oeste Observador no Hemisfério Sul Observador no Hemisfério Norte Ocaso do Sol S Horizonte W Visto por um observador no Hemisfério Sul N S Horizonte W Visto por um observador no Hemisfério Norte N Sequestradores distraídos 900- ϕ Mapa do crime! Local do seqüestro Cativeiro dentro desse círculo ϕ Pergunta: a duração do pôr (ou nascer) do sol é a mesma em todos os pontos da Terra? Resposta: não. Em altas latitudes o pôr do sol é muito mais longo que próximo ao equador Próximo aos pólos: há dias em que o sol nunca se põe ou nunca nasce (próxima aula...) Nascer do Sol Leste é o ponto onde o Sol nasce. (?!?) Noção de ano e de estações do ano Ano das Estações ~ 365 dias Nascente Meridiano Primavera Verão Ocaso Inverno Outono Noção de ano e de estações do ano Nascente Meridiano Ocaso Sol Ano das Estações Norte Sul IP Primavera Verão IV IO II Inverno Outono Ano das Estações ~ 365 dias 12 Trajetórias diurnas do Sol 11 Pri/Out 10 13 9 14 8 7 15 Inverno Verão 7 6 Leste 5 16 N 17 S 18 17 Oeste 19 Pergunta: como os astrônomos da antiguidade explicavam isso? Eixo de rotação Eclíptica: Trajetória anual aparente do Sol ao longo da esfera celeste PN Ω a it c íp l Ec γ PS E r o d a qu Declinação do Sol ao longo do ano Declinação + 23,5o 0 jan 22 jun γ 21 mar jun PN Ω 23 set dez Ω γ PS - 23,5o 22 dez Polo Celeste Norte Trajetória anual aparente do Sol por entre as constelações sígnos... Sol Movimentos dos planetas Planeta vem do grego “planetes”, que significa aquele que vagueia Já na antiguidade notou-se que havia seis “estrelas” que se moviam lentamente em relação às demais (chamadas, por isso, de estrelas fixas) Alguns planetas (ex. Marte) moviam-se mais rapidamente que outros (ex. Saturno) Além disso, o brilho do planeta mudava com o tempo. Distância?? Movimento de Marte no céu Movimento retrógrado! Como explicar isso? Enorme desafio para os astrônomos da antiguidade Precessão dos equinócios Se observarmos a posição das estrelas (declinação e ascenção reta) por muito tempo (séculos), notaremos que ela não é constante! Isso foi descoberto em por volta de 150 AC pelo astrônomo grego Hiparco, que notou diferenças entre as coordenadas da estrela Spica por ele obtidas e as obtidas por Timocaris dois séculos antes. Como explicar isso? PN Precessão PN PN Hoje PN Período da Precessão: ~ 26.000 anos Daqui a 13 mil anos Pião 8000 Cisne Estrelas δ 10000 6000 Cefeidas 12000 β Polares γ Lira 4000 14000 PNE ι Ursa Menor PN Dragão 16000 0 Hércules 18000 τ - 2000 20000 Trajetória Trajetória do do PN PN ao ao longo longo do do tempo tempo visto visto por por um um observador observador no no HN HN - 4000 2000 EstrelasCisne δ Eridani - 4000Achernar 20000 β Hydra Polares 18000 - 2000 β γ 0 Columbae 16000 ι PSE Octanti Canopus 2000 PS Pintor Carina 14000 4000 Popa 12000 τ Trajetória Trajetória do do PS PS ao ao longo longo do do tempo tempo visto visto por por um um observador observador no no HS HS 6000 10000 8000 Cruzeiro do Sul Movimento Diurno e Anual dos Astros Já temos nossos dados observacionais: • Movimentos diurnos dos astros • Movimento mensal da Lua em relação à abobada celeste • Movimento anual do Sol em relação à abobada celeste • Movimento complexo dos planetas em relação à AC • Precessão dos equinócios Qual o modelo que melhor os explica? Modelos do Sistema Solar (a visão do cosmos da antiguidade até o século XVI) Roberto Ortiz - EACH/USP Grécia antiga (750 a.C. - 146 a.C.) Desenvolvimento da Matemática, Geometria, Astronomia, Filosofia, Política, etc. Em sua obra Metafísica, Aristóteles (384 a.C. - 322 a.C.), o precursor do Método Científico, propôs que o Universo era Geocêntrico, i.e. a Terra ocuparia seu centro. Modelo geocêntrio era baseado tanto em observações (ciência) quanto em conceitos filosóficos (não ciência) Idéias são reais. O mundo é só uma imagem das idéias. Sim, mestre! Bobagem! O mundo dos fenômenos é o mundo real. As idéias são sua essência. Platão e Aristóteles Platão Aristóteles Alguns Astrônomos Famosos Pitágoras Filolau Heráclides Mecânica Clássica Aristóteles Raios orbitais Órbitas elípticas Aristarco Uso do telescópio Eratóstenes Excelente observador Hiparcos Sistema Geocêntrico Copérnico Distância Terra-Lua Raio da terra Processo p/ obter a distância até o Sol Geocentrismo filosófico Sistema híbrido Helioocentrismo religioso Terra esférica Tycho Brahe Galileu Kepler Newton 2000 1800 1600 1400 1200 800 600 400 200 200 400 600 0 1000 Sistema Heliocêntrico Ptolomeu Aristóteles já sabia que a Terra é esférica. Algumas evidências: 1) Variação da latitude astronômica Altura do PN em diferentes posições na Terra suposta plana PN Estrela Polar suposta no infinito PN h2 = h1 = ϕ N h2 Horizonte Observador na posição 2 Sentido do deslocamento do observador h1 S Observador na posição 1 Variação observada na altura da estrela Polar Polar Inferência: A estrela Polar estaria muito próxima da Terra e essa seria plana. h2 ≠ h1 N h2 Horizonte Observador na posição 2 Sentido do deslocamento do observador h1 S Observador na posição 1 PN PN PN Outra explicação para a variação na altura do PN PN N Horiz. 1 N Horiz. 2 h1 h2 PN Ho w N Horiz. 2 h2 PS riz .1 h1 Aristóteles já sabia que a Terra é esférica. Algumas evidências 1) Variação da latitude astronômica 2) Nos eclipses da Lua, a sombra projetada pela Terra é sempre redonda Aristóteles já sabia que a Terra é esférica. Algumas evidências 1) Variação da latitude astronômica 2) Nos eclipses da Lua, a sombra projetada pela Terra é sempre redonda 3) Em navios que se afastam do porto sempre a parte de baixo desaparece primeiro que a parte de cima Esfericidade da Terra Hiparco (190 – 120 a.C.) foi o maior astrônomo da antiguidade Seus modelos geométricos do Sol e da Lua permitiam-lhe fazer previsões de eclipes Compilação de uma catálogo com 850 estrelas com coordenadas Invenção do astrolábio Descoberta da precessão dos equinócios Claudio Ptolomeu (83 – 161 d.C.) escreveu diversas obras científicas, entre elas o Almagesto. O Almagesto utilizava um modelo geocêntrico para se calcular a posição dos planetas no céu, no passado ou futuro. Também fazia parte do Almagesto um catálogo estelar com aproximadamente 1000 estrelas e 48 constelações. O modelo geocêntrico perdurou até o século XVI. Geocentrismo: um modelo amplamente aceito A Terra parece firme e estável. As estrelas parecem descrever circunferê ncias no céu, em torno dos pólos celestes. Os “planetas” da época (Lua, Sol, Mercúrio, Vênus, Marte, Júpiter e Saturno ) parecem mover-se em torno da Terra. Profundas raízes filosóficas e religiosas Argumento bíblico: Josué ordenou ao Sol e à Lua que parassem. O Modelo Geocêntrico: A Terra ocupa o centro do Universo. Os planetas giram em órbitas circulares em torno da Terra. Os planetas mais “rápidos” estão mais próximos: Lua, Mercúrio, Vênus, Sol, Marte, Júpiter e Saturno. As estrelas estariam incrustadas numa esfera de cristal, muito distante. O que é ciência? série de observações modelo geocêntrico Movimentos do Sol, Lua, estrelas e planetas validação novas observações Tycho Brahe XXX novo modelo heliocêntrio X Problemas do Modelo Geocêntrico (notados por Ptolomeu) A velocidade dos planetas no céu é variável. O brilho dos planetas é variável. Há ocasiões quando o sentido do movimento dos planetas temporariamente se inverte: as “laçadas”. Solução: ciclos, epiciclos, equantes... Epiciclos O Nascimento da Astronomia Moderna O complicadíssimo modelo geocêntrico de Ptolomeu (mas que já remontava ao primórdios da Grécia Antiga) sobreviveu por 15 séculos sem alterações. Ele só foi questionado por Copérnico no séc. XVI. Assunto da próxima aula... Para saber mais: Uma História da Astronomia Jean-Pierre Verdet, pags. 49-57, 61-67, 95-110. Astronomia & Astrofísica Kepler Oliveira & Maria de Fátima Saraiva, Caps. 9, 10, 11 e 12.
