– PDF - Ensino de Astronomia

Exploração do Espaço I
Ensino de Astronomia UFABC
Victoria Arantes
E-mail: [email protected]
Instrumentos de Observação Astronomica
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• Desde os primordios da humanidade, o céu é objeto
de estudo e admiração do homem. E é a partir disso
que a exploração espacial tem inicio.
• Quando o homem se perguntou o que eram aqueles
pontos brilhantes distantes e o que estavam fazendo
ali, começou a nascer a ciência que tentaria
responder essas perguntas.
O olho humano
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• O primeiro grande instrumento de observação
astronomica foi a visão. A partir dela o ser humano pôde
estudar e instigar sua curiosidade para, futuramente, criar
novos meios para realizarem outras descobertas.
Gnômon
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• O gnômon foi provavelmente uns dos primeiros instrumentos
astronômicos feito pelo homem. Sua forma mais simples,
consistia apenas em uma vara fincada, geralmente na vertical,
no chão. A observação da sombra dessa vara, provocada
pelos raios solares, permitia verificar a posição do Sol no céu ao
longo do tempo.
• A observação da sombra do gnômon ao longo do dia, permitiu
aos primeiros astrônomos perceberem que a sombra mudava
tanto de tamanho quanto de direção com o passar do tempo.
Verificaram que quando a sombra produzida era a mais curta
do dia, era o momento que em que se dividia a parte clara do
dia em duas metades.
• A esse instante deram o nome de Meio-dia e a direção em que
a sombra se encontrava nesse instante recebeu o nome de
Linha do Meio-dia ou Linha Meridiana.
• A linha horizontal que ficava perpendicular à linha meridiana,
ganhou o nome de linha Leste-Oeste. A direção Leste foi
nomeada como aquela que correspondia a do lado do nascer
do Sol, ficando o Oeste para o lado oposto. De pé, com os dois
braços esticados na horizontal, e apontando o direito para o
leste, definia-se o Norte como sendo a direção da linha
meridiana à frente da pessoa e Sul para trás. Assim foram
definidos os pontos cardeais Norte, Sul, Leste e Oeste.
Astrolábio
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• Na sua forma mais simples, o astrolábio era um disco
circular, graduado em sua borda em unidades angulares, e
uma régua linear que vinculada ao disco podia pivotear
em torno de um eixo passando pelo centro do disco.
• Alçava-se o astrolábio pela sua parte superior, geralmente no
dedo do observador, e apontava-se a régua ao astro desejado,
lendo-se a graduação correspondente à altura angular do astro.
Quando se conhecia a direção do norte local, o disco podia ser
usado para medir distâncias angulares na horizontal, fornecendo
o azimute do astro.
• Com o aperfeiçoamento do astrolábio, principalmente pelos
árabes durante o milênio em que a igreja católica sufocou
qualquer tentativa de pesquisa que fosse contra seus dogmas,
esse instrumento passou a contar com três partes: (a) o disco
graduado, cuja parte central recebia a gravação de um sistema
de coordenadas astronômicas, (b) a régua linear e (c) um
segundo “disco” que era uma escultura das constelações locais
e da eclíptica.
• Com a observação da altura do astro, e com o conhecimento
da estrela, diversas informações astronômicas podiam ser obtidas
com a consulta à graduação central do astrolábio. Uma das
grandes vantagens desse instrumento era o fato de que, como
era pendurado no dedo, a vertical do local ficava bem definida
mesmo que a base de sustentação do observador não fosse fixa,
como era o caso do tombadilho de um navio no mar. Assim, o
astrolábio foi um importante instrumento auxiliar na navegação
astronômica antes do advento da bússola e mesmo
completando as informações dadas por essa.
Sextante
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• O sextante pode ser considerado um sucessor do astrolábio.
Consta de um setor circular de 60 graus, graduado em seu bordo,
e com uma régua linear pivoteante em torno de um eixo
passante pelo vértice central do setor circular. Direcionava-se a
régua em direção ao astro e fazia-se a leitura da graduação do
setor, obtendo-se a altura ou a distância zenital do astro.
• Inicialmente construído para observações em terra firme, foi,
mais tarde, readaptado para ser usado em navios. A partir de
um sistema de espelhos podia-se observar, ao mesmo tempo, o
horizonte e o astro, permitindo, então, a determinação da altura
do astro. Com importantes melhorias, o sextante é usado ainda
hoje na navegação, complementando outros sistemas mais
modernos de navegação.
Quadrante Mural
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• O quadrante mural não é nada mais que um sextante com um
setor circular de 90° em vez dos 60°. Por outro lado, o quadrante
mural foi concebido para ser fixo num local. Numa parede,
geralmente vertical, desenhava-se um setor circular de 90°.
Observava-se, desde a borda do setor circular, o passar do astro
por um orifício numa parede perpendicular à primeira. Com a
régua pivoteante lia-se a altura do astro. Como eram
instrumentos fixos, puderam ter suas dimensões bastante
ampliadas, tornando-se um dos instrumentos mais precisos da
astronomia antiga.
Telescópios:
A visão além do alcance
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• Em 1608, Hans Lippershey, fabricante alemão de lentes, criou o
primeiro telescópio prático. Existiam projetos de telescópios
rudimentares antes, porém, é creditado a ele a patente sobre o
telescópio.
• Apesar de Hans Lippershey ter sido o “inventor” do telescópio, foi
outro homem que, ao apontar o telescópio para o céu, mudou o
rumo da ciência
Galileu Galilei
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• Físico, matemático, astrônomo e filósofo,
Galileu foi um dos maiores nomes da
ciência de todos os tempos.
• Desenvolveu seu próprio telescópio e
ajudou a melhorar significativamente o
telescópio refrator. Com ele foi capaz de
descobrir as manchas solares, as
montanhas da Lua, as fases de Vênus,
quatro dos satélites de Júpiter (Europa,
Ganímedes, Lo e Calisto), além dos anéis
de Saturno e estrelas da Via Láctea.
Telescópios
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• Para entendermos como funciona um telescópio, e
compreendermos as diferenças entre eles, é necessário saber
como a luz se comporta ao atravessar diferentes meios.
• Cada material (ou meio) que a luz atravessa, possui
características diferentes que fazem com que a luz se
comporte de maneiras diferentes.
Reflexão
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• É o fenômeno onde a luz volta a se propagar no meio de
origem, após incidir sobre um objeto ou superfície.
• Os fenômenos em que acontecem reflexão, tanto
regular quanto difusa e seletiva, obedecem a duas leis
fundamentais que são:
1ª lei da reflexão
O raio de luz refletido e o raio de luz incidente, assim como
a reta normal à superfície, pertencem ao mesmo plano, ou
seja, são coplanares.
2ª Lei da reflexão
O ângulo de reflexão (r) é sempre igual ao ângulo de
incidência (i).
i=r
AB = raio de luz incidente
BC = raio de luz refletido
N = reta normal à superfície no ponto B
T = reta tangente à superfície no ponto B
i = ângulo de incidência, formado entre o raio
incidente e a reta normal.
r = ângulo refletido, formado entre o raio refletido e a
reta normal.
Refração
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• É o fenômeno em que a luz é transmitida de um meio para
outro diferente.
• Nesta mudança de meios, a frequência da onda luminosa não
é alterada (não vemos uma mudança de cor na luz), embora
sua velocidade e o seu comprimento de onda mudem.
• Com a alteração da velocidade de propagação, ocorre um
desvio da direção original.
Lente Convergente
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• Em uma lente com comportamento convergente, a luz que
incide paralelamente entre si é refratada, tomando direções
que convergem a um único ponto
Lente Divergente
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• Em uma lente com comportamento divergente, a luz que incide
paralelamente entre si é refratada, tomando direções que
divergem a partir de um único ponto.
•Temos a impressão de que todos os raios vem de um único ponto.
Tipos de Telescópios
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• Telescópios terrestres
- Telescópios ópticos: usam a luz dentro do espectro visível
- Radiotelescópios: usam outros comprimentos de onda fora do
espectro visível da luz (usam rádiação eletro-magnética na faixa
rádio)
• Telescópios espaciais
- Telescópios de Raios X, Raios γ, IR, Microondas, UV
Telescópios Opticos
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• Foram os primeiros telescópios a serem criados. Funcionam
através de lentes e espelhos, combinados ou não, para
aumentar a resolução e tamanho de objetos muito longes.
• Possuem três tipos básicos:
– Refletores: usam um espelho côncavo grande e pesado ao invés de lentes
para coletar a luz e focalizá-la. Olha-se através de uma ocular colocada no
tubo próxima a entrada de luz, também conhecido como "newtoniano".
– Refratores: possuem tubos longos e relativamente finos com uma lente
objetiva frontal que capta e focaliza a luz
– Catadióptricos: usam tanto lentes quanto espelhos. A versão mais popular
é o Schmidt-Cassegrain, que surgiu no mercado na década de 70 e
rapidamente conquistou seu lugar ao lado dos refratores e refletores
Refletores
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• A grande vantagem dos telescópios refletores é a ausência de
aberrações cromáticas.
• Esse tipo de montagem é a usada hoje nos telescópios
modernos. Diferente dos refratores, não há um limite físico para
o tamanho dos espelhos usados. Eles podem ser feitos muito
finos e segmentados, para montar um telescópio grande.
Refratores
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• Ao final do corpo do telescópio, encontra-se uma segunda lente,
chamada de ocular. A ocular funciona como uma lupa,
aumentando a imagem formada pela objetiva.
• O telescópio refrator, também conhecido como luneta, foi o
utilizado por Galileu em suas observações. O telescópio utilizado
por Galileu era relativamente pequeno e constituído por uma
objetiva cromática, objetiva formada por uma única lente
convergente.
• Um grande problema desse tipo de telescópios é que lentes
com mais de 1m de diâmetro se deformam sob seu próprio
peso. Assim, não podem ser muito grandes, o que acaba
diminuindo sua resolução.
• Este tipo de objetiva apresenta um grave problema que é a
aberração cromática. As diferentes cores que formam a luz
branca são decompostas, como ocorre em um prisma, fazendo
com que as diferentes componentes cromáticas da luz
interceptem o eixo óptico da objetiva em pontos diferentes.
Desse modo, ao observarmos um objeto com esse telescópio,
vemos algumas manchas coloridas em volta deles.
Radiotelescópios
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• Um dos modelos de telescópios mais modernos usados hoje em
dia, tendo surgido nos anos 30.
• O primeiro a utilizar sinal de rádio para
observar o Universo foi Karl Guthe Janksy,
engenheiro eletrônico e físico, que trabalhava
na empresa Bell Telephone Laboratories e
investigava a origem do ruído que interferia a
emissão de ondas curtas transatlânticas de
radiotelefone.
• O físico foi capaz de identificar a origem de duas das três fontes
de interferência nos sinais, que eram apenas tempestades
elétricas locais.
•
A terceira fonte de interferência levou um ano de trabalho
para ser descoberta. Viu-se que a interferência vinha fora da
Terra e tinha origem na Via Láctea.
• Foi o primeiro registro de ondas eletromagnéticas vindas de fora
do nosso planeta. Nesse instante nascia a radioastronimia.
• Esse tipo de telescópio funciona seguindo a mesma lei física da
reflexão, porém, não utiliza a luz visível para formar uma
imagem.
•
Ao utilizar outras frequências do espectro eletromagnético, os
radiotelescópios nos proporcionam uma visão completamente
nova e até então invisível aos nossos olhos.
• A frequência mais utilizadas nesses equipamentos são as bandas
de rádio, que compreendem as micro-ondas, as ondas de rádio
e as ondas de rádio longas .
• Cada frequência permite a observação de diferentes aspectos
dos corpos celestes e revelam coisas antes invisíveis
• Radiotelescópio chinês terá disco com 500 m de diâmetro;
estrutura tirará proveito de cavidade natural para posicionar
antena em ângulo de 40 graus.
• Espera-se que a estrutura permita detectar sinais de rádio em
até 1 milhão de estrelas e sistemas solares.
• O radiotelescópio de Arecibo em Porto Rico é atualmente o
maior telescópio fixo do mundo, com um espelho de 305m de
diâmetro feito de placas de alumínio.
• Ajuda na determinação de distâncias e massas de galáxias,
além de observar vários pulsares. Também fez parte do projeto
SETI, que busca por vida extraterrestre.
Espectro Eletromagnético
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• Uma técnica muito usada em radiotelescópios é a
interferometria, que é a combinação de várias antenas
trabalhando juntas.
• Esse tipo de arranjo é chamado de montagem virtual, uma vez
que vários telescópios agem como se fossem apenas um.
• A interferometria é usada para outras faixas espectrais também,
mas é mais difícil ajustar as distâncias entre os telescópios, por
causa dos comprimentos de onda mais curtos.
Telescópios Espaciais
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Lançamento: 25 de abril de 1990
Veículo de lançamento: ônibus
espacial Discovery
Comprimento: 13,3 m
Diâmetro: 4,3 m
Largura: 12 m
Peso: 12 ton
Órbita: elíptica, 612 x 620 Km
Telescópio Espacial Hubble
Planeta Saturno em cores
naturais.
Nebulosa do Anel (M 57),
localizada na constelação de
Lira.
Galáxia do Sombreiro (M
104), localizada há 28
milhões de anos-luz da Terra.
Telescópio Espacial James Webb
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• O Telescópio Espacial James Webb
(JWST) será um grande telescópio
infravermelho com um espelho
primário de 6,5 metros.
• Será lançado em um foguete Ariane 5
a partir da Guiana Francesa, em
outubro de 2018
• Ele irá estudar cada fase da história do
nosso Universo, que vão desde os
primeiros brilhos luminosos após o Big
Bang, a formação de sistemas solares
capazes de suportar a vida em
planetas como a Terra, para a
evolução do nosso próprio Sistema
Solar.
Pontos Lagrange
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• São locais no espaço onde as forças gravitacionais e o
movimento orbital dão equilíbrio de um corpo em relação ao
outro, onde um terceiro objeto, de baixa massa, como uma
astronave, mantém sua posição com pouquíssimo consumo de
combustível. Há cinco pontos de Lagrange no sistema Terra-Sol.
• L1: é uma posição muito boa para monitorar o Sol.
• L2: fica num ponto oposto ao do Sol mas, na mesma distância da Terra
que L1. O ponto L2 é um grande lugar para observar o Universo.
• L3: fica em uma linha definida pelo Sol e pela Terra, mas além da posição
do Sol. Como esta posição de Lagrange fica apontada atrás do Sol,
qualquer objeto que esteja lá não será visto da Terra.
• L4 e L5: ficam a 60 graus à frente e atrás da Terra em sua órbita visto do
Sol. Ao contrário dos outros pontos,, L4 e L5 são resistentes a perturbações
gravitacionais.
Hubble e Webb
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• Webb é o sucessor científico para Hubble; seus objetivos
científicos foram motivados por resultados de Hubble.
• Webb vai olhar principalmente para o universo no
infravermelho, enquanto os estudos de Hubble eram
principalmente em comprimentos de onda ópticos e
ultravioletas.
• Webb também tem um espelho muito maior do que o Hubble.
Com uma área de coleta de luz maior significa que Webb
pode perscrutar mais para trás no tempo do que o Hubble é
capaz de fazer.
• Hubble está em uma órbita muito próxima ao redor da terra,
enquanto a de Webb será de 1,5 milhões km de distância do
segundo ponto de Lagrange (L2).
Telescópios de Neutrinos
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• Neutrinos (ν) são partículas produzidas no Big Bang, em explosões
de Supernovas, dentro do Sol e em certos processos de
desintegração.
• Eles quase não interagem com a matéria, são muito rápidos, leves
e sem carga elétrica. A cada segundo, passam vários pelo seu
corpo.
• Sua detecção é extremamente difícil, sendo necessário usar
muito material para se captar ou detectar um.
• A detecção é feita com tanques de água que ficam muito
abaixo da superfície da Terra, o que ajuda a filtrar outras fontes
de radiação.
• Quando um neutrino interagem com uma molécula de água, ele
libera radiação que é detectada pelos sensores imersos no
tanque
Um exemplo desse tipo de telescópio é o
SuperKamiokande no Japão.
• Capacidade de 50000 toneladas de água
ultrapurificada
• Tem um diâmetro de 33.8m e uma altura
de 36.2m
• Fica a 1km de profundidade para bloquear
outros sinais.
• Possui 11146 tubos fotomultiplicadores
(detectores muito sensíveis à luz) montados
em seu em torno
• Outros tipos de telescópios para a detecção de neutrino seguem
uma montagem diferente:
• Km3net: Usa 1km cúbico de água no mar mediterrâneo
• IceCube: 1km cúbico de gelo na Antárctica
KM3NET
ICECUBE
Bibliografia
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http://jwst.nasa.gov/about.html
http://jwst.nasa.gov/comparison_about.html
http://www.cdcc.sc.usp.br/cda/telescopios/escolhendo/
http://www.dw.com/pt/os-cinco-maiores-telesc%C3%B3piosterrestres-de-observa%C3%A7%C3%A3o/a-16319559
http://super.abril.com.br/veja-40-fotos-incriveis-tiradas-pelotelescopio-espacial-hubble#
Questionário
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1.Qual foi o primeiro instrumento astronômico construído pelo
homem?
a) Astrolábio
b) Gnômon
c) Quadrante Mural
2. São exemplos de telescópios espaciais:
a) Telescópios catadióptrico Schmidt-Cassegrain
b) Radiotelescópios
c) Hubble
Questionário
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3. Os radiotelescópios precisam de luz visível para formar uma
imagem?
a) Sim
b) Não
4. Qual cientista foi capaz de descobrir as manchas solares, as
montanhas da Lua, as fases de Vênus, quatro dos satélites de
Júpiter - dentre outros feitos - através do seu aprimoramento no
telescópio refrator?
a) Johannes Kepler
b) Hans Lippershey
c) Galileu Galilei