Artigo: Espaço e espaço-tempo nas teorias relativistas

20/06/2013

Artigo enviado pelo Prof. Domingos S. L. Soares, da UFMG.

Resumo: As coordenadas espaciais constituem uma seção tridimensional do espaço-tempo tetradimensional das teorias relativistas. Discuto algumas características do espaço-tempo e da seção espacial — i.e., do espaço — nestas teorias. Continue lendo »

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Novo Festival do Minuto: Ciência

30/04/2013

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Assim como aconteceu no ano passado, o FESTIVAL DO MINUTO acaba de anunciar um concurso com o tema “Ciência”. Continue lendo »


O Grande Caçador e seus cães

08/04/2013

Hoje vou falar um pouco sobre algumas das constelações mais facilmente observadas no céu. São três constelações típicas na verdade dos céus do nosso verão, mas ainda estão visíveis neste comecinho de outono: Orion, Canis Major (pronuncia-se “máior”) e Canis Minor.

Quando digo que estas constelações são típicas do verão, é porque durante esta estação do ano elas estão bem altas no céu. Orion, na verdade, é a constelação-símbolo do verão. Não lembro se já comentei aqui, mas as constelações-símbolo são: Leo (Leão, no outono), Scorpius (Escorpião, no inverno), Pegasus (o Cavalo Alado, na primavera) e Orion (o Grande Caçador, no verão).

Bem, mas voltando a falar sobre o que podemos encontrar no céu no começo da noite pelos próximos dias, a grande vantagem das três constelações que quero mostrar hoje é que suas estrelas principais são bastante brilhantes e, por isso, se destacam bastante no céu.

Primeiramente, vejam a imagem abaixo, uma simulação do céu criada com o software Stellarium. Isso é o que vamos ver se olharmos na direção do Oeste, onde o Sol se pôs. Contando com a absurda poluição luminosa que temos em nossas cidades, eu incluí poucas estrelas no céu, de modo que a imagem represente mais ou menos o que ainda é visível a olho nu no centro de uma cidade grande. A base da imagem está bem pertinho do horizonte, enquanto que o topo da imagem está um pouco abaixo do zênite, o ponto mais alto do céu. (Em todas as imagens, clique para ampliar.)

verão

Logo de cara na imagem, observamos dois pontos bem brilhantes, um bem lá embaixo, e outro bem lá em cima, certo? O ponto lá embaixo é o planeta Júpiter. Logo, ele será ofuscado pelo brilho do Sol, de modo que estamos nas últimas semanas para observá-lo. Depois, vamos ter que esperar alguns meses se quisermos ver o planeta gigante novamente. O ponto brilhante que está lá no alto da imagem é a estrela Sirius. Essa estrela não tem como ser confundida com nenhuma outra. É a estrela mais brilhante do céu noturno, sempre vai ser a que mais se destaca.

Nessa imagem, entre Júpiter e Sirius, há uma figura que se destaca claramente, também formada por estrelas brilhantes: um quadrilátero com três estrelinhas em seu interior. Essas três estrelinhas, conhecidas de muitos, são as Três Marias, e o quadrilátero que as cerca é a parte principal da constelação de Orion.

Muito bem, vamos ver a imagem abaixo, dando nome aos bois, digo, aos astros. Circulei também as Três Marias e a parte principal de Orion, além de marcar mais quatro estrelas que são importantes. Betelgeuse é a estrela mais importante de Orion, a Alfa-Orionis, apesar de Riegel ser a mais brilhante.

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A representação de Orion fica da seguinte forma: Betelgeuse e Bellatrix são os ombros do caçador. Riegel e Saiph são os joelhos (pés, em algumas representações). As Três Marias são o cinto dele e aquele pequeno tracinho próximo a elas forma uma linha de três estrelinhas representando sua espada. Essa linha de estrelas não ficou visível na foto, mas se o céu estiver limpo é visível a olho nu, e um detalhe interessante é que junto à estrela do meio, temos uma das regiões mais interessantes do céu, a Nebulosa de Orion,onde há uma alta taxa de formação estelar (uma vista espetacular, mesmo com um binóculo simples).

A outra estrela importante dessa imagem, como mencionei acima, é Sirius. Independentemente da imagem, o melhor jeito para localizarmos Sirius é nos lembrarmos de que as Três Marias apontam diretamente para ela (confiram na imagem). Sirius representa o coração do Canis Major, o cão maior. Numa noite um pouquinho melhor, podemos observar o desenho do cão maior, como imaginado pelos antigos. Vejam a imagem abaixo. Notem o corpo do cão, sua cabeça e o alinhamento entre Sirius e as Três Marias. OK, eu sei o que vocês estão pensando e concordo: haja imaginação!

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Por fim, temos uma terceira estrela marcante nesta região do céu, Procyon. Ela aparece em todas as imagens que coloquei acima formando um triângulo praticamente equilátero com Sirius e Betelgeuse. Esse triângulo é o chamado Triângulo do Verão (inverno, no hemisfério norte), e serve de referência para localizarmos as constelações dessa região da esfera celeste. Procyon é a estrela mais brilhante de Canis Minor, o cão menor.

A imagem abaixo faz um “resumão” de tudo que mostrei aqui. Acrescentei ainda outras três estrelas que não foram mencionadas: Aldebaran, que fica em Taurus (o touro), e a dupla Pollux e Castor, que ficam em Gemini (os gêmeos).

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O céu com estas constelações é simplesmente lindo. Agora só nos resta torcer para o céu abrir, a fim de observarmos tudo isso.


STEREO e o Cometa PanStarrs

01/04/2013

Em 2006, a NASA lançou duas sondas gêmeas para observação do Sol, a fim de estudar com mais precisão as tempestades solares e os mecanismos responsáveis pelo vento solar. O conjunto recebeu o nome STEREO (Solar TErrestrial RElations Observatory).

As sondas foram colocadas em posições estratégicas na órbita da Terra: uma à frente, outra atrás da trajetória do planeta. Dessa forma, as observações solares seriam compostas por dois conjuntos de dados obtidos simultaneamente, mas em posições diferentes. Em se tratando de ejeção de matéria vinda de uma fonte tão extensa como o Sol, é importante ter esse tipo de comparação para que se possa mapear de maneira mais completa os fenômenos. É mais ou menos como nosso cérebro usa as imagens obtidas pelos dois olhos para compor uma visão tridimensional e com noção de profundidade dos objetos ao nosso redor.

A título de curiosidade, a imagem abaixo mostra as posições relativas da Terra, do Sol e das duas sondas no dia de hoje (01/04/2013). A distância entre a Terra e as sondas não é fixa, mas sempre obedece à órbita.

Nessa imagem, vista "de cima" a órbita da Terra segue uma trajetória anti-horária, o ponto vermelho é a sonda que está à frente (ahead) e o ponto azul é o que está atrás (behind) da órbita da Terra.

Nessa imagem, vista “de cima” a órbita da Terra segue uma trajetória anti-horária, o ponto vermelho é a sonda que está à frente (ahead) e o ponto azul é o que está atrás (behind) da órbita da Terra.

Mas o verdadeiro motivo deste post foi o vídeo abaixo, divulgado em março.

A sonda que está atrás da órbita (B, na figura acima), registrou essa imagem do cometa PanStarrs, que está se afastando do Sol, ao mesmo tempo em que uma ejeção gigantesca de massa coronal acontece. O registro foi feito durante cinco dias (de 10 a 15 de março). O Sol não aparece na imagem, mas está à esquerda do vídeo. O clarão que aparece vindo da esquerda é a ejeção vinda do Sol. O cometa aparece em sua trajetória elíptica fugindo do Sol em direção aos confins do Sistema Solar, e a Terra aparece em sua órbita. Lembro mais uma vez que o vídeo foi obtido por uma sonda que está atrás da órbita da Terra, mas seguindo a mesma trajtória, “seguindo” a Terra.

É interessante notar que, como a cauda do cometa não teve sua direção alterada, ele não está alinhado com a ejeção. Mais interessante ainda é observar a quantidade de matéria que o Sol libera a cada ejeção ou tempestade solar.


Hubble em Três Atos – Considerações Finais

10/02/2013

Se você acompanhou o Além das Estrelas nos últimos dias, aprendeu um pouco mais sobre o trabalho de Edwin Hubble, num artigo escrito em três partes pelo Professor Domingos Soares, físico da UFMG. O artigo foi publicado aqui no blog em três partes (parte 1, parte 2, parte 3) e também pode ser lido na íntegra na página do próprio autor.

Abaixo, temos as considerações finais do artigo.

Considerações finais

Hubble possuía qualidades fundamentais para um grande explorador do desconhecido: o respeito pelos dados experimentais e observacionais e a coragem de apresentar resultados inéditos cujas comprovações ainda estavam em andamento. Além disso, Hubble sabia como ninguém apresentar os resultados de sua pesquisa, de forma a despertar o interesse e o envolvimento alheio. A chamda “expansão do universo” representa um caso típico do trabalho de Hubble como “vendedor de ideias”, característica esta, proeminente no desenrolar de toda a sua carreira. Hubble parece nunca ter acreditado na expansão (ver Sandage versus Hubble e A cosmologia de Hubble), mas acabou por ser conhecido como o seu descobridor, o que lhe trouxe enormes facilidades no financiamento de seu trabalho de pesquisa e na construção de novos equipamentos. Destaca-se neste último item, a construção do famoso telescópio de 5 m de abertura do Monte Palomar.

Neste ponto, não posso resistir a um toque pessoal neste pequeno drama hubbleniano.

Como mencionei em COSMOS:05ago11, em fevereiro de 1998, eu e meu ex-aluno de mestrado, Paulo Márcio Vilaça Veiga tivemos uma noite de observação no Observatório Palomar. Observamos das 18 horas às 6 da manhã e obtivemos espectros de galáxias em interação, que haviam sido estudadas por Paulo em sua dissertação. Os espectros obtidos naquela noite foram posteriormente estudados — um sistema — por minha ex-aluna de mestrado Natália Rezende Landin, e — todos os sistemas — por meu ex-aluno David Balparda de Carvalho, também em sua dissertação de mestrado. Foi bastante emocionante para mim e Paulo estar nos mesmos ambientes onde Hubble, Humason e outros gigantes da astronomia extragaláctica estiveram.

Finalizo apresentando uma nota dissonante. O artigo do astrônomo Michael J. Way, intitulado Dismantling Hubble’s Legacy? lança dúvidas sobre a real profundidade científica de Hubble. Reproduzo o resumo do artigo:

Edwin Hubble é famoso por diversas descobertas, conhecidas tanto por astrônomos amadores quanto profissionais, estudantes e pelo público de maneira geral. Examina-se as origens dessas descobertas e demonstra-se que, em cada caso, já havia uma grande quantidade de evidências. Em alguns casos, ou a descoberta já havia sido feita, ou versões concorrentes não haviam sido adotadas devido a complexas razões científicas ou sociais.

Sintomaticamente, este artigo foi apresentado numa conferência promovida pela Sociedade Astronômica do Pacífico (Astronomical Society of the Pacific, ASP) em setembro de 2012, para celebrar o centenário da medição do primeiro espectro de M31 por Vesto Slipher. Este espectro permitiu a determinação da velocidade radial desta galáxia. O espectro de M31 apresenta um desvio espectral para o azul.

(Isso conclui o artigo “Hubble em Três Atos”. Agradeço a colaboração do Professor Soares, cujo trablaho pode ser acompanhado na lista Cosmos.)

Hubble em Três Atos – Ato 3

09/02/2013

Terceiro ato: Slipher e Humason

De tempos em tempos artigos aparecem na literatura científica com argumentos em favor de uma melhor apreciação dos trabalhos dos astrônomos Vesto Slipher e Milton Humason.

Slipher foi o pioneiro da espectroscopia de galáxias, tendo se esforçado no aprimoramento dos espectrógrafos para obter espectros de fontes difusas como eram as nebulosas espirais, nas primeiras décadas do século XX. Uma das últimas manifestações em seu favor intitula-se “The contribution of VM Slipher to the discovery of the expanding universe”, do físico irlandês Cormac O’Raifeartaigh, disponível em http://arxiv.org/abs/1212.5499. O’Raifeartaigh chega a sugerir que o diagrama de velocidades–distância de Hubble seja denominado diagrama de Hubble-Slipher.

Milton Humason notabilizou-se por ter sido o assistente noturno e colaborador de Edwin Hubble, tanto no Observatório de Monte Wilson (telescópio de 100 pol=2,5 m de abertura) quanto no Palomar (telescópio de 200 pol=5 m). A história de Humason constitui um interessante capítulo da história universal da astronomia, e está apresentado com mais detalhes em COSMOS:05ago11, onde comento o artigo do astrônomo canadense Sidney van den Bergh intitulado “Discovery of the Expansion of the Universe” (http://arxiv.org/abs/1108.0709). Ele contém uma referência bastante interessante, a qual contém a transcrição de uma entrevista dada por Milton Humason por volta de 1965. A entrevista é bastante informal e traz revelações muito interessantes sobre as atividades de Hubble relacionadas à descoberta do chamado — por mim — “efeito Hubble”.

Por mais que os autores de tais artigos se esforcem, o que torna-se claro é que Slipher e Humason eram extraordinários espectroscopistas, mas que não se relacionavam de forma alguma com as interpretações dos dados que obtinham nos telescópios.

A espectroscopia é a grande responsável pela transformação da astronomia em astrofísica. Os espectros de fontes celestes, acompanhados de modelos físicos e químicos, permitem o conhecimento de inúmeras propriedades, tanto físicas quanto químicas, dos mesmos: temperaturas, densidades, velocidades, massas, etc. A espectroscopia é uma técnica refinadíssima quanto à instrumentação óptica. A luz de um objeto, ou seja, os fótons emitidos por ele são distribuídos entre os vários comprimentos de onda da radiação que chega ao telescópio. Quer dizer, se o objeto em questão é muito brilhante e concentrado, como uma estrela próxima, há abundância de fótons numa pequeníssima região do céu, e a tarefa torna-se mais fácil. Mas se a fonte é extensa e fraca, como uma galáxia, a obtenção de um espectro é tarefa para gigantes. Especialmente no início do século XX, quando os detectores eram chapas — de vidro ou de película — com emulsões fotográficas. Nas melhores chapas e condições, mais de 90% dos fótons incidentes são perdidos no processo de detecção. (Hoje em dia a situação se inverteu, pois com os detectores CCD, mais de 90% dos fótons incidentes são medidos; veja mais detalhes em O fabuloso CCD).

Slipher e Humason eram espectroscopistas, e assim, a única e verdadeira ambição de ambos era certamente encontrar o melhor conjunto óptico que lhes permitissem concentrar o maior número de fótons em suas emulsões fotográficas. Nada de cosmologia passava pelas suas mentes. A própria espectroscopia era uma obsessão mais do que suficiente e que ocupava integralmente as suas vidas.

amanhã, as considerações finais..


Hubble em Três Atos – Ato 2

08/02/2013

Segundo ato: a descoberta das galáxias

Já mencionamos no primeiro ato que Hubble “descobriu” as galáxias ao determinar as distâncias até três delas, e verificar que elas eram significativamente maiores que as dimensões da Via Láctea. Elas não poderiam então fazer parte do nosso sistema galáctico. A propósito, uma delas era a grande nebulosa de Andrômeda, a galáxia número 31 do catálogo do astrônomo francês Charles Joseph Messier (1730–1817), conhecida como M31. Esta galáxia goza da peculiaridade extraordinária de ser o objeto extragaláctico mais distante visível a olho nu.

O que é importante ressaltar é que Hubble, estando no meio de um acalorado debate sobre a natureza das nebulosas, deveria encontrar um modo inequívoco de obter as distâncias até elas. E ele o fez, usando a própria arma do inimigo, i.e., de seu concorrente imediato. Vejamos como isto se deu.

Harlow Shapley havia mostrado que os aglomerados estelares globulares — conjuntos de centenas de milhares de estrelas distribuídas esfericamente, como uma bola — se espalhavam aleatoriamente ao redor de um ponto da Via Láctea, o seu centro. Ele fez isto determinando observacionalmente as distâncias até os aglomerados, utilizando o método recém descoberto por Henrietta Leavitt, das estrelas variáveis Cefeidas. Em resumo, ele identificava Cefeidas nos aglomerados — como, por exemplo, Ômega de Centauro mostrado abaixo —, media os seus períodos de variação de brilho, e daí chegava às distâncias (o método das variáveis Cefeidas para a determinação de distâncias está descrito no artigo Henrietta Leavitt, a mulher que descobriu uma régua cósmica).

Segundo ato: a descoberta das galáxias

Já mencionamos no primeiro ato que Hubble “descobriu” as galáxias ao determinar as distâncias até três delas, e verificar que elas eram significativamente maiores que as dimensões da Via Láctea. Elas não poderiam então fazer parte do nosso sistema galáctico. A propósito, uma delas era a grande nebulosa de Andrômeda, a galáxia número 31 do catálogo do astrônomo francês Charles Joseph Messier (1730–1817), conhecida como M31. Esta galáxia goza da peculiaridade extraordinária de ser o objeto extragaláctico mais distante visível a olho nu.

O que é importante ressaltar é que Hubble, estando no meio de um acalorado debate sobre a natureza das nebulosas, deveria encontrar um modo inequívoco de obter as distâncias até elas. E ele o fez, usando a própria arma do inimigo, i.e., de seu concorrente imediato. Vejamos como isto se deu.

Harlow Shapley havia mostrado que os aglomerados estelares globulares — conjuntos de centenas de milhares de estrelas distribuídas esfericamente, como uma bola — se espalhavam aleatoriamente ao redor de um ponto da Via Láctea, o seu centro. Ele fez isto determinando observacionalmente as distâncias até os aglomerados, utilizando o método recém descoberto por Henrietta Leavitt, das estrelas variáveis Cefeidas. Em resumo, ele identificava Cefeidas nos aglomerados — como, por exemplo, Ômega de Centauro mostrado abaixo —, media os seus períodos de variação de brilho, e daí chegava às distâncias (o método das variáveis Cefeidas para a determinação de distâncias está descrito no artigo Henrietta Leavitt, a mulher que descobriu uma régua cósmica).

omega-cen

O aglomerado globular Ômega de Centauro (ω Cen ou NGC 5139), de
nossa galáxia, possui cerca de 10 milhões de estrelas, a maioria delas muito
mais velhas do que o Sol. As estrelas se distribuem no formato de uma bola
ou glóbulo; ω Cen possui um diâmetro de 150 anos-luz. A Via Láctea possui
mais de 150 aglomerados globulares espalhados em um halo esférico em
volta do disco galáctico (http://apod.nasa.gov/apod/ap110615.html).

 

A galáxia espiral M104, mostrada na figura a seguir, possui também um sistema de aglomerados globulares — como em geral todas as galáxias de grande porte —, os quais servem, exatamente como na Via Láctea, para indicar a posição do centro galáctico. A enorme vantagem da Via Láctea é que nela as estrelas dos aglomerados podem ser observadas individualmente, e entre elas pode-se identificar estrelas variáveis Cefeidas, bastante úteis para a determinação de distâncias.

A galáxia M104 (NGC 4594) é uma espiral vista de perfil, conhecida como “galáxia do Sombreiro” em virtude do formato peculiar de um chapéu
mexicano. A faixa escura que atravessa a imagem é formada por nuvens de poeira e gás que obscurecem a luz das estrelas. Os pontos luminosos
espalhados em volta do disco galáctico — delineado pela faixa de poeira — são aglomerados globulares semelhantes a ω Cen. Em virtude da
distância de M104, as estrelas dos aglomerados não podem ser vistas individualmente, i.e., os aglomerados não podem ser resolvidos. Note que
os aglomerados se distribuem aleatoriamente em torno do centro galáctico (http://apod.nasa.gov/apod/ap110615.html).

Shapley verificou que os seus aglomerados se distribuíam numa esfera de 300.000 anos-luz de diâmetro, cujo centro estava localizado na constelação austral de Sagitário. Shapley acreditava, e defendia com unhas e dentes, que este sistema era todo o universo. Desta maneira, entendemos a sua posição no Grande Debate: ele defendia que as nebulosas espirais eram objetos de sua Galáxia e, consequentemente, defendia um universo de dimensões bem mais modestas do que o de seus opositores. O que Hubble fez foi identificar variáveis Cefeidas em três galáxias do Grupo Local, determinar as suas distâncias e verificar que elas eram muito maiores que os 300.000 anos-luz do universo de Shapley. Como poderia Harlow Shapley discordar dos resultados de Hubble? As curvas de luz de variáveis Cefeidas não deixam margem para dúvidas.

Hubble aumentou o tamanho do universo para dimensões inefáveis, desbancou a arrogância individualista de seu rival, e nunca utilizou de forma regular o termo “galáxia”, por ser este o termo preferido por Shapley para se referir às nebulosa extragalácticas. Ele usou até a morte a expressão “nebulosa extragaláctica”, conforme Gale Christianson nos revela na biografia do gênio desbravador do reino extragaláctico.

continua amanhã…