14 Universo: uma breve apresentação
Propaganda
2ª Edição D I S C I P L I N A Ciências da Natureza e Realidade Universo: uma breve apresentação Autores Franklin Nelson da Cruz Gilvan Luiz Borba Luiz Roberto Diz de Abreu aula 14 CI_NAT_A14_RAAR_250510.indd S11 25/05/10 10:15 Governo Federal Presidente da República Luiz Inácio Lula da Silva Ministro da Educação Fernando Haddad Secretário de Educação a Distância Ronaldo Motta Reitor José Ivonildo do Rêgo Vice-Reitor Nilsen Carvalho Fernandes de Oliveira Filho Secretária de Educação a Distância Vera Lucia do Amaral Secretaria de Educação a Distância (SEDIS) Coordenadora da Produção dos Materiais Célia Maria de Araújo Projeto Gráfico Ivana Lima Revisores de Estrutura e Linguagem Eugenio Tavares Borges Marcos Aurélio Felipe Diagramadores Bruno Cruz de Oliveira Maurício da Silva Oliveira Júnior Mariana Araújo Brito Thaisa Maria Simplício Lemos Imagens Utilizadas Banco de Imagens Sedis (Secretaria de Educação a Distância) - UFRN MasterClips IMSI MasterClips Collection, 1895 Francisco Blvd, East, San Rafael, CA 94901,USA. Pedro Daniel Meirelles Ferreira MasterFile – www.masterfile.cpom Tatyana Mabel Nobre Barbosa MorgueFile – www.morguefile.com Revisoras de Língua Portuguesa Janaina Tomaz Capistrano Sandra Cristinne Xavier da Câmara Ilustradora Carolina Costa Pixel Perfect Digital – www.pixelperfectdigital.com FreeImages – www.freeimages.co.uk FreeFoto.com – www.freefoto.com Free Pictures Photos – www.fre-pictures-photos.com BigFoto – www.bigfoto.com FreeStockPhotos.com – www.freestockphotos.com OneOddDude.net – www.oneodddude.net Editoração de Imagens Adauto Harley Carolina Costa Divisão de Serviços Técnicos Catalogação da publicação na Fonte. UFRN/Biblioteca Central “Zila Mamede” Cruz, Franklin Nelson da. Ciências da natureza e realidade: interdisciplinar/ Franklin Nelson, Gilvan Luiz Borba, Luiz Roberto Diz de Abreu. – Natal, RN: EDUFRN Editora da UFRN, 2005. 348 p. ISBN 85-7273-285-3 1. Meio Ambiente. 2. Terra. 3. Universo. 4. Natureza. 5. Seca. I. Borba, Gilvan Luiz. II. Abreu, Luiz Roberto Diz de. III. Título. RN/UF/BCZM 2005/45 CDD 574.5 CDU 504 Copyright © 2007 Todos os direitos reservados. Nenhuma parte deste material pode ser utilizada ou reproduzida sem a autorização expressa da UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte. CI_NAT_A14_RAAR_250510.indd S12 25/05/10 10:15 Apresentação D urante todo o nosso curso de Ciências da Natureza e Realidade, abordamos o estudo do ambiente em que vivemos, ora olhando o que mais proximamente nos cerca, ora as realidades mais distantes. Nessa penúltima aula do curso, enfocaremos o tema mais geral de todos os que até agora tratamos: a origem do universo. Aqui, mais uma vez, você se deparará com termos e palavras que estão na mídia, como “buracos negros”, “super-novas”, “expansão do universo”, “big-bang”, telescópio espacial Hubble, entre outros. E, como tem sido característica de nossas aulas, não pretendemos esgotar o tema, mas apenas mostrar um quadro geral do que sabemos sobre o Universo. É importante lembrar que alguns pontos, quando pertinentes, serão aprofundados, e outros, quando aguçarem sua curiosidade, podem ser encontrados com mais profundidade em textos específicos e em filmes técnicos. Objetivos Ao final desta aula, você deverá ser capaz de: 1 2 3 4 2ª Edição CI_NAT_A14_RAAR_250510.indd S21 descrever o sistema solar e suas origens; explicar qual a origem do Universo segundo os modelos cosmológicos atuais; expor sobre os avanços tecnológicos relacionados à pesquisa espacial e seu significado para a sociedade atual; entender as escalas temporais e espaciais relacionas com o Universo. Aula14 Ciências da Natureza e Realidade 1 25/05/10 10:15 Nós e o Universo N <http://www.solarviews.com/eng/solarsys.htm>. Fonte: The Solar Systems. Disponível em: osso sistema solar, como mostrado esquematicamente na Figura 1, é formado por uma estrela de porte médio, o Sol, e pelos planetas: Mercúrio, Vênus, Terra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano, Netuno e Plutão. Juntamente com os satélites naturais e artificiais que circundam esses planetas (Mercúrio e Vênus são os únicos que não possuem satélite e a Terra é o único que possui satélites artificiais), temos ainda centenas de cometas, um cinturão de asteróides (este situado entre Marte e Júpiter) e meteoróides (meteoros e meteoritos), além, é claro, do próprio meio interplanetário, rico em campos e partículas. Figura 1 – Uma visão estilizada dos planetas que formam nosso sistema solar, mostrando o curioso comportamento do eixo de rotação de cada uma deles. Sua origem remonta há pouco mais de 5 bilhões de anos, quando na periferia da Via Láctea uma nuvem gasosa formada por, entre outras coisas, restos de explosões estelares do tipo super-nova começa a se condensar, isso acontece ao mesmo tempo em que inicia o processo de rotação em torno de um eixo. Esse processo, alimentado pela força gravitacional leva, por um lado, à concentração de massa e, por outro, ao aumento de temperatura. Desse sistema turbulento e catastrófico surge inicialmente o Sol. Depois, a partir de restos de matéria que ficaram presos em torno da estrela, vão surgindo aglomerados que formarão os planetas. Aglomerados esses que não possuem massa suficiente para se transformarem em estrelas, mas velocidades suficientes para permanecer em órbita em torno das estrelas nascentes. Foi assim que surgiu o Sol e todo o sistema solar e é assim que, ainda hoje, nossos telescópios observam o nascimento de estrelas em vastos berçários estelares, como as nuvens gasosas na nebulosa de Órion. Relembrando um pouco sobre nosso planeta Terra, sabemos que é um pequeno corpo celeste se movendo em um sistema planetário periférico, o sistema solar, situado em um dos braços de uma das inúmeras galáxias que existem no Universo, a Via Láctea, a 2/3 de seu centro. A estrela mais próxima do Sol, nossa vizinha, é a Alfa da Constelação do Centauro, que se situa a uma distância de 4.3 anos-luz (ano-luz é unidade de distância e não de tempo). É daqui que olhamos o Universo, na heróica tentativa de explicá-lo e também a nós mesmos. Quando, em uma noite escura e sem nuvens, olhamos para o céu, o primeiro sentimento que nos envolve é o de admiração. Mas, o que de fato estamos vendo é apenas uma pequena fração 2 Aula 14 Ciências da Natureza e Realidade CI_NAT_A14_RAAR_250510.indd S22 2ª Edição 25/05/10 10:15 do Universo, algo da ordem de 3000 estrelas! E isso é muito pouco, pois na nossa galáxia existem aproximadamente 400.000.000.000 (quatrocentos bilhões) desses objetos celestes. A palavra universo vem da junção de dois termos do latim, como ocorreu com filosofia, lembra da primeira aula? Ela é formada por unus, que significa um, e por versus, particípio passado de vertere, que significa gira. Portanto, Universo quer dizer “girar tudo junto”. Atualmente, essa palavra tem uma conotação um pouco diferente: “tudo o que existe”. Assim, tanto nós como as estrelas que observamos no céu noturno, bem como o pequeno inseto que passa desapercebido ou a grande montanha que nos desafia faz parte do Universo. No entanto, quando falamos em estudar o Universo, estamos nos referindo a uma abordagem astronômica e cosmológica. Assim, trataremos o Universo como sendo composto de estrelas, planetas e satélites, outros objetos celestes massivos, como cometas, nuvens de material interestelar etc. Em relação à nomenclatura, um conjunto de estrelas que forma, segundo nossa imaginação, uma figura qualquer é chamado de constelação. Por exemplo, o Cruzeiro do Sul é uma constelação. Ele é uma constelação aos nossos olhos, mas nem todos os povos enxergam nesse conjunto a forma de outros objetos ou nem o observa. Atividade 1 Procure localizar, no céu, o Cruzeiro do Sul. Você conhece alguma outra constelação, por exemplo, as Três Marias? Pois é, elas correspondem, fazem parte de uma constelação identificada pelos gregos como Órion, o caçador. Na verdade, elas formam o cinturão de Órion. sua resposta Escreva no espaço a seguir o resultado de sua observação do céu. Você pode também fazer uma busca na Internet e encontrar belas imagens do céu e a descrição de algumas constelações. 2ª Edição CI_NAT_A14_RAAR_250510.indd S23 Aula14 Ciências da Natureza e Realidade 3 25/05/10 10:15 Por outro lado, as estrelas formam gigantescos aglomerados chamados de galáxias, e os planetas, com seus satélites, ao orbitarem em torno de uma estrela, formam os sistemas planetários. Até meados dos anos 90, só conhecíamos um sistema planetário: o nosso. Hoje, graças aos sofisticados satélites e vigorosos cálculos matemáticos, já identificamos mais de uma dezena de sistemas planetários em nossa galáxia. Desse modo, podemos inclusive indicar nosso endereço no Universo, o qual seria: moramos em um planeta chamado Terra, que pertence a um sistema planetário chamado Solar, que faz parte de uma galáxia denominada Via Láctea. Assim, como será mostrado na Figura 2, dissemos como somos, indicamos o nosso endereço e o colocamos em duas naves chamadas Pioneer 10 e Pioneer 11. Posição relativa do sol em relação ao centro da via lactea <http://www.nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/tmp/1972-012A.html>. Nosso sol Equivalente binário de um número decimal Fonte: NASA – National Aeronautics and Space Administration. Disponível em: Transição Hiperfina do Hidrogênio neutro Silhueta dos seres que enviaram a sonda Planeta de onde a sonda foi lançada Figura 2 – Placa de ouro enviada pela NASA visando comunicar a eventuais culturas extraterrestres quem somos, o que sabemos e onde moramos. Como gostamos de dizer não só quem somos e onde moramos, mas também o que fazemos, em outras duas espaçonaves, lançadas pela NASA, as sondas Voyager 1 e Voyager 2, foram colocados discos com sons, músicas e línguas que permitiriam identificar nossos hábitos e costumes. Esses veículos, com essas importantes informações, foram enviados em direção ao espaço exterior do nosso sistema planetário, mas não sem antes passarem por 4 Aula 14 Ciências da Natureza e Realidade CI_NAT_A14_RAAR_250510.indd S24 2ª Edição 25/05/10 10:15 quase todos os nossos planetas, fotografando-os e fazendo sondagens que nos permitiram um entendimento melhor da evolução de cada um deles, bem como de nosso sistema. Se, por um lado, o envio desse recado indica que, de alguma forma, reconhecemos a possibilidade de não estarmos sozinhos no Universo, por outro, até agora não temos nenhuma prova objetiva de que não estamos sós. Seguindo os caminhos das sondas Voyageres, foram lançadas duas naves da série Pioneer: a dez e a onze. A 10, que foi lançada pela NASA em março de 1972, mandou sua última mensagem em 31 de março de 1997, quando se encontrava a uma distância da ordem de 70 vezes a distância da Terra ao Sol, dela não mais tivemos notícias. Já a 11, lançada em 5 de abril de 1973, mandou sua última mensagem em novembro de 1995, momento em que estava se dirigindo para a constelação de Áquila, onde deverá chegar daqui a 4 milhões de anos. Atividade 2 2 1. 2ª Edição CI_NAT_A14_RAAR_250510.indd S25 Posteriormente, tente produzir uma mensagem cifrada como a da fi gura, indicando de onde você é e o que você faz. (se você é professor, lembramos que esse tipo de atividade pode ser desenvolvida em sala de aula e permite a discussão de temas interessantes, como as formas de comunicação e os registros históricos, vistos na primeira aula – Pinturas rupestres – e até outras culturas como a do Egito Antigo, a qual utilizava uma linguagem cheia de figuras, chamada de hieróglifos). Na próxima aula, você receberá a resposta dessa pergunta com a interpretação que os cientistas que fizeram essa figura deram a cada elemento dela. sua resposta 1 Antes de prosseguir, tente decifrar algumas das informações contidas nos elementos gráficos representados na Figura 2 e anote as suas descobertas. Aula14 Ciências da Natureza e Realidade 5 25/05/10 10:15 sua resposta 2. No dia 05 de janeiro de 2005, a Voyager 1 completou 10.000 (dez mil) dias de viagem. Essa marca também foi alcançada no dia 21 de janeiro pela Voyager 2. Assim, após 27 anos no espaço, a primeira já percorreu mais de 14 bilhões de quilômetros e se encontrava a 94 vezes a distância da Terra ao Sol, enquanto a segunda se encontrava a 11 bilhões de quilômetros da Terra, ambas caminhando em direção ao espaço interestelar, para longe de nosso sistema solar, sendo agora os objetos humanos mais distantes de casa. Essas sondas espaciais ainda possuem energia para continuar documentando sua viagem até o ano 2025, quando estarão a mais de 26 bilhões de quilômetros da Terra. Ainda assim, mesmo sem energia, continuarão vagando pelo espaço (lembre do experimento de Galileu, que foi assunto de nossa primeira aula) e, se não sofrerem nenhuma colisão, só encontrarão a estrela mais próxima em suas trajetórias em 40.000 anos, a qual será uma estrela da constelação da Girafa. Em algum momento, daqui a 296 mil anos, a Voyager 2 passará perto se Sírius, a estrela mais brilhante de nosso céu noturno (o objeto mais brilhante depois da Lua é Vênus, mas este é um planeta). E, nesse momento, ela estará a uma distância tão grande, que um sinal enviado por ela para a Terra levaria 4,3 anos para ser recebido por uma das antenas dos radiotelescópios instalados em nosso solo. 6 Aula 14 Ciências da Natureza e Realidade CI_NAT_A14_RAAR_250510.indd S26 2ª Edição 25/05/10 10:15 Atividade 3 sua resposta Como você sabe, a luz gasta pouco mais de 8,0 minutos para se propagar do Sol até a Terra. Quanto tempo levaria uma mensagem para vir da Voyager até a Terra quando ela se encontrava a uma distância equivalente a 18 vezes a distância do nosso planeta ao Sol? E, em 2025, quanto tempo gastará a mensagem para chegar até nós? De toda essa nossa conversa anterior, deve ter ficado em você a idéia de que o Universo é muito grande, que contém tudo o que existe (espaço, tempo, matéria e energia). Nele, como nos átomos, existe “mais vazio que matéria”, isto é, as distâncias interestelares (entre estrelas) e intergalácticas (entre galáxias) são da ordem de centenas ou milhares de anos-luz. Como você já viu, mesmo uma nave espacial, viajando a mais de vinte mil de quilômetros por hora, levaria alguns milênios para chegar à estrela mais próxima. No entanto, com a vasta informação que colhemos até agora, através das sondas como a Voyager ou a Pioneer, e por imagens geradas pelo telescópio espacial Hubble, o COBE (satélite Explorador da Radiação Cósmica de Fundo, lançado em novembro de 1989 pela NASA) e mais recentemente pelas Cassini-Huygens (essas naves atingiram o planeta Saturno e sua lua Titã em julho de 2004), podemos descrever com relativa segurança como se deu a evolução de nosso sistema solar e do Universo. Terminaremos esse tópico mostrando na Figura 3 o que seria visualmente nosso lugar na Via Láctea. O Sistema Solar se encontra em um dos braços da espiral, a aproximadamente 30.000 anos-luz do centro e, 20.000 anos-luz da borda. 2ª Edição CI_NAT_A14_RAAR_250510.indd S27 Aula14 Ciências da Natureza e Realidade 7 25/05/10 10:15 Fonte: ASTRONOMIA. La Vía Láctea. Disponível em: <http:www.astromia.com/universo/vialactea.htm>. Figura 3 – Nossa posição dentro da Via Láctea. A Via Láctea tem aproximadamente quatrocentos bilhões de estrelas, incluindo o Sol. Dessas, em uma noite de céu sem nuvens e sem lua, em condições de pouca luminosidade (comum, por exemplo, em sítios e fazendas de nosso sertão), podemos contar no máximo 3.000 (na verdade, só com muito treino chegamos a contar um terço desse valor). A Via Láctea – nome dado pelos gregos, por imaginarem que o rastro de estrelas no nosso céu se parecia com um caminho leitoso – tem uma dimensão fabulosa: algo como 100.000 anos-luz de diâmetro. Atividade 4 Agora você já sabe: um ano-luz é uma medida de distância muito usada em astronomia e corresponde ao espaço percorrido pela luz no vácuo ao se propagar durante um ano. Sabendo que a luz no vácuo se desloca com uma velocidade de aproximadamente 300.000 km/s e supondo que a distância entre Natal e São Paulo seja de 3.000 km, quantas vezes um raio de luz faria esse percurso em um segundo? 8 Aula 14 Ciências da Natureza e Realidade CI_NAT_A14_RAAR_250510.indd S28 2ª Edição 25/05/10 10:15 Hoje, nosso país conta com uma clara política para o espaço, coordenada pela Agência Espacial Brasileira (AEB) e a pesquisa espacial também é desenvolvida em Universidades como a UFRN, a UFPB, entre outras. O Brasil se tornou uma potência espacial e conta com satélites, foguetes civis e militares de fabricação nacional, fazendo parte do restrito grupo de países a dominar tal tecnologia. Talvez você não tenha ainda percebido, mas possuímos um vínculo histórico com a pesquisa e exploração espacial. Já em 1638 durante o processo de ocupação holandesa, o conde Mauricio de Nassau traz a Pernambuco o cientista alemão Georg Markgrave, o qual se tornaria o primeiro astrônomo da América Latina, fazendo memorável observação de um eclipse em 1640. O tempo passa e em 1825 pouco tempo depois do início do uso militar de foguetes, o Brasil começa a fazer suas próprias experiências a partir da aquisição de alguns modelos do tipo “a Congreve” e, ao que se sabe, em 1827 ocorreu o primeiro uso militar desses artefatos em solo brasileiro, lá na cidade de Bagé no Rio Grande do Sul. Naquela ocasião também iria ocorrer o primeiro acidente “espacial” com vítima. O cap. Siegner, responsável pelo lançamento, acaba por ser atingido por estilhaços, devido à explosão do foguete no momento do lançamento. Uma nota importante é que tal foguete foi de fabricação nacional (vide sobre esse assunto, por exemplo, o texto Foguetes no Brasil: do foguete Congreve ao VLS 1ª parte http://www.defesa.ufjf.br/fts/Foguetes%20no%20Brasil%201.pdf). Nessa mesma época (1827), agindo em outra direção, Dom Pedro I criou no Rio de Janeiro o Observatório Nacional. E, por muito tempo, vamos conviver com a pesquisa em foguetes direcionada principalmente para fins militares e a pesquisa do espaço, para fins pacíficos, ocorrendo no interior dos institutos de Pesquisa. E, de fato, esses interesses começam a confluir na década de 60 com a criação do Centro Técnico da Aeronáutica (CTA) pelo lado militar e do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) pelo lado civil. Geograficamente vizinhas estas duas instituições iniciaram um vasto programa de pesquisa científica visando o espaço, em uma parceria em que de um lado tinha-se o desenvolvimento dos veículos e do outro, das cargas úteis científicas que seriam lançadas a bordo desses veículos. Um dos grandes frutos desse trabalho, junto com o CTA, foi o desenvolvimento da série de foguetes SONDA, e da parte do INPE um completo estudo da dinâmica e morfologia da alta atmosfera equatorial e de baixa latitude, isto é, sobre o território nacional. 2ª Edição CI_NAT_A14_RAAR_250510.indd S29 Aula14 Ciências da Natureza e Realidade 9 25/05/10 10:15 Origens do Universo Estamos agora diante da grande pergunta, e que, como não poderia deixar de ser, abre espaço para as mais diversas indagações. Vejamos no esquema a seguir: Dos caminhos indicados anteriormente tem um que se apresenta, do ponto de vista científico, bastante promissor: SIM, HOUVE UM COMEÇO, o qual se deu A PARTIR DE ALGO. Existe atualmente uma teoria muito forte que trata da origem do Universo, segundo essa lógica. A teoria do Big-Bang (grande explosão), proposta pelo físico russo, naturalizado americano, George Gamow (1934-1956), afirma que o Universo surgiu de uma grande explosão. A força dessa teoria está em que suas previsões sobre algumas das características fundamentais do Universo têm sido comprovadas a partir de cuidadosas medidas de velocidade das galáxias, temperaturas do meio intergaláctico e sínteses de substâncias químicas e emissões de sinais de radiofreqüências realizadas com o auxílio de instrumentos colocados em satélites. Segundo essa teoria, no início, toda a matéria do Universo estava contida em um minúsculo ponto, tão pequeno quanto se possa imaginar, e tudo era energia, não existindo nem espaço nem tempo. Assim, em algum instante, há aproximadamente 15 bilhões de anos, esse ponto explodiu liberando quantidades imensas de energia, a temperaturas de milhões de 10 Aula 14 Ciências da Natureza e Realidade CI_NAT_A14_RAAR_250510.indd S210 2ª Edição 25/05/10 10:15 graus. Não sabemos o motivo de tal explosão nem as condições do Universo naquele instante, mas sabemos que milésimos de segundo após a explosão já existiam elétrons e anti-elétrons (pósitrons). Essa história é mostrada no gráfico a seguir: Universo em expansão Início das galáxias Matéria e radiação se conjugam Átomo de hidrogênio Era eletro fraco quarks/antquarks equilíbrio matéria/anti-matéria Era de Planck Big-bang Na representação gráfica mostrada anteriormente, temos os instantes iniciais do Universo, conhecido com era de Planck (esse nome é em homenagem ao famoso Físico Alemão, pai da teoria quântica moderna), intervalo de tempo entre a explosão e o início do comportamento do Universo explicável pelas leis da Física (essa era durou 10-43segundos). Depois, no primeiro minuto, temos a formação do hidrogênio, e, assim por diante, até os dias atuais. Um Universo de números T alvez a melhor forma de nossa mente se apropriar das imagens relativas ao Universo seja através dos números e de comparações numéricas. Observe: se chamamos a distância da Terra ao Sol de 1 UA (uma unidade astronômica), então nossa distância ao belo planeta dos anéis (Saturno) seria de 10 UA e ao limite de nosso sistema seria de 39 UA. Ainda nessa escala, a distância entre o Sol e Alfa de Centauro seria 20.000 vezes a distância Sol-Saturno, ou seja, de 200.000 UA. E, à medida que nos afastamos, maiores se tornam os números com os quais representamos o Universo. Existem aproximadamente 50 estrelas brilhando a uma distância da ordem de 17 anosluz da Terra. Se continuarmos nessa viagem, começaremos a encontrar as galáxias, também conhecidas como “imensos Universos-ilhas”, muitas das quais bem maiores que a nossa. E, o que é mais extraordinário, já foram identificadas mais de 100 bilhões de galáxias. 2ª Edição CI_NAT_A14_RAAR_250510.indd S211 Aula14 Ciências da Natureza e Realidade 11 25/05/10 10:15 Fonte: LAROCCO, Chris; ROTHSTEIN, Blair. The big bang: it sure was big. Disponível em: <http://www.umich.edu/~gs265/bigbang.htm>. Figura 4 – Uma visão de uma pequena fração do Universo, obtida pelo telescópio espacial Hubble, mostrando centenas de Galáxias. Você poderia agora estar se perguntando: Qual deve ser o tamanho de um Universo capaz de conter mais de 100 bilhões de galáxias, cada uma com mais de cem bilhões de estrelas, afastadas umas das outras por mais de 4 trilhões de quilômetros? Para responder a tal pergunta, precisaremos solucionar uma outra questão tão difícil quanto aquela: Qual seria, então, a idade do Universo? Como você já sabe, o Universo deve ter em torno de 15 bilhões de anos. O modo de se fazer essa conta começa com a estimativa de sua temperatura. Uma visão bastante simplificada do problema seria: se nos aproximamos de um local onde foi feito uma fogueira, pela temperatura do local podemos estimar se ela é recente ou não. Assim, a temperatura pode ser usada para determinar a idade da fogueira, dentro de um certo intervalo de tempo. Uma outra informação importante, e que complementa esta, é que os corpos a uma dada temperatura, de qualquer que seja, desde que não seja zero absoluto, emite radiação. Seu comprimento de onda é proporcional à temperatura. Assim, conhecendo a temperatura inicial de um dado objeto, sabendo quanto tempo ele leva para esfriar, medimos sua temperatura e então podemos dizer quando ele começou seu resfriamento. Podemos ainda determinar a temperatura de corpos distantes, como as estrelas, medindo seu espectro, ou seja, o comprimento de onda da radiação emitida por ele. É possível estimar a temperatura inicial do Universo imaginando que no instante da explosão ele começou a criar as partículas elementares. Para que isso ocorresse, era necessário temperaturas da ordem de 10.000,000,000,000K. Por outro lado, em 1964, dois astrônomos, Arno Penzias e Robert Wilson, trabalhando nos EUA, detectaram microondas oriundas do espaço exterior, descobrindo assim um ruído de origem extraterrestre. Posteriormente, descobriu-se que, na verdade, esse ruído nada mais era que o resto da radiação originada durante a grande explosão e que corresponde hoje ao comprimento de onda de um objeto cuja temperatura seria aproximadamente de 3 K (3 graus Kelvin). Com isso, conseguiu-se estimar a idade do Universo em 15.000,000,000 de anos. 12 Aula 14 Ciências da Natureza e Realidade CI_NAT_A14_RAAR_250510.indd S212 2ª Edição 25/05/10 10:15 Para saber, então, o tamanho do Universo, seria necessário multiplicar sua idade (em segundos) pela velocidade da luz e como o Universo, acreditamos, é simétrico, podemos multiplicar o resultado por dois. Atividade 5 sua resposta Determine, usando as informações do texto, o tamanho do Universo. Um pouco de evolução estelar O fim do mundo sempre apareceu, com maior ou menor intensidade, em diversos momentos de nossa história. São as chamadas teorias escatológicas, as quais, muitas vezes, foram alimentadas pela religião em seus diversos matizes e, muitas outras vezes, alimentadas pela própria ciência. Mas o que de verdade temos em tudo isso? Do ponto de vista de nosso planeta, em sua história de mais de 4,6 bilhões de anos, diversas catástrofes ameaçaram seriamente a vida, chegando inclusive a levar à extinção espécies inteiras, como no caso dos dinossauros. Em geral, tais eventos estão associados a fontes extraterrestres, como a colisão com meteoritos e outros objetos celestes. Ao longo de sua jornada diária em torno do Sol, a Terra é bombardeada por centenas de meteoros que, ao atingirem nossa atmosfera à altura de 82 km, sofrem abrasão devido ao atrito com esta e se incendeiam em um espetáculo, ao qual chamamos de estrelas cadentes, 2ª Edição CI_NAT_A14_RAAR_250510.indd S213 Aula14 Ciências da Natureza e Realidade 13 25/05/10 10:15 quando acontece à noite. Assim, mesmo que uma eventual colisão com um objeto celeste de grandes proporções não seja um evento impossível, hoje, mais que em qualquer outro momento da história de nossa civilização, estamos preparados para detectá-los e prever trajetórias com dezenas de anos de antecedência, tendo, em princípio, tecnologia para impedir sua eventual queda sobre nosso planeta. No entanto, certamente, em alguns milhares de anos, nosso planeta se extinguirá, seja por esgotamento de suas reservas, por uma colisão inevitável ou até pela expansão da atmosfera solar. Sobre essa última possibilidade, vamos tratar a seguir. Como você já sabe, o Sol, nossa fonte de energia, uma estrela gasosa, se mantém em equilíbrio pelo balanço entre a força de atração gravitacional – que tenta reduzir seu tamanho – e a forte pressão – que tenta fazê-lo expandir-se. Assim, de um lado, temos a massa e, de outro, a temperatura. Para gerar esta fabulosa quantidade de energia, o sol, qual uma fornalha, está consumindo centenas de toneladas de sua massa, a qual é transformada em energia. Um dos resultados mais importantes da física moderna foi o da equivalência entre massa e energia. A famosa equação de Einstein: E = mc2 Em que E é a energia do corpo, m, sua massa e c, a velocidade da luz. Isso significa que se a massa m de um corpo for convertida em energia, a energia obtida terá uma quantidade que é igual ao produto da massa pela velocidade da luz elevada ao quadrado. Por exemplo, se nós conseguíssemos converter uma massa de 1,0 kg de água em energia, a quantidade de energia que seria fornecida por esse quilograma de água seria: E =? m = 1, 0kg c = 300.000.000m/s → c2 = 9 × 1016 m2 /s2 Ou seja, E = mc2 = 1, 0 × 9 × 1016 E = 9 × 1016 J Como 1, 0KW h = 3 × 106 J e como o Brasil produz da ordem de 4, 8 × 107 kW então, a energia liberada na transformação de 1,0 kg de água seria suficiente para abastecer o Brasil durante uma hora. 14 Aula 14 Ciências da Natureza e Realidade CI_NAT_A14_RAAR_250510.indd S214 2ª Edição 25/05/10 10:15 Ao perder energia mais rapidamente que a taxa de resfriamento, a pressão (mais exatamente, o gradiente de pressão) irá, em alguns bilhões de anos, vencer a gravidade e o Sol se expandirá, e será tão grande que engolirá a própria Terra. Após esse período de expansão, ele sofrerá uma grande queda de temperatura, permitindo que mais uma vez a gravidade vença e, então, voltará a se contrair, ficando menor do que antes. Durante a contração, a temperatura do Sol irá aumentar, ficando nesse movimento de expansão e contração, até extinguir sua energia, quando se transformará, em dezenas de bilhões de anos, em uma estrela morta. Esse é o destino de todas as estrelas semelhantes ao Sol. Outras, mais massivas (isto é, com massa maior), durante o processo de contração, acabam atingindo tão grande densidade que se transformam em um objeto super-massivo, com tal poder de atração gravitacional que “nada” consegue escapar de sua superfície. A esse tipo de objeto, chamamos de buraco negro. A origem desse nome deriva do seguinte fato: quando se aponta um telescópio para um local no Universo onde existe um desses objetos (um buraco negro), de lá, não vem nenhum tipo de radiação e o que se observa é uma verdadeira escuridão em toda a faixa do espectro eletromagnético. Assim, vemos que o destino das estrelas e planetas é semelhante, mas se dá através de processos físicos muito diferentes. É através desses processos, entretanto, que o Universo e a vida se renovam, pois se não fossem as explosões de estrelas, as super-novas, não existiria, por exemplo, o oxigênio, já que essa substância química, como muitas outras, é gerada em ambientes de temperaturas muito altas, como os que existem nas estrelas em processo de explosão. Próximos passos N o dia 20 de julho de 1969, o Homem chegou à Lua. Essa façanha foi muito bem resumida na frase de Neil Armstrong “Esse é um pequeno salto para o Homem, mas um grande salto para a Humanidade”. De lá para cá, não enviamos seres humanos para longe da Terra, o mais que fazemos é enviá-los para estações espaciais que giram em torno da Terra, a atual é a estação internacional. No entanto, nosso conhecimento sobre o Universo tem se expandido em escala astronômica. Atualmente, veículos robôs deslizam sobre a superfície de Marte, nos revelando a cada dia um planeta surpreendente onde a água já jorrou em abundância e hoje é um mundo árido e inóspito. Chegamos a Saturno, atravessamos seus anéis com a sonda CassiniHuygens, uma missão espacial desenvolvida em conjunto pela NASA e ESA (Agência Espacial Européia, envolvendo ao todo 16 países) e, de lá, mergulhamos com a sonda Huygens através 2ª Edição CI_NAT_A14_RAAR_250510.indd S215 Aula14 Ciências da Natureza e Realidade 15 25/05/10 10:15 da densa atmosfera de Titã, a maior lua de Saturno, e atingimos sua superfície, gerando, durante a descida, uma quantidade fabulosa de dados e imagens sobre essa Lua distante (visite o site http://esa.int/SPECIALS/Cassini-Huygens/SEM696HHZTD_0.html para obter maiores informações sobre essa missão espacial). Vasculhamos com diversos satélites (como o COBE e o telescópio Hubble) os recônditos do Universo, em busca de seus segredos mais íntimos, descobrimos novos planetas que giram em torno de estrelas distantes e descobrimos que, ao contrário de todas as nossas expectativas, o Universo está em expansão acelerada e a fonte dessa aceleração é o que chamamos de matéria e energia escuras. Não sabemos ainda a forma do Universo nem seus limites, se é que existem. Não sabemos como essa história acaba, mas para quem ainda ontem estava em cavernas tentando fazer fogo, percorremos um belo caminho. Entretanto, para continuar, precisamos de mais gente, de pessoas como você, que começam a trilhar a senda do conhecimento científico. Esse é um trabalho de gerações e um legado para as gerações. Resumo Nesta aula, fizemos um passeio intergaláctico. Aprendemos sobre uma parte significativa de nossa história espacial, sobre naves interplanetárias, sobre a origem e evolução do Universo. Vimos que o planeta Terra um dia acabará, o que acontecerá também com o Sol e que isso é comum no Universo. Aprendemos também que já saímos da Terra e que visitamos a Lua e os planetas de nosso sistema solar, nos preparando agora para viajar além, para mais longe, aonde nos leva nossa imaginação. Quando, um dia, a Terra chegar ao seu fim, é possível que já estejamos habitando outros planetas, outros sistemas, outras galáxias, mostrando, com isso, como a vida é capaz de se superar a cada desafio. Auto-avaliação O filme Cosmos, documentário apresentado pelo famoso biólogo da NASA, Carl Sagan, trata do Universo, de nosso lugar nele e na Terra, nos alertando sobre a importância e a singularidade do nosso mundo no Universo conhecido. Esse documentário, dividido em 12 partes e produzido ainda nos anos 70/80, merece ser visto por todos os que têm interesse em ciências, desde a Física e a Astronomia até a Biologia e a Ecologia. 16 Aula 14 Ciências da Natureza e Realidade CI_NAT_A14_RAAR_250510.indd S216 2ª Edição 25/05/10 10:15 1 2 3 Assista ao filme Cosmos Episódio 01 e responda às seguintes questões. a) Carl Sagan afirma que somos feitos de restos de estrelas. O que ele quer dizer com essa afirmação? b) O que acontece quando estrelas explodem? Em que elas se transformam? c) O filme apresenta ainda um calendário da evolução do Universo. Qual a escala desse calendário? Nessa escala, há quanto tempo a espécie humana existe? Qual nosso papel na história natural do planeta? O Brasil desenvolve atividade espacial desde a década de 60. Faça uma pesquisa na Internet sobre o “Programa Espacial Brasileiro”. Veja, por exemplo, o site www.aeb. gov.br ou www.inpe.gov.br. Leia o poema de Ferreira Gullar abaixo e o contextualize dentro da abordagem desta nossa aula. dizem que em algum ponto no cosmos (le silence éternel de ces espaces infinis m’effraie) um pedaço negro de rocha – do tamanho de uma cidade – voa em nossa direção perdido em meio a muitos milhares de asteróides impelido pelas curvaturas do tempo e do espaço extraviado entre órbitas e campos magnéticos voa em nossa direção. e quaisquer que sejam os desvios e extravios de seu curso deles resultará, matematicamente, a inevitável colisão não se sabe se quarta-feira próxima ou no ano quatro bilhões e cinqüenta e dois da era cristã. (GULLAR, 2005) 2ª Edição CI_NAT_A14_RAAR_250510.indd S217 Aula14 Ciências da Natureza e Realidade 17 25/05/10 10:15 Referências ASTRONOMIA. La Vía Láctea. Disponível em: <http://www.astromia.com/universo/vialactea. htm>. Acesso em: 15 maio 2005. BEZERRA, Arnaldo, M. Aplicações práticas da energia solar. São Paulo: Ed. Nobel, 1990. ESA – European Space Agency. Disponível em: <http://www.esa.int/SPECIALS/Cassini-Huygens/ SEM696HHZTD_O.html>. Acesso em: maio 2005. GULLAR, Ferreira. Inimigo oculto. Disponível em: <http://beaugeste.blogspot. com/2004_11_01_beaugeste_archive.html>. Acesso em: 20 ago. 2005. GLEISER, Marcelo. O fim da Terra e do Céu: o apocalipse na ciência e na religião. São Paulo: Ed. Companhia das Letras, 2001. LAROCCO, Chris; ROTHSTEIN, Blair. The big bang: it sure was big. Disponível em: <http:// www.umich.edu/~gs265/bigbang.htm>. Acesso em: 20 maio 2005. LONGAIR, Malcolm. As origens de nosso universo. Rio de Janeiro: Ed. Jorge Zahar, 1994. (Coleção Ciência e Cultura). MORRIS, Richard. O que sabemos sobre o universo: realidade e imaginação científica. Rio de Janeiro: Ed. Jorge Zahar, 1999. (Coleção ciência e cultura). NASA – National Aeronautics and Space Administration. Disponível em: <http://nssdc.gsfc. nasa.gov/nmc/1972-01A.html>. Acesso em: 25 maio 2005. SAGAN, Carl. Cosmos. 1DVD filme. THE SOLAR Systems. Disponível em: <http://www.solarviews.com/eng/solarys.htm>. Acesso em: maio de 2005. 18 Aula 14 Ciências da Natureza e Realidade CI_NAT_A14_RAAR_250510.indd S218 2ª Edição 25/05/10 10:15 Anotações 2ª Edição CI_NAT_A14_RAAR_250510.indd S219 Aula14 Ciências da Natureza e Realidade 19 25/05/10 10:15 Anotações 20 Aula 14 Ciências da Natureza e Realidade CI_NAT_A14_RAAR_250510.indd S220 2ª Edição 25/05/10 10:15 CIÊNCIAS DA NATUREZA E REALIDADE – INTERDISCIPLINAR EMENTA A Ciência e seus métodos, levantamento da realidade local, o Universo, o Sistema Solar e a Terra, a atmosfera e o clima, a biosfera, a hidrografia, a flora e a fauna, a interferência humana no meio ambiente, uma primeira identificação de problemas ambientais. AUTORES > Franklin Nelson da Cruz > Gilvan Luiz Borba > Luiz Roberto Diz de Abreu AULAS 01 Situando a Ciência no Espaço e no Tempo 02 A Terra – litosfera e hidrosfera 03 A Terra – atmosfera 04 Bioma Caatinga – recursos minerais 05 Bioma Caatinga – recursos hídricos 06 Bioma Caatinga – recursos florestais e fauna 07 Interação Sol – Terra: fluxos de Energia 08 Clima e tempo 09 O Homem – origens 10 A Hipótese Gaia 11 Poluição 12 Ciência e ética 13 Ciência, Tecnologia e Sociedade 14 Universo: uma breve apresentação 15 O Nordeste, o Homem e a Seca: natureza de uma realidade CI_NAT_A14_RAAR_250510.indd S31 25/05/10 10:15 CI_NAT_A14_RAAR_250510.indd S32 25/05/10 10:15
