A origem dos planetas

A DANÇA
DOS
PLANETAS
Roberto Vieira Martins
Grupo de Estudos de Astronomia
Observatório do Valongo - UFRJ
Observatório Nacional - MCT
TÓPICOS
Apresentaremos uma visão geral de como o conhecimento
do movimento dos astros, principalmente o dos planetas,
historicamente deu origem a uma interpretação sobre a
organização o Universo, estabelecendo, o que foi chamado,
os sistemas de mundos.
Junto com a compreensão destes movimentos surgiu a
questão de sua explicação destes e suas relações com os
movimentos na Terra.
Abordaremos em seguida a origem do nosso Sistema Solar e
as diversas interações dos corpos deste sistema com a Terra.
Neste contexto são tratados a causa das marés, a origem da
Lua, e choque passados e futuros de corpos com a Terra.
A seguir são apresentados o esquema dos tópicos abordados.
TÓPICOS
→ Os movimentos do céu
- movimentos do Sol, da Lua, das estrelas - calendários
- a valsa dos planetas
→ Nosso lugar no universo
- os sistemas de mundo - geocêntrico e heliocêntrico
- o nascimento da observação astronômica moderna
→ Por que os astros não caem e por que se movem?
- os movimentos do céu e da Terra
- o nascimento da ciência moderna
→ A origem dos planetas
- somos especiais?
→ As grandes catástrofes passadas e futuras
- choques com pedras vindas do espaço
Os movimentos do céu
A primeira percepção dos movimentos dos astros no céu é
dada pelo movimento diário do Sol. Ele nasce a leste e se põe a
oeste. Da mesma forma as estrelas fazem este movimento
diariamente.
Se deixarmos uma câmara fotográfica com o obturador aberto
durante algumas horas, as imagens das estrelas aparecerão
como arcos de círculos centrados num ponto do céu. Este
ponto é um pólo celeste.
Na figura, a seguir, temos uma imagem deste tipo feita numa
noite escura (sem Lua) no Laboratório Nacional de Astrofísica,
em Itajubá, Minas Gerais. As estrelas giram de no sentido dos
ponteiros de um relógio em torno do pólo sul celeste.
Na foto vê-se o prédio do maior telescópio e a luz no horizonte
proveniente da região de São Paulo, distante 200 km.
Os movimentos do céu
ESTRELAS
Os movimentos do céu
Todos os astros tem o movimento diário do Sol e das estrelas.
No entanto, durante o ano o Sol varia sua posição no céu. Ao
meio dia, em diferentes épocas do ano ele esta mais alto ou
mais baixo no céu, retornando a mesma posição na mesma
época do ano. Ele tem pois, além do movimento diário, um
movimento anual.
A Lua também se move em relação as estrelas e retorna a
mesma posição, aproximadamente, cada mês.
As estrelas também tem um movimento anual. Em épocas
diferentes do ano e a mesma hora, as mesmas constelações
ocupam lugares diferentes no céu.
Os planetas tem movimentos bastante mais complicados como
veremos adiante.
Os movimentos do céu
todos os astros ⇒ diariamente
Sol ⇒ anual
Lua ⇒ mensal
Estrelas ⇒ anual
Planetas ⇒ complicado
Os movimentos do céu
Se observarmos o movimento dos planetas em relação as
estrelas, no decorrer do ano, verificamos que eles vem
avançando até que, a partir de um certo momento, eles passam
a voltar para depois recomeçarem a avançar. Assim eles fazem
um movimento parecido com os dos dançarinos de uma valsa.
Se fizermos uma foto dos planetas de uma forma análoga a que
foi feita para as estrelas, os seus movimentos podem ser
facilmente visualizados. Só que agora as coisas são um pouco
mais complicadas. Temos a cada noite, que apontar a nossa
câmara para as mesmas estrelas e superpor sobre a foto
anterior a nova foto dos planetas. Como resultado teremos
rastros correspondentes aos movimentos dos planetas em
relação as estrelas como pode ser visto na figura adiante. Neste
caso visualiza-se o movimento correspondente a vários meses.
Os movimentos do céu
A VALSA
DOS
PLANETAS
Nosso lugar no universo
Para descrever os movimentos dos astros, na antiguidade se
supunha que o universo era formado pela Terra, no centro de
uma série de esferas transparentes. A primeira esfera continha
a Lua, a segunda Vênus, seguida das esferas de Mercúrio e do
Sol. As seguintes eram as de Marte, Júpiter e Saturno.
Finalmente havia a esfera das estrelas fixas. Uma ilustração
deste modelo de universo, chamado de Geocêntico, é mostrado
na figura seguinte.
Estas esferas giravam de forma que o movimento de rotação
dos astros era devido a estas rotações.
É claro que este modelo não explicava o movimento complicado
dos planetas enquanto considerava apenas as rotações das
esferas. Este modelo teve então de ser modificado.
Nosso lugar no universo
Sistema
Geocêntrico
Nosso lugar no universo
A necessidade de modificação se insere numa idéia mais geral sobre o
conhecimento da natureza. Esta idéia esta resumida neste pequeno
texto de Richard Feynman, ganhador do prêmio Nobel de física nos
anos 1950, reproduzido a seguir.
A idéia aqui, basicamente vê o conhecimento da natureza como uma
aproximação. Daí decorre que conhecimento é provisório devendo ser
substituído ou corrigido.
Outro aspecto interessante sobre o conhecimento está na atribuição a
quem o descobriu ou inventou. Isto esta sintetizado claramente na
seguinte frase de Ludovico Geymonat na sua biografia de Galileu.
“A realidade é que mesmo a mais genial das invenções nunca é fruto
de um indivíduo isolado, mas sempre de um estudioso que vive e opera
em uma civilização bem determinada, o que não impede que tenha
sido exatamente este estudioso e não um outro a realizá-la e que, logo,
caiba a ele um mérito especial, diverso do mérito genérico que cabe a
cultura em que ele se formou.”
Nosso lugar no universo
Procura do conhecimento da natureza
“... tudo que conhecemos é apenas
algum tipo de aproximação, pois
sabemos que não conhecemos todas as
leis ainda. Portanto, as coisas devem
ser aprendidas apenas para serem
desaprendidas de novo ou, mais
provavelmente para serem corrigidas.”
(R. Feynman, anos 50)
Nosso lugar no universo
A explicação dos movimento complicados dos planetas veio a
partir de uma correção no sistema de esferas transparentes. Ela
consistiu basicamente em supor que quem girava em torno da
Terra era, para cada planeta, um ponto da esfera em torno do
qual girava o planeta. Este círculo descrito pelo planeta foi
chamado de epicíclo. Assim, como podemos ver nas figuras
seguintes, a valsa dos planetas podia ser explicada.
Este modelo apareceu na Grécia Antiga mas a sua versão mais
completa, e por um bom tempo considerada como a melhor
aproximação do universo, apareceu no século II da era cristã,
tendo sido apresentado numa obra de grande complexidade
matemática, pelo astrônomo e matemático grego Ptolomeu.
Nosso lugar no universo
Sistema
Geocêntrico
movimento dos
planetas
Ptolomeu
sec. II
Nosso lugar no universo
A medida que se conhecia melhor os movimentos dos planetas, o
Sistema Geocêntrico apresentava problemas crescentes. Desde a
Grécia Antiga o sistema de epicíclos vinha sendo modificado
com a adição de novos epicíclos sobre os epicíclos.
No século XVI surgiu uma obra devida ao polonês Nicolau
Copérnico onde se assumia uma nova proposta para o universo
que propunha que o Sol estivesse no centro do universo. Os
planetas descreviam círculos em torno do Sol. Este sistema é
conhecido como Heliocêntrico. Na figura a seguir parece uma
ilustração do livro de Copénico.
É importante observar que a proposta do Sistema Heliocêntrico
consistia na retomada de uma proposta feita anteriormente na
Grécia Antiga. Ela significava, no entanto, uma mudança
filosófica radical pois tirava o homem do centro do universo.
Nosso lugar no universo
Sistema
Heliocêntrico
Copérnico
sec. XVI
Nosso lugar no universo
O movimento de retorno dos planetas pode ser explicado
facilmente no modelo heliocêntrico. Isto pode ser visto na figura
a seguir.
O movimento retrógrado se deve unicamente a um problema de
perspectiva. Apesar da direção dos movimentos dos planetas nas
suas órbitas serem sempre os mesmos, como a Terra e o planeta
se movem com velocidades diferentes, existem épocas em que a
Terra avança mais depressa que o planeta. Nestas épocas, quem
observa os planetas da Terra os vê movendo em direção
contrária.
Nosso lugar no universo
Sistema Heliocêntrico - movimento dos planetas
Nosso lugar no universo
O sistema heliocêntrico hoje é visto com na figura a seguir.
Tem-se o Sol no centro das órbitas dos planetas. Estas órbitas
se distribuem da seguinte ordem:
- Mercúrio, Vênus, Terra, Marte e a região dos asteróides
conhecida como o Cinturão Principal dos Asteróides;
- Júpiter, Saturno e depois Urano, Netuno e Plutão, sendo que
os três últimos eram desconhecidos na época de Copérnico;
- depois vem um novo cinturão de asteróides conhecido com
Cinturão de Kuiper e, mais além tem-se a Nuvem de Oort que é
onde os cometas ficam antes de serem laçados por alguma
perturbação externa (de uma estrela por exemplo) para o
interior do Sistema Solar. Estes não estão representados na
figura
Este sistema esta imerso num mar de estrelas.
Nosso lugar no universo
Sistema
Heliocêntrico
(hoje)
Nosso lugar no universo
A proposta do sistema heliocêntrico, como foi mencionado
anteriormente, significava “desaprender” uma explicação da
natureza que tinha como base fundamentos filosóficos e
religiosos bem enraizados. Tirava o homem do centro do
universo. Por isso, deu origem a uma grande polêmica.
Uma proposta para resolver esta polêmica foi que ela fosse
arbitrada pela observação sistemática e bem direcionada do
movimento dos astros. De forma mais geral, se consolidou a idéia
de que o conhecimento da natureza deveria ser feito a partir de
sua observação sistemática.
Esta proposta foi realizada, especialmente, pelo astrônomo
dinamarquês Tycho Brahe no século XVI.
Assim, associamos o trabalho de Thyco Brhae ao nascimento da
observação astronômica moderna.
Nosso lugar no universo
Polêmica: sistema geocêntrico ou heliocêntrico
Tycho Brahe - sec. XVI
as leis da natureza são descobertas por
meio de observações sistemáticas e específicas dos fenômenos envolvidos nessas leis
NASCE A OBSERVAÇÃO
ASTRONÔMICA MODERNA
Nosso lugar no universo
Tycho Brahe construiu um observatório numa ilha próxima a
Copenhagen (ver a seguir). Como na sua época ainda não
existiam instrumento óticos como lunetas e telescópios, usou um
grande círculo graduado e com ele passou a medir
sistematicamente as posições angulares dos planetas e sobretudo
de Marte.
As observações de Tycho Brahe foram as mais precisas feitas até
a sua época. Como veremos logo adiante, tiveram um papel
decisivo para a que o sistema heliocêntrico fosse aceito.
Ironicamente, Tycho Brahe propôs um sistema de mundo que
tinha a Terra no centro. Em torno dela giravam a Lua e o Sol.
Em torno do Sol giravam os planetas. Era pois um sistema
híbrido entre o sistema geocêntrico e heliocêntrico.
Nosso lugar no universo
Polêmica: sistema geocêntrico ou heliocêntrico
Tycho Brahe
Nosso lugar no universo
As observações de Tycho Brahe foram cuidadosamente analisadas por
Kepler, matemático alemão, colaborador do astrônomo dinamarquês e
herdeiro de suas observações.
A partir desta análise, no século XVII, Kepler conseguiu descrever as
órbitas dos planetas em torno do Sol a partir de curvas matemáticas
bem conhecidas. Ele mostrou que as órbitas tinham a forma de elipses,
que podem ser definidas como na figura a seguir. O Sol ocupava um dos
focos desta elipse. Assim, o planetas giravam em torno do Sol. Além
disso, Kepler conseguiu compreender como os planetas percorriam as
elipses. As áreas iguais definidas pelo planeta e o segmento que o liga ao
Sol, são percorridas em tempos iguais. Assim, quando mais próximo do
Sol, o planeta anda mais rápido sobre sua órbita do que quando está
afastado (ver painel ao lado da figura do Kepler a seguir.
É interessante observar que as órbitas dos planetas são, exceto para
Plutão, elipses que são muito próximas de círculos. Isto dá uma idéia
das dificuldades enfrentadas por Kepler.
Nosso lugar no universo
Polêmica: sistema geocêntrico ou heliocêntrico
observações
Tycho Brahe
⇒
órbitas dos planetas
Kepler
Kepler - sec. XVII
Por que os astros não caem e por que se movem?
O problema seguinte é explicar o movimento dos astros.
Da nossa experiência diária temos que, para manter um corpo
em movimento, devemos empurrá-lo e para que não caia deve ser
segurado.
Nada parece empurrar ou segurar os astros.
No passado isto era entendido partindo-se do princípio que os
movimentos do céu e da Terra eram independentes. Basta
lembrar de que o círculo e a esfera eram as formas perfeitas.
Esta perfeição passava a ser um argumento fraco quando a
Terra, o lugar previlegiado onde habitamos, deixava ser o centro.
Além disso as órbitas circulares eram substituídas por elípses.
Surge então a pergunta: Por que os astros não caem e por que
eles se movem?
Por que os astros não caem e por que se movem?
manter movimento
⇒
empurrar
não cair
⇒
segurar
Experiência diária:
Por que os astros não seguem estas regras já que
Olhando o céu: não existe, aparentemente, nada que os empurre ou
os sustente?
Admitido no passado:
Movimento no céu:
os movimentos do céu nada
tinham a ver com os da Terra
forma perfeita
⇒
esfera
movimento perfeito
⇒
circular
Por que os astros não caem e por que se movem?
Desejamos pois explicar o porque algo ocorre na natureza. O que
se tenta, no nosso caso, é substituir uma lei que afirmava que a
esfera e o círculo eram formas perfeitas e por isso a configuração
dos astros e seus movimentos deviam seguir estas formas.
Surge então a questão: Que critérios usar para decidir quais as
melhores leis que explicam o fenômeno observado?
A resposta a esta questão que acabou se estabelecendo no século
XVII foi dada pela postura científica. Basicamente, a ciência
procura testar as leis usando a experimentação.
A relação da experiência com o conhecimento, as leis da natureza
e a imaginação criativa são colocadas de forma magistral no
pequeno texto de Richard Feynman a seguir.
Por que os astros não caem e por que se movem?
O aparecimento da experimentação científica
“O princípio da ciência, quase sua definição é: O teste de todo o
conhecimento é a experiência. A experiência é o único juiz da
“verdade” científica. Mas qual é a fonte do conhecimento? De
onde provêm as leis a serem testadas? A própria experiência
ajuda a produzir essas leis, no sentido em que nos fornece
pistas. Mas também é preciso imaginação para criar, a partir
dessas pistas, as grandes generalizações – para descobrir os
padrões maravilhosos, simples mas muito estranhos por baixo
delas e, depois, experimentar para verificar de novo se fizemos a
descoberta certa." (R. Feynmam, anos 50)
Por que os astros não caem e por que se movem?
Uma das principais figuras ligadas a consolidação do método científico
foi o italiano Galileu Galilei (ver figura a seguir).
Galileu, não foi o inventor da luneta, mas o primeiro a apontá-la para o
céu de forma sistemática. Descobriu assim, além de outras coisas, como
as fases de Vênus, as crateras da Lua e os quatro grandes satélites de
Júpiter. Este sistema, análogo ao planetário, evidenciou que o centro de
um sistema planetário não era monopólio da Terra (considerado o
sistema geocêntrico).
Foi um defensor ferrenho do sistema heliocêntrico e por isso pagou um
alto preço. Foi condenado pela inquisição a passar os últimos anos de
sua vida em prisão domiciliar e teve as suas obras astronômicas
proibidas nos países onde a Igreja Católica tinha força política.
Galileu usou a experimentação para entender o movimento dos corpos
tanto sobre um plano como em queda. Foi sem dúvida, um dos maiores
cientistas de todos os tempos.
Por que os astros não caem e por que se movem?
Galileu - sec. XVII
Por que os astros não caem e por que se movem?
Para tentar responder a nossa pergunta sobre o movimento,
descreveremos duas experiências´simples que não diferem muito das
feitas por Galileu. Elas podem ser reproduzidas sem muita dificuldade.
Na primeira, três bolas são lançadas como no figura a seguir. A bola 1
é jogada sobre uma mesa lisa e, quando esta acaba, cai no chão. A bola
2 é lançada no chão liso no mesmo instante da bola 1 e com a mesma
velocidade. A bola 3 é solta da altura da mesa, no mesmo instante que
a bola 1 chega no bordo da mesa.
Observa-se que as três bolas estarão aproximadamente no mesmo
lugar no chão, quando as bolas 1 e 3 chegam no chão. Além disso a
velocidade no chão muito liso não diminui significativamente a medida
que a bola avança.
Com um pouco de imaginação pode-se concluir que, se as superfícies
são perfeitamente lisas e nada resiste às quedas, as três bolas chegam
ao mesmo lugar no mesmo instante. Além disso, conclui-se que a bola
na superfície horizontal tem velocidade constante.
Por que os astros não caem e por que se movem?
A segunda experiência é um pouco mais simples.
Solta-se de uma mesma altura duas bolas uma bem mais pesada
do que a outra. Observa-se que as duas caem chegando no chão
aproximadamente no mesmo instante. Esta experiência foi feita
por Galileu lançando bolas da torre de Pisa
É claro que se soltamos uma bola e uma pena, a pena cai muito
mais lentamente do que a bola ou mesmo pode não cair, sendo
levada pelo vento. Mas isso acontece por causa do ar e vento.
Logo não deve ocorrer se estivermos no vácuo. Pode-se concluir,
se usamos um pouco de imaginação, que as bolas caem juntas se
não houver o ar.
Observa-se que uma bola cai, aproximadamente, 5 metros em 1
segundo.
Por que os astros não caem e por que se movem?
As experiências 1 e 2 nos permitem chegar a algumas conclusões que
permitirão que compreendamos os movimentos dos astros.
Para condições ideais, isto é, superfícies perfeitamente lisas e na vácuo,
elas são:
- Os movimentos horizontais e verticais são independentes. De fato, as
3 bolas da experiência 1 chegam ao mesmo ponto no mesmo tempo
percorrendo caminhos diferentes. Assim, para entender o movimento
basta entendê-lo em direções diferentes.
- Os corpos quando são colocados em movimento sem que sejam
atraídos pela gravidade permanecem se movimentando sempre na
mesma direção e com a mesma velocidade. Isso fica claro no
movimento no plano. Esta lei do movimento é conhecida como lei da
inércia.
- Corpos, com pesos diferentes, quando caem variam suas velocidades
igualmente. Isto resulta da experiência 2.
Por que os astros não caem e por que se movem?
Experimentos
0
t1
t2
t2
t3
t3
t
2t
3t
t1
t2
t3
t4
4t
Por que os astros não caem e por que se movem?
Já temos os ingredientes essenciais para começar a entender porque os
astros se movem e não caem.
A idéia é a seguinte. Suponha uma Terra sem atmosfera. Lançamos
uma bola com a velocidade horizontal de 8 quilômetros por segundo.
Depois de 1 segundo ela terá percorrido horizontalmente 8 km. Mas,
como a Terra é redonda, temos que a horizontal se afasta da Terra
estando a 5 metros do solo quando a 8 quilômetros de distância (ver
figura a seguir). Por outro lado, a nossa bola começa a cair ao ser
lançada e, depois de 1 segundo, terá caído 5 metros. Assim ela se
encontra depois de 1 segundo a mesma altura, em relação a Terra, em
que foi lançada.
Esta situação ocorre no segundo seguinte, e assim por diante. Depois de
aproximadamente 1 hora e 20 minutos ele volta à posição inicial. Temos
uma órbita.
Observe-se que foram usadas as conclusões obtidas anteriormente. Isto
é a lei da inércia, a independência do movimento em direções diferentes
e a maneira que os corpos caem.
Por que os astros não caem e por que se movem?
De uma forma mais geral, se um corpo é lançado com velocidade
maior que 8 km/s ele se afasta mais da Terra mas depois retorna
descrevendo uma órbita elíptica. Se a velocidade é maior ainda
ele se afasta indefinidamente da Terra.
A compreensão detalhada do que foi afirmado acima exige
muito mais conhecimento do que os que adquirimos com as
experiências citadas. É necessário conhecer as leis da mecânica e
uma metodologia matemática para analisá-las. Este trabalho foi
feito pelo físico e matemático inglês Isaac Newton, no século
XVII. A partir de seu trabalho somos capazes de analisar com
detalhes não só os movimentos dos astros mas também os
movimento sobre a Terra. Isto porque está implícito no nosso
tratamento do conhecimento da natureza a universalização das
nossas conclusões das experiências, isto é, estas conclusões são
válidas independentemente do lugar onde são feitas.
Por que os astros não caem e por que se movem?
Podemos agora responder de uma forma simples e direta a nossa
questão sobre o movimento e queda dos astros.
- Os atros se movem porque nada os faz parar.
- Os astros não caem porque eles se movem.
É interessante observar que a idéia de lançamento de bola para que
entre em órbita é a mesma usada para lançamento de satélites e sondas
espaciais. Basicamente,o foguete leva o satélite a uma certa altura,
suficiente para que ele esteja fora da atmosfera. Então é disparado um
foguete que o lança em velocidade horizontal. Dependendo desta
velocidade horizontal o satélite entra numa órbita circular, elíptica ou
se separa da Terra, transformando-se numa sonda espacial.
Numa órbita elíptica, outro foguete pode ser disparado quando o
satélite se encontra no seu ponto mais distante da Terra,
horizontalmente. Assim pode-se ter uma órbita circular mais alta.
Por que os astros não caem e por que se movem?
tempo de movimento: 1s
8 km
h
órbita
superfície da Terra
raio da Terra : 6 440 km
Newton - sec. XVII
Leis da mecânica
5m
h
Os astros se movem porque
nada os faz parar.
Os astros não caem porque
eles se movem.
Por que os astros não caem e por que se movem?
Uma das leis da mecânica estabelecida por Newton é a gravitação universal que
afirma que a força de atração de dois corpos é tanto maior como suas massas e
tanto menor o quanto aumenta sua distância recíproca elevada ao quadrado (a
distância multiplicada por ela mesma).
Isto permite entender como funcionam as marés.
Como na figura a seguir, a Lua atrai a parte mais próxima da Terra com maior
intensidade que as partes afastadas. A força no centro da Terra, e forças iguais
em locais diferentes da Terra fazem simplesmente que ela gire em torno da Lua
(ou equivalentemente que a Lua gire em torno da Terra). Se subtrairmos esta
força que mantém a órbita, restam duas forças de sentidos contrários nas partes
da Terra, próximas e afastadas da Lua. Como a água é fluida, ela se desloca no
sentido destas forças, dando origem assim às marés no lados próximo e opostos
em relação a Lua.
A maré lunar é maior do que a solar pois a Lua esta mais próxima da Terra que
o Sol, apesar da massa do Sol ser muito maior do que a da Lua.
A Terra gira e a água tem viscosidade. Assim a maré fica adiantada relação a
Lua o que faz com que a Lua freie a rotação da Terra. Isto faz com em que a
rotação da Terra diminua lentamente.
Por que os astros não caem e por que se movem?
Marés
Por que os astros não caem e por que se movem?
Usando-se a gravitação universal pode-se calcular o efeito gravitacional dos
astros sobre nós. Na tabela, a seguir, temos na primeira coluna o nome dos
astros, na segunda o valor da força exercida pelo astro correspondente. Na
terceira coluna, o efeito equivalente à força exercida com uma mudança de
altura do indivíduo. Isto que dizer que se o astro for tirado do alto da cabeça
da pessoa e ela subir a altura correspondente aos valores dados nesta coluna,
o seu corpo sentirá o mesmo efeito.
Temos que um indivíduo com o Sol sobre sua cabeça sofre força
gravitacional. Se ele não tiver o Sol mas subir um degrau de 17 centímetros,
sofre a mesma força.
Assim, se a Lua faz o cabelo de um indivíduo crescer mais depressa porque
fica sobre sua cabeça na Lua cheia, então o mesmo efeito poderia ser obtido
se o indivíduo se mudasse para três andares acima (11 metros).
O efeito de todos os planetas alinhados é menor do que a variação de 12
metros.
Assim fica difícil jogar a culpa no efeito gravitacional dos planetas pelas
vantagens e prejuízos que eles possam causar nas pessoas, animais ou plantas.
Por que os astros não caem e por que se movem?
Nome
A força dos astros
sobre nós
Força exercida
Equivalência em
(N)
altura
Pessoa com 70 kg
Acima do chão
Terra
687
--Sol
0,000.04
170 mm (17 cm)
Lua
0, 002
11.000 mm (11 m)
Mercúrio
0,000.000.2
1 mm
Vênus
0,000.01
70 mm (7 cm)
Marte
0,000.000.4
2 mm
Júpiter
0,000.02
100 mm (10 cm)
Saturno
0,000.002
10 mm (1 cm)
Urano
0,000.000.05
0,3 mm
Netuno
0,000.000.02
0.1 mm
Plutão 0,000.000.000.003
0
A origem dos planetas
Para entendermos a origem dos planetas, devemos inicialmente ter uma idéia
de como o sistema solar é realmente.
Na realidade, o sistema solar é constituído do Sol e alguns corpos minúsculos,
que são os planetas, distribuídos numa grande área do espaço.
Na tabela, a seguir, damos uma idéia deste imenso vazio em que vivemos. Na
primeira coluna temos o nome do astro, na segunda a distância destes astros ao
Sol, em quilômetros e, entre parênteses, o quanto seria esta distância se o Sol
tivesse apenas 7 cm de diâmetro. Na terceira coluna temos o raio dos astros em
quilômetros e, entre parênteses, na escala para a qual o Sol teria os 7 cm de
raio.
O que se observa é que, nesta escala, o sistema solar ocuparia a área de um
grande parque com uma bola menor do que a de futebol no centro e as outras 9
bolas bem pequenas, algumas do tamanho de grãos de areia, espalhadas pelo
parque.
A estrela mais próxima seria, nesta escala, uma bola como o Sol, mas a 4.000
quilômetros de distância.
A origem dos planetas
O grande vazio em que
vivemos
Nome
Sol
Mercúrio
Vênus
Terra
Marte
Júpiter
Saturno
Urano
Netuno
Plutão
Lua
TABELA
Distância ao Sol
Massa
(km)
(kg)
--60x106
(6 m)
110x106
(10 m)
150x106
(15 m)
230x106
(20 m)
780x106
(80 m)
1.400x106
(140 m)
2.900x106
(290 m)
4.500x106
(450 m)
5.900x106
( 600 m)
Distância a
Terra
4x105
(4 cm)
20.000.000x1023
3x1023
49x1023
60x1023
6x1023
19.000x1023
5.700x1023
870x1023
1.030x1023
1x1022
7x1021
Raio
Densidade
(km)
(g/cm3)
700.000
1,4
(70 mm)
2.400
5.4
(0.2 mm)
6.000
5.2
(0.6 mm)
6.400
5.5
(0.6 mm)
3.400
4.0
(0.3 mm)
71.000
1.3
(7 mm)
60.000
0.7
(6 mm)
25.000
1.3
(3 mm)
24.000
1.6
(2 mm)
1.400
2.0
(0.1 mm)
1.700
(0.1 mm)
3.3
A origem dos planetas
De uma forma bem esquemática, a origem do sistema solar pode
ser assim descrita.
Uma grande nuvem de gás e poeira se forma e adquire uma
densidade suficiente para que ela comece a se contrair. Esta
nuvem tem movimentos internos variados mas, que somados, dão
a ela uma pequena rotação. Quando ela se contrai, a sua rotação
aumenta, da mesma forma que a velocidade de rotação de uma
bailarina aumenta quando ela coloca os braços junto ao corpo. A
rotação, agora bem maior, faz com que o material da nuvem se
concentre num disco. O material neste disco é suficientemente
denso para que partes do disco se atraiam formando pequenos
corpos. Estes pequenos corpos, por sua vez, se atraem dando
origem aos planetas.
Este processo sugere que a formação de sistemas planetários não
deve ser muito raro.
A origem dos planetas
O papel da rotação
A origem dos planetas
A figura a seguir resume o processo de formação de um sistema
planetário. A nuvem de gás se contrai e devido a sua rotação
concentra o material num disco. Este material vai se
aglutinando progressivamente, dando origem aos planetas.
A origem dos planetas
A idéia geral
A origem dos planetas
Apesar da idéia geral relativamente simples, a descrição detalhada da
formação de um sistema planetário apresenta inúmeras complicações.
Nas figuras a seguir damos uma idéia de algumas delas.
Observa-se que os pequenos corpos formados no disco tem órbitas
variadas de modo que eles se chocam constantemente. Se as
velocidades de colisão são muito grandes, eles voltam a se fragmentar,
mas se são pequenas, eles se agregam. Assim o sistema de crescimento
dos planetas é muito complexo.
Outro ponto a ser considerado é que o gás que forma a nuvem inicial é
varrido do sistema planetário num certo estágio de sua formação. Isto
ocorre no momento em que a estrela central que se forma junto com o
sistema ejeta grande quantidade de matéria gerando um grande vento.
Ainda, deve-se considerar que a temperatura do disco é tanto maior o
quanto mais próximo se está da estrela. Assim os planetas internos
são compostos de elemento com maior temperatura de evaporação,
como os metais, e os externos com menores temperaturas, como os
gases.
A origem dos planetas
Alguns
detalhes
A origem dos planetas
Como se deduz do processo de formação de sistemas planetários,
eles não devem ser muito raros. Assim é de se esperar que
possamos observálos com frequencia.
Existe no entanto uma dificuldade importante que impede esta
observação. De fato, no grande vazio que são os sistemas
planetários, a luz emitida pela estrela central ofusca
completamente a refletida pelos planetas.
Assim a observação atual dos sistemas planetários é feita de
forma indireta. Baseia-se num princípio do movimento das
órbitas. Ele consiste no fato de que as órbitas de dois corpos,
quando as vemos de fora, se desenvolvem em torno de um ponto
comum que fica fixo no espaço. Assim se vemos uma estrela com
um planeta, ela deve se mover em torno deste ponto (ver figura a
seguir). É este movimento que podemos observar, algumas vezes.
A origem dos planetas
Detecção de novos planetas
A origem dos planetas
O movimento da estrela é ainda observado de forma indireta. Ele é
baseado numa propriedade das ondas em movimento conhecida como
efeito Doppler. Essencialmente ele consiste no fato de um observador
que vê uma fonte de ondas se movendo, vê as ondas mais apertadas
(menor comprimento de onda) se elas se aproximam e mais alargadas
se elas se afastam. Pode-se observar isto quando um carro passa por
nós a alta velocidade. Ao se aproximar o barulho é mais agudo e ao se
afastar mais grave. Assim no caso da luz das estrelas elas são mais
azuis quando se aproximam de nós e mais vermelhas quando se
afastam. Esta variação de cor da estrela nos informa se ela esta
girando em torno de um ponto fixo, e portanto se tem um planeta.
Na figura a seguir temos a variação da velocidade do movimento de
uma estrela com o tempo. Na outra, temos uma lista de planetas
descobertos e sua posição relativa aos do sistema solar.
O método descrito de detecção de planetas apresentam uma série de
limitações. Assim, ele permite apenas a detecção de planetas com a
massa de Júpiter, muito próximos às estrelas.
A origem dos planetas
Detecta planetas gigantes
próximos de estrelas
A origem dos planetas
Um astro, cuja origem especialmente desperta a curiosidade é a Lua.
Acredita-se que ela surgiu da colisão, com a Terra, de um planeta com
aproximadamente o tamanho de Marte. Isto deve ter ocorrido na
época em que a Terra se formou, ou seja, a 4.5 bilhões de anos.
Este choque causou uma ejeção de uma grande quantidade de matéria
que ficou em órbita da Terra e então se aglutinou dando origem à Lua
(ver figuras a seguir).
Como uma colisão com um objeto tão grande é pouco provável, podese supor que a formação de uma satélite como a Lua é um evento raro.
De fato a Lua é, em relação a seu planeta, o maior satélite do sistema
solar e, provavelmente, o único a se formar nestas condições.
Um fato interessante sobre a Lua, descoberto recentemente, é que ela
estabiliza o eixo de rotação da Terra. Assim se ela não existisse, a
temperatura das várias regiões da Terra variariam numa escala de
poucos milhões de anos, o que seria extremamente desfavorável à
evolução da vida.
A origem dos planetas
Origem da Lua - excepcional
A Lua estabiliza o eixo de rotação da Terra
As grandes catástrofes passadas e futuras
A formação da Lua e a evolução da vida na Terra nos conduzem
a uma outra questão que é a queda de corpos celestes na Terra.
Para tanto vejamos com mais detalhe como é o sistema na região
próxima à Terra.
Entre Marte e Júpiter temos o cinturão de asteróides. A maioria
dos asteróides fica nesta região mas existem alguns cujas órbitas
cruzam a órbita da Terra (ver figura a seguir). Estes corpos
podem, eventualmente, chocar com a Terra.
É preciso entender que os asteróides que observamos são apenas
uma pequena parte destes objetos e são os maiores, pois os
menores são muito fracos para que possamos detectá-los.
As grandes catástrofes passadas e futuras
As grandes catástrofes passadas e futuras
Alguns poucos asteróides já foram observados de perto por
sondas espaciais. A seguir mostramos imagens de dois deles.
Os maiores tamanhos são dados abaixo das figuras. Deve-se
observar que eles apresentam um grande número de crateras, o
que confirma o grande número de asteróides menores e o grande
número de colisões que ocorre no cinturão.
Vale a pena destacar que o asteróide Ida apresenta um satélite,
Dactyl, muito menor do que o asteróide. Possivelmente este
satélite é um fragmento de Ida arrancado por uma colisão e que
ficou em órbita no asteróide.
As grandes catástrofes passadas e futuras
Gaspra - 20 km
Ida - 50 km
Dactyl - 1,5 km
As grandes catástrofes passadas e futuras
Como vimos, existem asteróides que cruzam a órbita da Terra.
Então, da mesma forma que os asteróides chocam entre eles,
podem se chocar com a Terra.
Isto pode ser constatado, observando as crateras existentes na
Terra. Apesar da erosão devida aos ventos e às chuvas, muitas
podem ser encontradas. Na figura a seguir são mostradas várias
crateras terrestres com seus respectivos diâmetros.
As grandes catástrofes passadas e futuras
Crateras terrestres
100 km - Canadá
A. 10 km - Gana
B. 2 km - Nanibia
C. 40 km - Afeganistão
D. 30 km - Canadá
E. milhares de anos - Chile
As grandes catástrofes passadas e futuras
Surgem então as perguntas:
Como as crateras se formam?
Qual a relação entre seu tamanho e o corpo que deu origem a
ela?
A figura a seguir descreve como é formada uma cratera na
Lua. São também apresentadas as relações entre o tamanho
dos meteoritos e as crateras por ele geradas, também para a
Lua.
Para o caso da Terra estes dados não são muito diferentes. No
entanto, temos que ter em mente que eles dão apenas uma idéia
das grandezas envolvidas, e que elas dependem de inúmeros
fatores que devem ser considerados caso a caso.
As grandes catástrofes passadas e futuras
Tamanho da cratera
10 vezes o diâmetro do
meteorito.
Profundidade da cratera
2 vezes o diâmetro do
meteorito
As grandes catástrofes passadas e futuras
Um dos impactos mais famosos que ocorreu na Terra foi
certamente o que possivelmente causou a extinção dos
dinossauros. Os dados sobre este impacto se encontram a seguir.
Uma imagem, obtida de forma indireta, da cratera resultante
deste impacto é mostrada na figura seguir. Como esta cratera se
encontra no mar, esta imagem é feita a partir das pequenas
variações da gravidade que a distribuição de matéria, que
constitui a cratera, faz aparecer em parelhos extremamente
sensíveis chamados gravímetros.
Ao fundo temos uma representação artística da colisão do
asteróide com a Terra.
As grandes catástrofes passadas e futuras
65 milhões de anos
diâmetro 10 km
cratera 200 km
100 milhões de megatons
Chicxulub - México
extinção do dinossauros
As grandes catástrofes passadas e futuras
O filme a seguir mostra a queda de um meteorito, próximo a
New York. Esta queda ocorreu na noite de 9 de outubro de
1992. O meteorito cruzou 700 km no céu americano em 40
segundos e foi filmado.
Observe-se como ele se fragmentou em inúmeros pedaços
(calcula-se mais de 70 pedaços). Isto se deve a grande pressão
da atmosfera sobre o meteorito. Ele chegou a atmosfera da
Terra com a velocidade de 15 km/s e chegou a o chão com
velocidade bem menor pois foi drasticamente freiado pela
atmosfera.
Um pedaço de 12 kg caiu sobre um carro estacionado na
garagem. Tratava-se de uma pedra coberta de uma camada de
1 mm de material escuro, que se formou pela fusão do material
do meteorito, devido ao calor liberado pelo atrito com a
atmosfera.
As grandes catástrofes passadas e futuras
As grandes catástrofes passadas e futuras
Ao relatarmos as quedas acima, fica uma pergunta natural. Qual é o
perigo de sofrermos um grande impacto que destrua parcial ou
totalmente a Terra?
A resposta é dada em parte pela figura seguinte. Este gráfico tem que
ser olhado com cuidado. Em primeiro lugar, em cada eixo, cada traço
é 10 vezes maior do que o anterior. O gráfico deve ser olhado da
seguinte maneira. Cada ponto da reta diagonal vermelha corresponde,
no eixo vertical, ao tempo médio em que deve ocorrer um impacto que
libere energia equivalente ao valor correspondente em toneladas de
TNT, dadas no eixo horizontal. Assim, um impacto que cause uma
catástrofe global que libere uma energia equivalente a um milhão de
toneladas de TNT deve ocorrer em alguns milhões de anos.
É bom observar também que, como acontece com a maioria dos
meteoritos menores, seu efeito ocorre na alta atmosfera, não causando
maiores danos na Terra.
Concluímos que a possibilidade de sermos afetados por uma queda de
meteorito é bem pequena.
As grandes catástrofes passadas e futuras
As grandes catástrofes passadas e futuras
Podemos ainda continuar preocupados com o que pode ocorrer.
Para conhecer os perigos reais que podem existir de quedas,
existe um serviço mantido pela NASA que visa observar, dentro
do possível, todos os asteróides que se aproximam da Terra e
calcular suas trajetórias futuras, para prever futuros impactos.
Estas informações são de domínio público e podem ser obtidos
via internet no endereço apresentado a seguir.
O caminho do acesso esta colocado e deve ser seguido para que
se chegue a uma informação clara.
Pode-se ver então que, apesar de algumas noticias alarmistas
que aprecem as vezes na imprensa, as possibilidades de impacto
conhecido são extremamente pequenas.
As grandes catástrofes passadas e futuras
PARA SABER O FUTURO!!!
http://impact.arc.nasa.gov/index.html
NEO catalog
List of potencially hazardous asteroids (PHAs)
Impact risks
(Current Impact Risks)
Um texto complementar ao apresentado aqui, algumas vezes
usando alguns conceitos e conhecimentos um pouco mais
elaborados, encontra-se incorporado a este CD. O seu título é
“Órbitas no Sistema Solar”.
FIM