O Fascinio Do Universo

8/6/2019 O Fascinio Do Universo

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O FASCNIO DO UNIVERSO

Editores: Augusto Damineli e Joo Steiner


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Capa: Imagem da galxia de Andromeda tomada na luz vi-svel por Robert Gendler, como parte do projeto From Earth tothe Universe (www. romearthtotheuniverse.org).

Todos os direitos desta edio reservados : Augusto Damineli e Joo Steiner

Produo gr ca: Odysseus Editora

Reviso: Daniel SeraphimReviso nal: Pedro UlsenProjeto gr co, capa e diagramao: Vania Vieira

Odysseus Editora Ltda.R. dos Macunis,495 CEP05444-001 Tel./ ax:(11) [email protected] www.odysseus.com.br

ISBN:9788578760151

Edio: 1Ano: 2010

Dados Internacionais de Catalogao na Publicao (CIP)(Cmara Brasileira do Livro, SP, Brasil)

O Fascnio do universo / organizadores AugustoDamineli, Joo Steiner. -- So Paulo : OdysseusEditora,2010 .

1. Astronomia2. Cosmologia I. Damineli,Augusto. II. Steiner, Joo.

10-04696 CDD-523.1

ndices para catlogo sistemtico:

1. Cosmologia : Astronomia523.1 2. Universo : Astronomia523.1


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Editores: Augusto Damineli e Joo Steiner.

Coordenao da Sociedade Astronmica Brasileira: Keplerde Souza Oliveira Filho (coordenador), Beatriz E. Barbuy,

Joo Braga, Joo E. Steiner, Jos Williams Santos Vilas Boas,Eduardo Janot-Pacheco (presidente da SAB).

Redao nal: Joo Steiner,Flvio Dieguez, Augusto Damineli e Sylvio Ferraz Mello.

Agradecimentos a Ildeu de Castro Moreira (Departamentode Popularizao e Di uso da C&T do Ministrio da Cincia

e Tecnologia) pelo incentivo produo deste livro e peloapoio decisivo ao Ano Internacional da Astronomia 2009.

Financiamento: Projeto CNPq578802/2008-2concedido a A. Damineli para aes do

Ano Internacional da Astronomia2009 .


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O livro em ormato PDF est no endereowww.astro.iag.usp.br/ ascinio.pd


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NDICE

Apresentao 7

Cap.1- O Universo um laboratrio de Fsica 9

Cap.2 - Sistemas planetrios 17

Cap.3 - Exoplanetas e procura de vida ora da Terra27

Cap.4 - Estrelas variveis e o Universo transiente 33

Cap.5 - Populaes estelares 57 Cap.6 - Galxias e seus ncleos energticos 61

Cap.7 - Estruturas em grande escala do Universo 69

Cap.8 - Universo, evoluo e vida 87

Cap.9 - Astronomia no Brasil 93


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Telescpios SOAR de 4 metros ( rente) e Gemini Sul de 8 metros ( undo) noCerro Pachn (2750 m), Chile, ao pr do Sol. A parceria nesses telescpios o marco de uma nova era nas atividades de pesquisa astronmica no Brasil.Alm da alta qualidade do stio, participamos da construo de instrumentosde alta tecnologia. (Crdito: A. Damineli)


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Apresentao

O ano de 2009 oi nomeado o AnoInternacional da Astronomia pela ONUpara comemorar os 400 anos desde queGalileu Galilei apontou sua luneta parao cu e ez descobertas surpreendentes.Entre elas esto quatro luas de Jpiter,as ases de Vnus, as manchas solares, osanis de Saturno e a descoberta de que aVia Lctea composta de estrelas. A or-ma como vemos o universo nunca maisseria a mesma. A luneta passou a ter aper-

eioamentos importantes, incorporandoinovaes na ptica, na mecnica e na

orma de se analisar a luz por ela captada.A luneta trans ormou-se em telescpio.No sculo XX, esses instrumentos oramcolocados em rbita terrestre, onde es-to livres dos e eitos da atmos era. Aomesmo tempo novas aixas do espectroeletromagntico oram desbravadas, per-mitindo que o universo osse observado

O acesso da populao a planetrios e obser-vatrios pblicos importante para di undir umamentalidade cientfca na sociedade e atrair voca-es para a carreira de pesquisa em Astronomia.(Crdito: Polo Astronmico de Foz do Iguau PR)

por novas janelas e criando novas disci-plinas, como a radioastronomia, a astro-nomia de raios X, raios gama, ultravioletae in ravermelho.

No Brasil, as pesquisas em Astro-nomia tm experimentado um dinamis-mo crescente. Praticamente sem nenhu-ma produo at a dcada de 1960, oBrasil passou a ser um ator relevante nocenrio internacional a partir dos anos1990. A criao dos programas de ps-graduao e do Laboratrio Nacional deAstro sica tiveram papel central nessedesenvolvimento. Graas maturidadeassim atingida, o Brasil passou a ser sciode grandes projetos internacionais comoo Gemini e o SOAR. Novos passos estosendo planejados para que o pas con-tinue a ser ator nessa grande aventura dedesvendar os mistrios do universo.


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Aglomerado com estrelas azuis, conhecido noBrasil como sete-estrelo. um asterismo conhe-cido por todos os povos da Terra, desde a maisremota antiguidade. Esta ninhada contm cen-tenas de estrelas jovens (com cerca de cem mil-hes de anos), ainda circundadas por poeira quedi unde a luz estelar. (Crdito: ANGLO / AUSTRA-LIAN OBSERVATORY, DAVID MALIN. )


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Captulo1

O Universo um

laboratrio de Fsica

Quando as Pliades aparecem no cu tempo de usar a

oice e o arado, quando se pem Hesodo, poeta grego do

sculo VIII a.C., sobre a constelao das Pliades.

Os neutrinos so muito pequenos... Para eles a Terra s

uma bola boba, que eles simplesmente atravessam John

Updike, poeta norte-americano (1932-2009)

De Hesodo a Updike, o universo sempre esteve muito per-to da civilizao. Tem sido usado tanto para agendar o cultivo daTerra, no passado, quanto como onte de inspirao para os escri-tores, em todas as pocas. O mistrio das estrelas mexeu pro un-damente com a imaginao dos povos e converteu-se em matria-prima para o desenvolvimento da loso a, das religies, da poesiae da prpria cincia, que ajudou a produzir as coisas prticas, quetrouxeram con orto, qualidade de vida, cultura e desenvolvimentoeconmico e social. Observar o cu e anotar os movimentos dasestrelas e dos planetas uma prtica milenar e continua na ron-teira do conhecimento e da cultura contempornea.

No incio desse novo milnio, as cincias do universo estoprontas para dar um salto como poucos na histria da civiliza-o, e os prximos anos devero trazer as estrelas e as galxiaspara muito mais perto da sociedade. A Astronomia desdobrou-seem Astro sica, Cosmologia, Astrobiologia, Planetologia e mui-tas outras especializaes. No por acaso: a diviso de trabalho

oi necessria para dar conta desse imenso laboratrio que nos


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o erece uma oportunidade nica: testarideias que jamais poderiam ser submeti-das a experincias aqui na Terra. No cu,no h limite para a imaginao.

Os telescpios atualmente o-togra am estrelas e galxias aos milharesde uma s vez. J no tm apenas lentesde aumento ou espelhos, mas tambm,e cada vez mais, circuitos eletrnicosque absorvem a luz, registram sua in-tensidade, decompem-na de ormasvariadas. Assim, extraem delas a melhorin ormao possvel. Os computadores

encarregam-se de recriar as imagenscaptadas. Eles podem torn-las mais nti-das, ltrar e recombinar suas cores paradestacar detalhes-chave di ceis de iden-ti car diretamente nas otogra as.

Dezenas de telescpios, nas lti-mas dcadas, oram instalados no es-pao, onde a imagem mais limpa porno haver ar para borr-la. As imagensganham uma nitidez excepcional aponto de se poder acompanhar o cli-ma dos planetas mais prximos, comoMarte e Jpiter, quase como se acom-

Galxias que atropelam umas s outras apesar das distncias incrveis que as separam revelam um Uni-verso vivo, em trans ormao permanente. Estas duas galxias espirais em coliso, chamadas de Antenas,esto em processo de uso. Nossa Galxia est em coliso com diversas galxias menores e em cerca de doisbilhes de anos colidir com Andrmeda, gerando um panorama muito parecido com as Antenas. As estrelasno colidem entre si durante o choque, mas a agitao do gs gera grandes ninhadas de novas estrelas, entreelas as azuis, de grande massa. (Crdito: NASA/ESA/ HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA)-ESA/HUBBLECOLLABORATION.)


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panha o clima aqui na Terra. Ainda maisimpressionantes so os espelhos inteli-gentes, inventados para evitar o custode lanar um grande instrumento aoespao: com a ajuda de um raio lasereles podem examinar as condies ins-tantneas do ar. Essas in ormaes ali-mentam um computador, que mandade ormar o espelho captador de luz.Com isso, corrigem-se os borres cria-dos pela atmos era. Alm da luz comum,com suas cores tradicionais, visveis aoolho humano, existem telescpios queenxergam raios X, luz in ravermelha,ondas de rdio, micro-ondas e outras

ormas de luz invisveis.Essa quantidade inimaginvel de

in ormao j se tornou rotina comouma mquina de produzir conhecimen-to. Ela fui pela comunidade internacionaldos astrnomos e os ajuda a contar asestrelas e agrup-las em populaes dis-tintas. Tambm pode-se estimar a idadedas galxias em que as estrelas esto. Asprprias galxias contendo centenasde bilhes de estrelas cada uma podem

ser classi cadas em tipos distintos, comose ossem tribos csmicas.

E assim como as estrelas or-mam galxias, estas tambm se ligamumas s outras para ormar objetosastronmicos ainda maiores. So osaglomerados e superaglomerados degalxias estes ltimos to grandesque sua histria se con unde com ahistria do Universo (por isso eles po-dem, num uturo prximo, ajudar a des-vendar a evoluo e a origem do cosmo,h quase 14 bilhes de anos).

As estrelas no so eternas, comose pensava at o sculo XIX. Elas nas-cem, evoluem e morrem, e durante avida abricam tomos pesados que noexistiam no Universo jovem, quando aqumica do Cosmo resumia-se aos doistomos mais simples, o hidrognio e ohlio. Essa atividade no para porque, aoexplodir e morrer, as estrelas de grandemassa espalham seus restos pelo es-pao, enriquecendo o ambiente csmicocom carbono, oxignio, clcio, erro e osoutros tomos conhecidos.


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Desses restos nascem outras es-trelas, que enriquecem ainda mais detomos o espao. Ao mesmo tempo, oscaroos das estrelas que explodiramtambm se trans ormam em astros,mas di erentes das estrelas comuns.So corpos inimaginveis, como as ansbrancas, as estrelas de nutrons e os bu-racos negros. Esses personagens so ocaroo central das estrelas mortas, quea detonao esmaga e converte em cor-pos compactados, durssimos.

O Cosmo, portanto, no um mu-seu de objetos inalcanveis. Est vivo,

A supernova do Caranguejo oi vista em pleno dia, em 1054, pelos chineses. Seus gases se expan-dem a velocidades superiores a 10.000 Km/s e em seu centro se observa um pulsar estrela denutrons com ortes campos magnticos que gira 33 vezes por segundo. (Crdito: NASA, ESA, J. Hester, A. Loll (ASU))

em trans ormao permanente. E paradar conta desse ambiente mutante queos telescpios comearam a incorporar adimenso do tempo aos seus dados bsi-cos. No simples como parece: comoas estrelas e as galxias vivem bilhesde anos, seus ciclos de vida so imensose suas exploses mortais so extrema-mente raras. Mas, quando se observamgrandes atias do cu ao mesmo tempo, possvel fagrar di erentes astros pas-sando por ases distintas do ciclo vital.

At as mais raras detonaes tor-nam-se requentes e podem ser vistas o


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tempo todo, iluminando algum ponto docu. Outros telescpios podem ento serdirecionados para l, para acompanharos detalhes do espetculo. E um espe-tculo indescritvel, j que as grandes es-trelas, ao sucumbir, superam galxias in-teiras em brilho. Seus clares podem servistos por toda a extenso do Universopor alguns dias. Esse tipo de exploso chamado de supernova.

Como podem ser vistas de muitolonge, as supernovas acabaram se tor-nando muito teis como erramentapara investigar o prprio Universo. Foipor meio delas que, em 1998, descobriu-se que o Universo est expandindo cadavez mais depressa, levantando a hip-tese de que existe algum tipo de oradesconhecida, aparentemente dotadade antigravidade.

Desde ento esse novo habitantecsmico vem sendo chamado de energiaescura, e a corrida para identi c-lo tor-nou-se um dos tpicos mais excitantesda Astronomia. Nessa busca, as super-novas uncionam como um velocmetro:

seu claro d aos astrnomos um meiopreciso de calcular a taxa de expanso doUniverso naquele ponto.

No espao, o que est longe tam-bm est no passado, j que a luz demorapara chegar aos telescpios e, portanto,aos nossos olhos. Assim, as supernovasmais distantes podem mostrar comoeram quando o Cosmo comeou a seacelerar e se a acelerao est ou nomudando ao longo do tempo.

A partir da, pode-se especular commais preciso sobre a natureza exata daenergia escura. Que tipo de energia seressa? O que ela pode nos ensinar sobreos tomos e suas partculas? Os clculosmostram que a energia escura seja lo que or muito mais comum que amatria atmica que orma as estrelase galxias: mais de 70% da energia totaldo Universo est na orma de energia es-cura. Para cada quilograma de matriatradicional, existem 10 quilogramas deenergia escura correspondente.

Essa matria desconhecida einesperada representa uma revoluo


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no conhecimento do Universo to im-portante quanto a decoberta de que aTerra no o centro do Universo, comose pensava at 500 anos atrs. A ener-gia escura certamente tem papel deci-sivo sobre o destino nal do Cosmo. Masno s isso: pode ter infuncia essencialsobre a sua arquitetura atual, ajudandoa moldar a imensa teia de galxias quevemos nas maiores escalas de espao etempo. H ainda a matria escura, que cerca de seis vezes mais comum doque a matria luminosa que a quepodemos ver. Tambm no sabemos doque eita a matria escura.

Esse momento de entusiasmo eascnio renovado pelo antigo mistrio

das estrelas coincide com os quatro scu-los da obra do cientista italiano GalileuGalilei (1564-1642), que oi um dos primei-ros a examinar o cu com ajuda de umtelescpio e a desenhar, mo, o quetinha visto na Lua, no Sol, em Jpiter e emSaturno, espantando a sociedade de suapoca. Esse marco oi comemorado peloseventos do Ano Internacional da Astro-

nomia, em 2009, uma celebrao globalda Astronomia e suas contribuies parao conhecimento humano. Uma das me-tas do Ano Internacional oi impulsionar

ortemente a educao, tentar envolver omximo possvel o pblico e engajar os jovens na cincia, por meio de atividadesdos mais diversos tipos nas cidades, emcada pas e tambm globalmente.

Este livro parte desse movimen-to e seu objetivo descrever em lingua-gem simples, mas com detalhes, o que sesabe sobre alguns aspectos do Universo ecomo eles so estudados no Brasil. Almdos atos cient cos, ele visa tambm adestacar o papel cultural e econmicoda Astronomia, como inspirao para odesenvolvimento de muitos outros cam-pos da cincia, especialmente dentro daFsica e da Matemtica.

Mais amplamente, a Astronomiaorneceu e continua a ornecer erra-

mentas conceituais decisivas para a as-tronutica, para a anlise da luz, para acompreenso da energia nuclear, para aprocura de partculas atmicas. Em ter-


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mos do desenvolvimento de materiais etecnologias, ela manteve-se na ronteirada ptica, da mecnica de preciso e daautomao. E, acima de tudo, teve e tempro undo impacto no conhecimento, e uma das mais re nadas expresses dainteligncia humana.

H um sculo, mal tnhamos ideiada existncia de nossa prpria galxia,a Via Lctea. Hoje sabemos que existemcentenas de bilhes delas. Neste incio demilnio, abre-se a perspectiva concretade detectar planetas similares Terra e,possivelmente, vida em outros planetas.E caso a vida exista ora da Terra, inves-tigar mais pro undamente a sua origem.Qualquer que seja a resposta, o impactono pensamento humano ser um marcona histria da civilizao.


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O sistema solar composto por uma estrela, oitoplanetas clssicos, 172 luas, um grande nmero deplanetas anes como Pluto, um nmero incalcu-

lvel de asteroides e dezenas de bilhes de cometas.(Crdito: A. Damineli e Studio Ponto 2D)


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Captulo2

Sistemas planetrios

A teoria da gravidade do sicoingls Isaac Newton (1643-1727) oi de-duzida diretamente das leis de JohannesKepler (1571-1630), que diziam como osplanetas se moviam em torno do Sol. AAstronomia Dinmica a mais antigadisciplina da Astronomia Fsica. Apare-ceu pela primeira vez no livro PrincpiosMatemticos, de Newton, em que a teoriada gravitao de Newton oi aplicada aomovimento dos planetas e seus satlites,assim como dos cometas e asteroides.

O matemtico rancs Pierre-Si-mon Laplace (1749-1827) oi quem deu onome de Mecnica Celeste a esse conjun-to de aplicaes da teoria da gravidade.Nos sculos seguintes a AstronomiaDinmica ampliou-se. Passou a abrangeros movimentos das estrelas dentro dasgalxias e em sistemas com vrias es-trelas ligadas pela gravitao, como osaglomerados de estrelas.

Desde os anos 1950, passou-se aoestudo astrodinmico do movimento desondas e satlites arti ciais, de um lado,e, de outro, o estudo dos sistemas plane-

trios extrassolares, ou seja, orbitandooutras estrelas. Paralelamente, o conjun-to de problemas matemticos que sur-gem da aplicao das equaes de New-ton a sistemas de vrios corpos passou aconstituir uma especialidade autnomadentro da Matemtica.

O uso do nome Astronomia Din-mica e de outros nos mais variadoscontextos, nos quase 400 anos desdeo trabalho de Newton no oi eito demaneira uni orme e sem ambiguidades.Neste captulo vamos tentar eliminar es-sas dvidas. Este captulo trata da parteda Astronomia que estuda os movimen-tos dos corpos do sistema solar. im-portante risar que no possvel isolaro contexto mais amplo da AstronomiaDinmica, que inclui a Mecnica Celestedos matemticos e a Astrodinmica dosengenheiros espaciais.

A nal de contas, no h di erenaentre estas duas coisas: estudar o mo-vimento de um asteroide, em rbita apa-rentemente estvel do cinturo de aste-roides, para uma rbita de coliso com a


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Terra ou a trans erncia de um objeto deuma rbita ao redor da Terra a uma outra,que o leve, por exemplo, at as proximi-dades da Lua ou de Marte.

No nal do sculo XX, os asteroi-des assumiram um papel de destaque naAstronomia Dinmica. A razo principal que hoje se conhecem cerca de 400 milasteroides movendo-se entre Jpiter e osplanetas interiores (Marte, Terra, Vnuse Mercrio). Eles so monitorados regu-larmente, e essa riqueza de in ormaespermite equacionar muitos problemascom preciso. A rbita de um asteroide caracterizada por vrios parmetros indicadores do seu tamanho, orma ouorientao no espao. Essas caractersti-cas no so xas. Variam de acordo coma ao gravitacional conjunta do Sol, deJpiter e de outros planetas.

As leis que regem essas variaesoram determinadas j no sculo XIX. Elas

mostram que a rbita de um asteroidetem elementos prprios, que no mu-dam muito e servem como pistas sobre oseu passado. So traadores: servem para

identi car amlias ou tipos de asteroi-des, e cada amlia, em geral, compostapelos mesmos minerais.

Uma amlia que tem ocupadoastrnomos brasileiros aquela a quepertence o asteroide Vesta. Ela interes-sante para ilustrar o que acontece depoisque se az a caracterizao dinmica deuma amlia. Nesse caso, a caracteriza-o bem completa: os maiores aster-oides dessa amlia oram observados emostrou-se que continham os mesmosminerais. Depois, comparando-se comminerais terrestres, veri cou-se que erambaslticos. Mais ainda: alguns dos meteo-ritos que caem na Terra tm composiosimilar, o que indica um parentesco entreos meteoritos e a amlia Vesta.

Para completar, imagens de Vestaobtidas pelo telescpio espacial Hubblemostraram uma imensa cratera em suasuper cie, a provvel cicatriz de um im-pacto gigantesco no passado. Essa poss-vel coliso arremessou grande quantidadede ragmentos de Vesta para o espao, oque pode ter dado origem a asteroides


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Saturno visto de rente e de costas. Quando visto contra a luz do Sol, Saturnorevela anis imensos que eram desconhecidos at h pouco tempo. Eles so eitos de poeira fna, que resplandece ao ser olhada contra a luz, da mesma orma que insetos e poeira em suspenso no ar brilham quando contem-plamos um pr do sol. (Crdito: NASA Cassini e NASA/JPL/SSI)


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menores e meteoritos (nome que se d aum objeto celeste quando cai na Terra).

Ainda h muitos atos que pre-cisam ser estudados. Primeiro: os asteroi-des resultantes da ragmentao de Vestano tm rbita to perto da rbita de Ves-ta, como deveriam. Segundo: qual teriasido o caminho dos pequenos ragmentos(meteoroides) que caram na Terra? A res-posta no simples e envolve dois e eitos.Um a ao gravitacional conjunta doSol, de Jpiter e dos demais planetas. Nosltimos 30 anos viu-se que essa ao estligada a zonas de movimentos caticasno cinturo de asteroides.

As mais racas modi cam a ormada rbita do asteroide, que pode se tor-nar muito mais longa do que a rbitaoriginal. Nas zonas mais ortes, essee eito pode azer com que o asteroide seaproxime de Marte, Terra, Vnus ou Mer-crio, e pode haver colises com essesplanetas. Dentre os asteroides conheci-dos, cerca de seis mil tm rbitas que seaproximam perigosamente da Terra, detempos em tempos.

Alm dos asteroides, situados en-tre Jpiter e Marte, existe um grandegrupo de objetos que esto alm da r-bita de Netuno. Eles no tm as mesmascaractersticas sicas dos asteroides, queso em geral rochosos. Os objetos maisdistantes, como os cometas, contm di-versos tipos de gelo: de gua, de carbono,de amnia etc. So restos da nuvem degs e poeira primitiva, que tambm deuorigem aos grandes planetas.

Mas os cometas e outros obje-tos relativamente pequenos e distantesacabaram sendo expulsos para longe doSol pela prpria ao gravitacional dosplanetas, enquanto estes se ormavam.Uma regio de grande concentraodesses corpos o chamado cinturo deKuiper, proposto por Gerard Peter Kuiper(1905-1973) em 1951. Desde a dcada pas-sada descobriu-se que ali se move umgrande nmero de objetos em rbitasque no so como as dos planetas, ouseja, quase circulares e planas.

Em vez disso, so elpticas, muitoalongadas e com grandes inclinaes


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regio dos grandes planetas. Uma dasmais importantes leis da Mecnica a daao e reao. Se A empurra B, A empur-rado por B na direo contrria. Portanto,se os grandes planetas empurraram osplanetsimos, tambm oram empurra-dos por eles.

Apesar da di erena de tamanho,os planetas eram poucos e, os planetsi-mos, zilhes. O nmero incalculvel!De empurrozinho em empurrozinho,os planetsimos deslocaram os planetasgigantes para as posies que ocupamhoje. Por exemplo: de acordo com a teo-ria, Netuno j esteve mais perto do Sol doque Urano, e no o contrrio, como hoje.

Devido s interaes com osplanetsimos, eles trocaram de posio.Hoje, alm de Netuno, encontram-se osplanetas anes Pluto e ris, e uma in-

inidade de pequenos corpos ormando

em relao ao plano dos planetas. Plutoaz parte desse cinturo. Existe um es-oro para explicar a con gurao orbital

desses objetos, bem como a distribuiode suas cores e tamanhos. Os modelosdinmicos apontam para processos quetiveram lugar nos primrdios de orma-o e evoluo do Sistema Solar, h maisde quatro bilhes de anos. O descobri-mento de novos objetos pode ajudar adeci rar esse enigma e levar a uma com-preenso mais completa da evoluo doSistema Solar.

Uma teoria atual a rma que osplanetas gigantes, nas ases mais avan-adas de sua ormao, interagiram

ortemente com corpos minsculos chamados planetsimos que restavamno disco de gs e poeira do qual nasceu oSistema Solar. Como resultado da intera-o, os planetsimos oram expulsos da

Jupiter: Imagens do maior planeta do Sistema Solar obtidas (esquerda) atravs de um telescpio em solocom ptica adaptativa e (direita) pela nave espacial Voyager. A viso impressionante destaca a camadamais alta da atmos era e deixa ver detalhes de apenas 300 quilmetros compare com o dimetro do pla-neta: 133.000 km. (crditos: TRAVIS RECTOR (U. ALASKA ANCHORAGE), CHAD TRUJILLO AND THE GEMINI ALTAIRTEAM, NOAO / AURA / NSF E JPL / NASA)


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o cinturo de Kuiper. Essa teoria, que chamada de modelo de Nice, oi desen-volvida com a participao de astrno-mos brasileiros.

Os satlites, ou luas, dos planetasso tambm objetos surpreendentesdo Sistema Solar. O nmero de satlitesconhecidos aumenta ms a ms. Hoje jso mais de 165. A Astronomia Dinmicaocupa-se dos satlites de maneiras dis-tintas. Os grandes so ormados nasvizinhanas dos planetas, e os pequenosesto mais distantes: presumivelmente

oram capturados pelos planetas quando j estavam ormados.

Os dois grupos apresentam pro-blemas muito distintos que so trata-dos de maneiras distintas. Os grandessatlites tm sua evoluo regulada pelaatrao do planeta principal, do Sol e dosdemais grandes satlites. Alm disso, ainterao gravitacional do satlite com oseu planeta di ere da veri cada nos pro-blemas que discutimos at agora porquea proximidade entre satlite e planeta azcom que ocorram mars, tanto em um

O asteroide Ida e sua lua Dactil. Nosistema solar existem 172 luas, 61delas no gigante Jpiter. Mesmoum asteroide pequeno como Ida orbitado por uma lua pequenoponto direita. O asteroide rochoso

mostra marcas de colises com mi-lhares de corpos menores. (Crdito:NASA/JPL/Galileo)


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quanto em outro. O exemplo que todosconhecem a mar causada pela ao daLua sobre a Terra.

O enmeno das mars bem co-nhecido por sua importncia geo sica.O calor que as mars liberam no inte-rior dos corpos pode provocar movimen-tos tectnicos e vulcanismo. O exemplomais antstico so os vulces de Io eseus grandes derrames de enxo re, resul-tantes do grande calor gerado no interiordaquele satlite devido atrao gravita-cional de Jpiter. Mas aqui entra a Fsicapara dizer que esse calor no pode estarsendo gerado a partir do nada.

Se h calor sendo gerado, isto , seenergia est sendo perdida sob a ormade calor, essa energia tem que ter uma

onte, e essa onte a energia do mo-vimento dos corpos. No caso do sistemaTerra-Lua, o grande estoque de energia a rotao da Terra, que vem se tornando,

gradativamente, mais lenta. Essa variao medida. Para manter os relgios acerta-dos com o ritmo da Terra e dar conta do

ato de que a Terra est girando cada vezmais lentamente, com alguma requn-cia introduzem-se segundos intercalares.

As consequncias do enmenodas mars no movimento dos satlitestm sido um dos temas estudados pelosastrnomos brasileiros e devem conti-nuar a ser pelos prximos anos, principal-mente no caso dos satlites de Saturno(e tambm de planetas extrassolares). Osestudos realizados so mais completosdo que mencionamos acima, pois, almdo balano de energia, considera-se tam-bm a conservao do momento angular,que provoca a expanso das rbitas demuitos satlites.

O melhor conhecimento daevoluo das rbitas undamen-tal para que se possa ter um melhor

Cometa McNaught Os cometas so restos da ormao dosistema solar, que no oram agluti-nados pelos planetas e pelo Sol. Logoaps a ormao dos grandes planetas(Jpiter e Saturno) eles oram estilin- gados para longe, ormando a nuvem

de Oort . Ocasionalmente, algum dessesicebergs despenca em direo ao Sol,estendendo sua bela cauda com mi-lhes de quilmetros de comprimento. A maior parte da gua que temos naTerra oi trazida por cometas. (Crdito:ESO/Sebastian Deiries)


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conhecimento da gerao de energiano interior de satlites com crosta degelo, como Europa e Tit, onde se pre-sume que existam espessos lenis degua em orma lquida oceanos in-teriores capazes de abrigar ormasextremas de vida. Outros satlitesplanetrios tambm apresentam en-menos que, para serem explicados, necessrio um melhor conhecimentodas questes ligadas origem de suasmani estaes trmicas.

O enmeno mais popular nestemomento so os jatos de vapor deEnclado (satlite de Saturno) e aeromodelagem recente da sua super cie.As ontes de calor que propiciam esses

enmenos no so conhecidas. As pes-quisas atuais procuram, usando tcni-cas de dinmica no linear, mapear res-sonncias secundrias associadas aomovimento de Dione (outro satlite deSaturno), cuja travessia poderia alterara rbita de Enclado de modo a aumen-tar a gerao de energia trmica pelasmars em seu interior.

Os satlites planetrios mais ex-ternos, em geral pequenos, so exemplosde um paradigma clssico: o problemarestrito dos trs corpos. Esse problematrata do movimento de uma partculade massa desprezvel o satlite soba ao gravitacional de dois corposmaiores o planeta e o Sol. As rbitasdesses satlites so muito di erentesdas dos demais.

Enquanto os satlites internosesto em geral em rbitas quase circu-lares situadas no plano equatorial doplaneta, os satlites mais externos tmorbitas de grande elipticidade e situadasem planos bastante inclinados. Muitos,inclusive, movem-se em uma direocontrria ao movimento rotacional doplaneta. No parecem haver se ormadonas rbitas em que se encontram. Pare-cem antes corpos ormados em outrasregies do Sistema Solar.

Asteroides tambm podem tersatlites. O primeiro deles oi detectadopela sonda espacial Galileo. At o mo-mento quase cem deles j oram iden-


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ti icados, e o uso de ptica adaptativae de grandes telescpios deve revelarmuitos outros. Essas descobertas le-vantam questes sobre a origem e aevoluo desses objetos.

Finalmente, os anis, que estoentre os corpos mais bonitos do SistemaSolar: os de Saturno, que so conhecidosdesde a poca de Galileu, ainda so es-tudados. Um ponto alto desses estudos

oram os dados obtidos pelas sondasVoyager, em 1980-81. Mais recentemente,ampliaram-se as in ormaes sobre osanis com a ajuda da sonda Cassini, em2004. Essas imagens tm permitido in-meras descobertas, tais como a mor olo-

Nebulosa com ormao de estrelas contendo a hipergigante eta Carinae, no centro. (Crdito: Gilberto Jardi-neiro - Astro Clube Cunha)

gia dos anis e o tamanho das partculasque os ormam, de gros de poeira a ro-chas com alguns metros.


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Camada de oznio: assinatura de atividade biolgica aerbica.Este um dos sinais mais inequvocos de atividade biolgica,pois no existe nenhum outro processo que possa manter uma

importante rao de oxignio na atmos era.


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Captulo3

Exoplanetas e a procura de

vida ora da Terra

Estamos ss no Universo? Essaquesto vem ecoando no vazio atravsdos tempos. Esse vazio oi povoado de

antasias de aliengenas visitando aTerra. Alguns radioastrnomos desen-volveram detectores antsticos ca-pazes de monitorar simultaneamentemilhes de sinais, para capt-los dis-tncia. Mas nada at agora! Isso noquer dizer necessariamente que noexista vida ora da Terra. A perguntatem algum a? parece bvia, maspode icar sem resposta por uma srieenorme de motivos secundrios. Elapressupe no s que existam seresinteligentes (ou melhor, que tenhamcapacidade de linguagem simblica),mas tambm que tenham tecnologiade transmisso de sinais e queiramdar sinal de sua existncia. No h ne-nhuma teoria cient ica que possa nosguiar nesse terreno escorregadio.

Recentemente, os astrnomos en-contraram uma pergunta mais produti-va: Existe vida como a da Terra em outrosplanetas? Essa uma questo que pode

ser testada experimentalmente, encai-xando-se assim no paradigma tradicio-nal da cincia. Embora no tenhamosuma teoria geral da vida, sabemos bemcomo a daqui unciona e como detectar apresena dela em outros planetas.

Por vida como a da Terra en-tenda micrbios. Existem muito maisespcies e indivduos microscpicosdo que macroscpicos. Os micrbioscausam um impacto muito maiorsobre a bios era do que os seres ma-croscpicos. Por exemplo, a camadade oznio (O3) ormada pela otos-sntese, produzida principalmente poralgas marinhas unicelulares. Essa aassinatura mais robusta de atividadebiolgica. Micrbios anaerbicos que sealimentam da matria orgnica no in-testino de animais e da decomposiode restos vegetais produzem uma ca-mada de metano (CH4) na alta atmos-

era. Esses gases podem ser detectadosacilmente por um observador ora da

Terra, enquanto os seres macroscpicospermanecem literalmente ocultos sob


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a atmos era, sob a gua ou enterradosno solo. A contaminao biolgica pormicrbios acilmente detectvel. Maisdo que isso, essa orma simples de vidain esta nosso planeta h 3,5 bilhes deanos, contra 0,6 bilho de anos da vidamacroscpica. A janela temporal duma grande vantagem de deteco aosmicrbios. Os ETs atuais so invisveis eisso os torna mais ceis de encontrar!

Mas a probabilidade de orma-o de vida como a da Terra seria altaou baixa em outros lugares? As clulastm alta percentagem de gua, indi-cando a importncia do meio lquidopara elas. Nesse aspecto, a Terra umlocal rido para os padres csmicos. Agua uma das substncias mais co-muns e mais antigas do Universo. Elase ormou usando o hidrognio geradono Big Bang e o oxignio expelido namorte da primeira gerao de grandesestrelas, h 13,5 bilhes de anos. Osoutros tomos biognicos, nitrognioe carbono, tambm oram ormadosh mais de 12 bilhes de anos e esto

Lista de exoplanetas mais prximos descobertos at o mo-mento. A grande maioria dos exoplanetas conhecidos sogigantes gasosos, maiores que Jpiter, com rbitas muitoprximas da estrela central. Isso no representa necessari-amente a regra geral, mas sim uma limitao das tcnicasatuais, por serem esses casos mais ceis de detectar. (Crdi-to: Cali ornia Carnegie)


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entre os mais abundantes do Universo.Esses quatro elementos qumicos, C, H,O e N, ormam mais de 99% da mat-ria viva e so ceis de encontrar. Para

ormar as molculas essenciais da vida,basta adicionar um pouco de energia,que bem abundante nas zonas dehabitabilidade (ou gua lquida) emtorno de cada uma das 200 bilhes deestrelas da Via Lctea. Os ingredientesessenciais para a vida so muito co-muns no Universo, o que indica que ele bi ilo. Mesmo as grandes molculasda vida, como os aminocidos, so pro-duzidas por reaes qumicas abiticasno espao. Muitos meteoritos que aquiaportaram trouxeram aminocidos, in-clusive de tipos di erentes dos 20 usa-dos pelos seres vivos.

Mais um ponto a avor da ideiade que nosso universo bi lo: a vidaestabeleceu-se praticamente junto como prprio planeta. Os ltimos grandesmeteoritos com massa su ciente paraproduzir choques esterilizantes caramcerca de 3,9 bilhes de anos atrs e al-

gumas rochas de 3,8 bilhes de anos japresentam indicadores de processosbiolgicos. Depois disso, muitos even-tos catastr cos castigaram o planeta,como quedas de meteoros, vulcanismoe glaciaes, mas a vida nunca oi to-talmente interrompida. Pelo contrrio,aps cada catstro e ela apresentavauma diversi cao maior. Esse cenriomais amplo indica que a vida no to

rgil quanto muitos pensam. umapraga agressiva e resistente. O ato deparecer para ns to complicada noimplica que tambm o seja para a natu-reza. Provavelmente o ato de ainda noa termos descoberto ora da Terra deve-se ao ato de ainda no termos procu-rado com os meios adequados.

Onde procurar? O sitema solar at um pouco irrelevante para a pro-cura da vida. Nele, s nosso planetaest situado na zona de gua lquida(em ambiente aberto). Marte congelouh mais de 3,5 bilhes de anos e, nomximo, espera-se encontrar sseismicroscpicos que teriam vivido antes


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disso. Outros lugares, incluindo a luade Jpiter Europa, embora no impedi-tivos para a vida, so muito inspitospara se investir grande quantidadede recursos humanos e inanceiros. Adescoberta de mais de 400 planetasem torno de outras estrelas, em pou-cos anos de pesquisa, indica que, comoera esperado teoricamente, cada es-trela circundada por um carrossel deplanetas. Mesmo se nos restringirmosaos planetas rochosos, que circulamna zona de gua lquida, o nmero es-perado de bilhes, s na Via Lctea.Tudo o que temos de azer construirtelescpios com poder de resoluo

espacial su iciente para otogra ar oplanetinha separado da estrela hos-pedeira. Depois disso, analisamos sualuz atravs de um espectrgra o e pro-curamos as assinaturas de atividadebiolgica. Em menos de duas dcadasisso ser actvel e centenas de pla-netas sero descobertos e analisadosa cada noite. Pode-se imaginar umcatlogo de planetas extrassolarescom uma coluna marcando a identi-

icao positiva do oznio e outra dometano. Se houver muitos com sinaisde vida, estar provado que a vida uma mera oportunidade da qumicacomum. Mas pode at ser que no se

CoRoT-7b: exoplaneta com massa de apenas cinco vezes a da Terra. A estrela hospedeira bem parecida como Sol e o raio da rbita desse planeta menor que o de Mercrio, o que indica que ele um in erno de calor.No propcio vida, mas um astro de grande interesse para a planetologia. (Crdito: ESA)


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encontre nenhum! Qualquer dos doisresultados ter um pro undo impactono pensamento humano, e a grandemaioria das pessoas atuais vivero es-ses momentos excitantes. A essa al-tura, a instrumentao astronmicaser to so isticada que os admirveistelescpios atuais sero quase peasde museu. O possvel resultado nega-tivo no ser um problema para acincia, pois ela unciona assim, criasituaes crticas para testar suasa irmaes. O teste da realidade seucrivo de veracidade e ser a primeiravez que a humanidade poder discutiressa questo com dados nas mos.

A procura por exoplanetas rocho-sos tem avanado rapidamente, a partirdo lanamento do satlite CoRoT, do qualo Brasil scio, que j ez diversas des-cobertas importantes. O satlite Keplertambm est entrando em operao ea lista de planetas rochosos deve crescerrapidamente nos prximos anos.


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Em cima: Via Lctea como seria vista do topo. Nossa galxia do tipo espiral. Ela tem umabarra de estrelas velhas no centro (amareladas) e braos com estrelas jovens (azuis) naperi eria. Ainda no sabemos se ela tem dois ou quatro braos. (Crdito: NASA/Spitzer)Em baixo: Via Lctea como a vemos a partir da Terra de perfl. As manchas nebulosas soestrelas individuais, como Galileu demonstrou atravs de sua luneta h 400 anos. As man-chas escuras so nuvens de poeira que obscurecem as estrelas de undo. (Crdito: ESO)


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es de brilho e a perda de massa, masno se sabe como isso acontece. Existemcasos em que a perda de massa acon-tece em erupes gigantes, nas quais aestrela oscilante chega a perder matriana proporo de dez massas solares ouseja, a estrela perde matria equivalente de dez estrelas como o Sol.

Isso aconteceu h dois sculoscom a estrela Eta Carinae, situada naVia Lctea. Esse tipo de turbulnciacsmica recebe o nome de supernovaimpostora, porque imita a explosoderradeira na vida das estrelas muitosgrandes, chamada de supernova. Eta Ca-rinae, porm, no estava nos estertores

nais quando estremeceu h dois scu-los. Continuou existindo. Da o interessede suas crises para o estudo das grandesestrelas inclusive porque se registramexploses ainda maiores, conhecidashoje como surtos de raios gama.

Alguns surtos so relacionadoscom a acreo, ou seja, a absoro de ma-tria pelos buracos negros nos centrosdas galxias ativas. Buracos negros so

as estrelas mais densas que existem edevoram estrelas inteiras com sua gravi-dade descomunal. Um evento desse tipo

oi descoberto pelo Telescpio Auger, umgrande detector internacional de raioscsmicos localizado na Argentina e co-ordenado por brasileiros.

Alm das estrelas comuns, grandesou pequenas, os astrnomos brasileirostambm estudam estrelas mais com-plicadas, que eles chamam de objetoscompactos. Existem vrios tipos de obje-tos compactos, como os buracos negros,que podem ter, mais ou menos, a escalade massa de uma estrela comum ou

ormar o ncleo de uma galxia inteira.Neste caso, podem ter massa maior quemilhes de sis. Existem ainda discosde matria em torno de estrelas ou degalxias, assim como estrelas chamadasans brancas. Elas so o que sobra dasestrelas, ao terminar seu combustvelnuclear. Elas explodem e deixam deresduo um caroo duro, pequeno epouco luminoso. Acabam assim cerca de98% dos astros.


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Eta Carinae uma estrela do tipovarivel: muda de brilho constantemente.Nesse caso, as variaes seriam acom-panhadas por grandes jorros de mat-ria. Existem sinais ortes obtidos emgrande parte pela astronomia brasileira de que a nuvem oculta duas estrelas,girando uma em torno da outra. Ambasseriam enormes, j que, juntas, emitemuma energia equivalente a cinco milhesde estrelas como o Sol.

Em todos esses casos, til ob-servar a variao do brilho dos objetosestudados. Isso indiretamente ornecein ormao sobre as camadas internasdas estrelas: como a matria est em-

pilhada l dentro? Certas ans bran-cas, por exemplo, tm pulsaes de luz,variaes regulares na luminosidade.Depois de mapeadas durante algumtempo, as pulsaes do muitas indi-caes importantes: pode-se estimar agravidade e a temperatura na super -cie desse objeto, ou de que maneira aestrela est se trans ormando. poss-vel at imaginar como era a estrela quecriou o objeto compacto. As pulsaesso o nico meio de estudar as estrelaspor dentro. o mesmo tipo de estudodo interior da Terra pelas oscilaesproduzidas por terremotos, chamadode sismologia.

eta Carinae: embora no parea, essa imagem representa uma estrela como se v eta

Carinae, a maior que se conhece. Gigantescas nuvens de gs e poeira, somando 20 massassolares ejetadas pela estrela no ano de 1843, no permitem que ela seja vista diretamente.Ela continua perdendo massa ao ritmo de uma Terra por dia. (Crdito: Nathan Smith eNASA/HST). Tcnicas especiais permitiram revelar a existncia de um par de estrelas (in-visveis ao telescpio) e representadas pela simulao computacional de Atsuo Okasaki (direita). Note a tremenda coliso entre os ventos ejetados pelas estrelas companheiras,que espiralam medida que elas seguem suas rbitas. (Crdito: ESO e A. Okazaki)


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Mas, alm disso, medindo a idadedas ans brancas mais antigas de umagalxia, chega-se a uma estimativa daidade da prpria galxia. Mas, por se-rem pouco luminosas, s enxergamosas ans brancas da nossa prpria ga-lxia. Outra possibilidade interessante veri icar se a an branca est acom-panhada de outra estrela ou de umplaneta. Esse tipo de estudo oi eitopor brasileiros e seus colaboradoresestrangeiros para algumas estrelas.Em duas delas, por exemplo, chamadasG117-B15A e R548, a indicao de queesto sozinhas se houver um objetogirando em torno delas, deve ser bempequeno, mais de dez vezes menorque Jpiter. Noutra investigao, nosEstados Unidos, com a colaboraode brasileiros, descobriu-se o primeirocandidato a planeta girando em tornode uma an branca, a GD 66.

Tambm oi possvel triplicar onmero de ans brancas pulsantes co-nhecidas. Nos prximos anos, a meta estudar vrios outros astros desse tipo,

inclusive usando telescpios como o de1,6 metro de dimetro do LaboratrioNacional de Astro sica, o SOAR e o Gem-ini Sul, ambos situados no Chile. Um dosdesa os interessantes dessa pesquisaso dois enmenos previstos h 40anos e nunca antes veri cados: a cris-talizao e a liberao de calor latente,como quando a gua congela. O estudorecente de ans brancas no aglomeradoglobular NGC 6397 por brasileiros e seuscolaboradores estrangeiros comprovouesses dois enmenos.

Surtos de raios gama so os even-tos de maior energia observados no Uni-verso, e quase nada se sabe de conclusi-vo sobre eles. Em milsimos de segundo,s vezes, os surtos de raios gama liberammais de 1044 Joules ou seja, cem mi-lhes de vezes mais do que o Sol produzem um sculo. Esse incrvel arol cs-mico no de luz visvel, como acontececom o Sol, mas de raios gama, que soum tipo de radiao eletromagntica,como a luz comum, s que sua energia muitssimo mais alta.

Ao lado, a nebulosa da Tarntula (na parte superior) uma das regies maisestudadas com o objetivo de entender a ormao das estrelas de grande mas-sa. Mede cerca de mil anos-luz, ou dez mil trilhes de quilmetros, e contmgrandes nuvens de matria energizadas pela radiao de estrelas gigantesrecm-nascidas. Est a 170 mil anos-luz da Terra, o que bem perto em termosastronmicos, e ca numa galxia satlite da Via Lctea, a Grande Nuvem deMagalhes, que pode ser vista a olho nu. (Crdito: ESO)


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SN1987AEm 1987 viu-se pela primeiravez ao telescpio, a uma dis-tncia relativamente pequena,uma grande exploso estelar:uma supernova, que por algunsdias brilhou mais que a galxiainteira. Chamada de SN1987A,ela ocorreu h 170 mil anos.Esta imagem mostra a colisoda onda de choque da exploso(como um colar de prolas), que

dez anos aps a exploso atingiuo material anteriormente ejeta-do pelos ventos da estrela.(Crdito: NASA/HST)

O gr co mostra o aumento dobrilho da SN1987A e depois o de-clnio, medida que os restos daestrela se espalhavam e seu caroocentral se reduzia a um corpo den-

so mas apagado. (Crdito: ESO)


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Se houver uma trombada entre osdois astros, por algum motivo, a colisopoderia gerar um surto de longa durao.No caso dos surtos rpidos, imagina-seque eles venham de um rearranjo internode um resto de supernova o caroo quesobra da morte de uma estrela gigante.Acontece que esse tipo de objeto contmapenas partculas atmicas, como se ele

osse um ncleo atmico gigante, eitode nutrons (o nutron um dos trscomponentes dos tomos, ao lado doseltrons e dos prtons).

Por isso, alguns astros geradospelas supernovas so chamados de es-trelas de nutrons. Mas os nutrons(assim como os prtons) so eitos departculas ainda menores, que so osquarks. Signi ca que, se os nutrons sedesintegram, liberam os quarks de queso eitos e, junto com eles, uma imensa

quantidade de energia. Essa energia comparvel que se observa nos surtosde raios gama, indicando que o que so-bra do astro extinto pode ser um novotipo de astro: uma estrela de quarks.

Todos os surtos de raios gama ob-servados esto ora da Via Lctea, masexiste um enmeno parecido, que seorigina dentro da nossa galxia. So osrepetidores de raios gama macios, queemitem principalmente raios X, mas vezpor outra liberam surtos moderados deraios gama (um bilho de vezes mais

racos que seus parentes distantes),com durao de um dcimo de segundo.Apenas quatro surtos desse tipo oramvistos at agora, trs deles na Via Lc-tea e outro na Grande Nuvem de Maga-lhes, uma galxia satlite da nossa. Umdeles, o SGR 1806-20, na constelaodo Sagitrio, brilhou centenas de vezes

Magnetos era de um pulsar. Os pulsaresso estrelas de nutrons com camposmagnticos ortssimos, da ordem de tri-lhes de Gauss. Esses cadveres de es-trelas giram muitas vezes por segundo eseus p0los magnticos so inclinados emrelao ao eixo de rotao, como no casoda Terra. Como eles emitem luz s num

eixe estreito ao longo do polo, o eixevarre o espao como um arol martimo.Um observador distante v uma sequnciade pulsos luminosos - da o nome pulsar.(Crdito: NASA/Chandra)


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Note que o momento angular de-pende do raio de rotao e da velocidadede rotao: antes da nuvem encolher, oraio era grande e a velocidade pequena,mas o raio oi diminuindo enquanto a nu-vem se contraa e a velocidade aumentava.Mas partes da matria da nuvem conden-saram-se longe da estrela. No m das con-tas, o sistema conservou todo o momentoangular da nuvem. Nada se perdeu.

previsvel, portanto, que essemesmo mecanismo leve ormao deestrelas duplas, em decorrncia da ne-cessidade de conservar os momentos an-gulares das nuvens que as criaram.

Pelo mesmo raciocnio pode-seespecular que boa parte das estrelas nobinrias deve ter planetas sua volta, isto, que a existncia de planetas seja maisuma regra do que uma exceo no Uni-verso, ou pelo menos nas galxias comrotao, espirais como a nossa.

O nascimento das estrelas umdos aspectos mais desa adores da cin-cia do Universo, e o estudo dos sistemasbinrios uma chave para entender esse

processo. nos sistemas binrios que sechega com mais preciso e con ana aalguns dos nmeros bsicos das estrelas,como a massa, o raio e a temperatura.Os astrnomos construram modelosmatemticos que descrevem bem a es-trutura interna e a evoluo das estrelassituadas dentro de certos limites: as quetm massa igual ou maior que a do Sol,at o limite de 20 vezes a massa do Sol(M0). Para estrelas menores ou maioresque esses limites, ainda aparecem dis-crepncias importantes entre os modelose as observaes.

Tentar cobrir essa lacuna, por-tanto, parece ser um dos ocos da pes-quisa nesse campo, atualmente, e oestudo das estrelas duplas pode trazeralgumas respostas para lacunas exis-tentes na dinmica e estrutura estelar.A ideia localizar e investigar sistemasadequados para se medir com precisoas massas, os raios e as temperaturasestelares. Parece promissor estudar du-plas de estrelas jovens nos estgios ini-ciais da evoluo estelar.


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Uma descoberta excitante, eitarecentemente, envolve sistemas binriosde estrelas bem pequenas (chamadasans marrons) que tambm so eclip-santes, o que quer dizer que, ao girar,uma das estrelas passa periodicamente

rente da outra, quando se olha do pontode vista da Terra. Esse ato ajuda muitoa analisar os astros que compem umadupla, especialmente para calcular seusraios e temperaturas.

As estrelas atualmente se or-mam em berrios, que so regies degrande concentrao de poeira e gs, ouseja, nuvens de matria no espao. Emalguns pontos da nuvem, a matria dincio ormao estelar porque entraem processo de contrao pela atraogravitacional entre as partculas de poei-ra e as molculas de gs. Como aconteceem geral, as estrelas duplas so comunsnesses agrupamentos e alvos privilegia-dos para se observar a evoluo estelarnos estgios iniciais. No simples comoparece, porque preciso combinar umgrande nmero de dados distintos. As

curvas de luz, por exemplo, indicam comoo brilho de uma estrela varia com o tem-po, e, entre outras coisas, pode revelar amassa da estrela.

Tambm preciso determinar cor-retamente a cor da estrela, que est asso-ciada temperatura nas camadas exter-nas da estrela: as vermelhas so mais riasque as azuis, por exemplo. Outro dado cru-cial so as mudanas nas estrelas por cau-sa do movimento delas: se uma estrela seaproxima de um observador, sua cor noimporta qual seja ca um pouco maisazulada. Quando a estrela se a asta, a cor

ca mais avermelhada, pois o movimentoem nossa direo diminui o comprimentode onda da luz emitida e, quanto menoro comprimento de onda, mais azul parece.Esse trabalho ca mais cil, porm, quan-do se tem disposio instrumentos deprimeira linha, como o SOAR e o Gemini.Eles tm dado um impulso rme aos estu-dos dos brasileiros sobre nascimento, vidae morte das estrelas.

Outro campo de estudo o cl-culo da idade do universo a partir do


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estudo de suas estrelas mais velhas,como as ans brancas rias. Essa pes-quisa eita desde 1987 por um grupoque rene cientistas brasileiros e ameri-canos. Naquela poca, esse grupo era onico que sugeria uma idade in erior a15 bilhes de anos para o universo, e es-tava no rumo certo: a estimativa atual,bastante precisa, de que o cosmotenha 13,7 bilhes de anos. Alm disso,esse mesmo grupo de pesquisadores

oi o primeiro, em 1992, a localizar umdiamante no cu uma estrela de car-bono cristalizado da mesma orma queum diamante, batizada com a sigla BPM37093, pois a estrela nmero 37.093 docatlogo chamado Bruce Proper Motion.

Depois disso, o grupo descobriuvrias outras estrelas cristalizadas, uti-lizando, para isso, dados do TelescpioEspacial Hubble. Fez progresso tam-bm ao localizar ans brancas mas-sivas que podem estar prestes a geraruma supernova, se receberem massa deoutra estrela em um sistema binrio in-teragente. Os telescpios usados para

Buraco negro binrio em 3C75. No centrodas grandes galxias sempre se encon-tram buracos negros gigantes. Esta temdois. A massa do contedo estelar do bojodessas galxias proporcional massa do

buraco negro central, indicando que eleest intimamente ligado a toda a galxia. possvel que os buracos negros gigantessejam as sementes das galxias. (Crdito:NASA/Chandra).


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O sistema binrio GRO 1655-40 composto de uma estrela normal de duas massas solares ligada gravi-tacionalmente a um buraco negro de sete massas solares. A ilustrao mostra matria sugada da com-panheira normal para o disco de acreo em torno do buraco negro. O disco de acreo to quente queemite raios X e expele ventos a altas velocidades. (Crdito: M. Weiss NASA/Chandra)


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Chamados de disco de acreo, os anisem duplas de estrelas envolvem a perdade massa de um dos astros e a quedaacelerada dessa massa em direo aooutro componente da dupla.

Por conservao de momento an-gular, a massa cadente entra em rbitaao redor da estrela que a atraiu, adquirin-do velocidades muito altas que aquecema massa circulante. Com isso, ela passa aemitir grande quantidade de luz. Ocor-rem, ao todo, quatro trans ormaes:quando est prestes a cair, a matria daestrela que perde massa tem energia po-tencial porque est sendo atrada pelagravidade da outra estrela; depois ganhavelocidade de queda e de rotao, que energia cintica; nesse ponto, os choquesentre as partculas criam calor, ou ener-gia trmica; en m, os tomos e molcu-las da massa vibram por causa do calor eemitem luz, que energia radiativa.

Ainda na dcada de 1970 desco-briu-se que tambm acontecem grandestrans erncias de matria no ncleodas galxias, numa escala muito maior

do que nos sistemas estelares simples.Nesse caso, o objeto que captura massa um buraco negro gigante, que geral-mente tem massa um milho de vezesmaior que a do Sol, podendo chegar aum bilho de vezes. Buracos negros soos corpos mais densos que existem nouniverso, j que suas massas enormesesto concentradas em volumes mins-culos, em comparao com as estrelas.Assim como as ans brancas e as estrelasde nutrons, eles tambm so corpos co-lapsados, isto , resultam da morte deestrelas normais. Existe uma ordem degrandeza: as ans so restos de estrelasmenores, como o Sol, e as estrelas denutrons e os buracos negros resultamda exploso de estrelas grandes.

Alm disso, pode haver uma esp-cie de promoo, nessa hierarquia seuma an branca receber massa de umacompanheira binria, por exemplo, elapode explodir e trans ormar-se numaestrela de nutrons, mais densa e maiscompacta. Da mesma orma, se uma es-trela de nutrons receber massa de seu


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par, pode virar um buraco negro. pormeio dessa acumulao progressiva demassa, aparentemente, que surgem osburacos negros gigantes nos centrosdas galxias, ou pela coliso de buracosnegros menores, que perdem energia ro-tacional, isto , momento angular, pelaemisso de ondas gravitacionais. Osncleos das galxias so onde as estre-las esto mais concentradas ou seja,existe muita matria para alimentar ocrescimento dos buracos negros. Entosurgem imensos discos de acreo, cujobrilho pode superar, em alguns casos emmil vezes, o de todo o resto da galxia.

De orma geral, o brilho dos dis-cos de acreo depende da quantidadede massa que cai e entra em rotao aoredor do objeto central. Como essa quan-tidade varia com o tempo, a luminosi-dade acompanha essa oscilao. Outracaracterstica marcante que esse brilhocontm muita luz ultravioleta, e mesmoraios X, comparado com o das estrelascomuns. Ento, juntando as oscilaesde brilho com dados sobre a cor, pode-se

distinguir um disco de acreo de umaestrela comum. Mas essa simpli cao,apesar de til, pode ser enganosa, porqueexiste uma variedade enorme de siste-mas galcticos superbrilhantes.

E esse um dos desa os que en-contraram o SDSS (Sloan Digital Sky Sur-vey) e esperam a nova gerao de telesc-pios gigantes para coletar dados, azerum vasto recenseamento no universo eclassi car toda a auna csmica. Depois, preciso estudar todos os inmeros ti-pos de ncleos galcticos para tentardescobrir como eles evoluem, se existemregies csmicas mais ou menos povoa-das, quais so os tipos mais comuns eassim por diante. O mesmo vale para osdiscos menores, ormados por objetosestelares, em vez de ncleos galcticos.Com os telescpios gigantes da prximagerao, eles podem ser observados emoutras galxias, alm da Via Lctea.

No nal do sculo XVIII, o l-so o alemo Imanuel Kant (1724-1804)sugeriu que inmeras manchinhasvistas no cu eram, de ato, gigantescas


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absorvidas por essas massas, e so ex-tremamente teis nesses estudos.

A compresso do gs pela rota-o dos braos espirais das galxias um dos principais mecanismos desen-cadeadores da ormao de estrelasnas galxias, e coloca uma srie de per-guntas intrigantes. Como eles so cria-dos? Quanto tempo duram? Eles giram junto com as estrelas ou tm velocidadeprpria, atropelando as estrelas, s ve-zes, ou sendo atropelado por elas? O queos az girar, em primeiro lugar? Com osdados disponveis atualmente, algunsdos braos so e meros e outros soestveis e, portanto, de longa durao.

Essa diversidade, naturalmente,est associada prpria origem das ga-lxias, no princpio do universo. Nessalinha de pensamento, uma hiptese so-bre a origem dos braos que as gal-xias perturbam umas s outras: a gravi-dade de uma galxia, ao passar pertode uma segunda, pode perturbar o conjunto de gs e estrelas e reorganiz-lana orma de braos espirais. Mesmo

depois da passagem da outra galxia,ela tende a perpetuar a nova orma es-piralada, sugerindo que os braos soestveis. Mas, para testar essa ideia,

undamental obter a maior quantidadepossvel de in ormao. Caso contrrioos modelos tericos tendem a ornecerrespostas inconclusivas.

Atualmente existem meios decontornar o obstculo das massas depoeira e gs, e os astrnomos brasilei-ros esto equipados para desbravar olado oculto da Via Lctea. O pas atual-mente dispe, por exemplo, de temponos telescpios com boa viso dos raiosin ravermelhos uma das ormas de luzcom mais acilidade para atravessar gse poeira, uma vez que possui compri-mento de onda maior do que o tamanhodos gros de poeira.

Com isso, os astrnomos podem,por exemplo, localizar regies de nasci-mento de grandes estrelas, que semprese ormam nos braos espirais e, indire-tamente, do uma ideia de onde es-to localizados. Os grupos de pesquisa


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brasileiros utilizam principalmente ostelescpios SOAR e Gemini nessa tare a.Ao lado disso, tentam observar, no asprprias estrelas, mas a concentrao dehidrognio ionizado pelas estrelas muitoquentes, chamado HII, que muito co-mum nas galxias espirais e tende a seconcentrar nos braos. Portanto, o mapado gs tambm ornece indcios impor-tantes sobre a estrutura galctica. Essabusca poder ser eita de um modoainda melhor com o grande conjunto deradiotelescpios Alma, em construono Chile, mas que ainda no conta comparticipao brasileira.

Os astrnomos tambm procuramanalisar a velocidade das estrelas da ViaLctea de orma bem detalhada, o quelhes pode dar uma ideia de sua trajetriano passado. Nesse caso, til estudarobjetos muito interessantes, chamadosaglomerados abertos, que so grandesbolas de estrelas, nascidas nos braosespirais. E h sinais de que os aglomera-dos recebem um impulso dos braos es-pirais quando estes nascem. Se assim, o

movimento das bolas de estrelas podedar uma pista sobre a possvel perturba-o criadora dos braos. Os telescpiosgigantes da nova gerao devero encon-trar um bom nmero de aglomeradosabertos mais distantes, j que a amostraatualmente disponvel situa-se num en-torno de trs mil anos-luz do Sol e a ViaLctea muito maior, com um dimetrode 90 mil anos-luz.

Outra pista so as Ce eidas, queso estrelas pulsantes elas incham eencolhem regularmente, e ao mesmotempo seu brilho aumenta e diminuiem escalas de tempo de poucos dias. Es-sas oscilaes permitem deduzir o brilhoprprio das Ce eidas, e a partir da deduzirse esto mais prximos ou mais distan-tes, con orme paream mais ou menosapagadas daqui da Terra. O LSST dever

azer uma vigilncia de grandes reas docu, medindo o brilho das estrelas dessasreas de trs em trs dias. Assim poderdescobrir as que esto pulsando comoCe eidas e deduzir as distncias das reasem que cada Ce eida se encontra.

Ce eida: estrela pulsanteque obedece a uma rela-o de inida entre o pero-do e a luminosidade. Asmais luminosas tm pero-dos mais longos.


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tos, ou seja, que o brao uma estruturade longa durao.

Em resumo, a soma desses vriostipos de in ormao pode levar a umaviso completa da estrutura da Via Lc-tea. E isso no tudo, porque mesmo nasregies mais prximas do Sol ainda exis-tem muitas estrelas que nunca oramestudadas, porque so muito racas. Issoagora pode ser eito com novos instru-mentos, que so capazes de ver at asestrelas mais racas num raio de quasemil anos-luz em torno do Sol. Essa conta-gem vai levar a um nmero mais precisoda densidade estelar da galxia, isto ,o nmero total de estrelas dividido pelovolume total da Via Lctea.

Dados mais precisos sobre a den-sidade de estrelas ajudam a entenderoutras estruturas alm dos braos espi-rais, como o bojo, o disco, o halo e a barrada galxia. Tambm se pode usar essesdados para checar um componente in-trigante das galxias: a matria escura.No se sabe do que eita a matria es-cura porque, como diz o nome, ela no

emite luz. Mas sabemos que ela existepor causa dos seus e eitos gravitacio-nais: a matria escura az as galxias gi-rarem mais depressa do que girariam ses tivessem estrelas, por conterem maisenergia. Dados melhores sobre a den-sidade estelar da Via Lctea permitemcalcular mais precisamente sua rotao.Comparando esse nmero com a rota-o que se observa na prtica, deduz-seo e eito da matria escura: quanto maiora rotao, maior a massa de matria es-cura escondida na galxia.


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Omega Centauri: as estrelas de aglomerados globulares como este, forma-ram-se todas juntas h 12 bilhes de anos. Parecem joias no espao. Poucosobjetos celestes so mais impressionantes. Nesta imagem veem-se partedos dez milhes de astros-irmos do aglomerado. (Crdito: NASA e ESA/HST)


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Captulo5

Populaes estelares

Cada uma das grandes estruturasdas galxias tem sua prpria populaode estrelas, e para entender a estrutura preciso conhecer bem as suas populaesestelares: identi car as caractersticasprprias das estrelas que pertencem scomponentes principais, que so o bojo,o halo e o disco, este ltimo incluindo osbraos espirais. Esses dados so bsicose tm de ser determinados com muitomais detalhes do que os disponveis atagora. Da a importncia de um estudorecente, eito por um grupo brasileiro,que identi cou 340 novos aglomeradosde estrelas situados no disco da Via Lc-tea.

O nmero de aglomerados conhe-cidos simplesmente dobrou depoisdesse estudo, indicando o quanto altainvestigar para termos uma viso maiscompleta da Galxia em que vivemos. Osastrnomos brasileiros podem ajudar aampliar o conhecimento nessa linha depesquisa. Ainda em 2009, por exemplo,grupos brasileiros devem comear a ana-lisar os dados obtidos de uma nova busca

de aglomerados desconhecidos, por meiode raios in ravermelhos, com o telescpioVista, do ESO, Observatrio MeridionalEuropeu, que vai observar o bojo da ViaLctea e as reas prximas do bojo. E hbrasileiros envolvidos numa investigaoa ser eita pelo telescpio Vista sobre asNuvens de Magalhes, duas pequenasgalxias satlites da Via Lctea.

Numa outra vertente dessa pes-quisa, os brasileiros devem usar ostelescpios Gemini, VLT e SOAR paraobter dados espectroscpicos de di e-rentes populaes de estrelas. A espec-troscopia, que a decomposio da luzem suas cores bsicas, ornece pistassobre a composio qumica das es-trelas, entre outras coisas. Nesse caso,interessa saber a metalicidade espec-

ica das diversas populaes estelares.Em particular, busca-se determinar ametalicidade, expressa como a quan-tidade de erro existente numa estrelaem relao ao hidrognio.

A evoluo qumica, por sua vez,est ligada dinmica da galxia, ou


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seja, sua orma e aos movimentos dasestrelas. Da a necessidade de comparardiversas in ormaes sobre metalici-dade em populaes estelares distintas inclusive em outras galxias para seconstruir teorias mais precisas sobre aevoluo da qumica do universo.

Essa uma rea em rpido de-senvolvimento. Existe um es oro paramontar modelos tericos que expli-quem, de maneira mais geral, a compli-cada distribuio de elementos qumi-cos por todas as regies e estruturasda Via Lctea. Vale ressaltar que essacomplexidade um dado recente. Hpoucos anos no se imaginava que agalxia osse uma brica to rica ediversa de elementos qumicos.

Uma onte importante dos da-dos disponveis nesse campo tem sidoa observao das prprias estrelas, deum lado, e, do outro, das nuvens de ma-tria interestelar, com destaque para ohidrognio II (ou HII). Esse gs tem pa-pel proeminente porque criado pela

ora da luz das grandes estrelas, que ar-

Betelgeuse: a imagem mais ntida deuma estrela supergigante. Se colocadano lugar do Sol, preencheria a rbita deJpiter. O gs quente, proveniente do in-terior da estrela, emerge no centro das

clulas convectivas, es ria-se e mergulhaem suas bordas. (Crdito: NASA/HST)


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ranca eltrons do tomo de hidrogniocomum. Com isso, o hidrognio torna-seionizado e pode absorver e reemitir aluz das estrelas que o iluminam, ou seja,torna-se uma onte importante de in or-mao indireta sobre essas estrelas.

Com relao observao diretadas estrelas, conseguem-se dados teisdas estrelas do bojo galctico. Do pontode vista dos instrumentos, nos ltimosanos, a astronomia brasileira comeoua ter acesso aos chamados espectrgra-

os multiobjetos, e essa acilidade vaiaumentar quando entrarem em ope-rao o modo multiobjetos do espec-trgra o Goodman, no telescpio SOAR,em 2010, e espectrgra os similares nosGemini. Esses instrumentos ampliamas possibilidades tcnicas de observa-o da qumica estelar e galctica.

Grupos brasileiros desenvolveramum mtodo avanado para se decompora luz das galxias, chamado cdigo Star-light. A decomposio ou espectrosco-pia da luz eita em cadapixel deuma imagem, com a ajuda de equaes

matemticas prprias para essa tare a,mtodos de computao e modelostericos sobre a evoluo das galxias.

Mais de 500 mil galxias j tive-ram suas imagens esmiuadas por meiodo cdigo Starlight, com bons resulta-dos. Nesse caso as imagens oram eitasem luz visvel e existe grande interesseem desenvolver teorias evolutivas comas quais se poder ampliar a utilidadedo cdigo aplicado a imagens eitas emraios in ravermelhos.


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Combinao de imagens da galxia Centauro A revela os jatos deenergia e matria que um buraco negro extremamemente ativo, em

seu centro. Estima-se que a massa desse astro negro seja cem milhesde vezes maior que a do Sol. Centauro A tem uma orma dbia e pode

ter surgido de uma coliso entre uma galxia elptica ( orma de um

melo) e uma espiral (como a Via Lctea). Est bem prxima, a cerca de12 milhes de anos-luz. (Crdito: NASA/Chandra)


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Captulo6

Galxias e seus

ncleos energticos

Instrumentos com uno espec-ca invariavelmente abrem janelas para

grandes descobertas na Astronomia. Umexemplo disso so os telescpios queutilizam ptica adaptativa, nos quais osespelhos ajustam-se automaticamentepara melhorar a imagem dos objetosinvestigados, especialmente em relaoaos borres criados pela atmos era. Oresultado oi um grande impulso ao es-tudo das galxias, nos ltimos anos.

Outro exemplo oi o uso de grandeslevantamentos de objetos celestes, o-togra ados s vezes aos milhares em umas imagem, e em seguida analisados tan-to do ponto de vista otomtrico (em queo que conta a quantidade de energia lu-minosa) quanto espectroscpico (decom-pondo-se a luz emitida nas vrias ormasde luz que se misturam num raio lumino-so). Dois exemplos de levantamentos soo SDSS e o 2MASS. O estudo das galxiastambm se bene ciou muito desse tipode erramenta cient ca.

Um estudo crucial recente, porexemplo, mapeou as oscilaes no bri-

lho de galxias relativamente distantes,ornecendo, assim, diversas in orma-

es sobre elas e, indiretamente, sobreo aspecto que o universo tinha quandoera mais jovem. Como a luz dessas ga-lxias demorou para chegar Terra, porcausa das grandes distncias envolvi-das, o que os telescpios veem comoum retrato do passado. Outro estudorecente importante examinou o centrodas galxias prximas, indicando quemuitas delas tm buracos negros emseus ncleos, em maior proporo doque se pensava at agora.

Tambm se observou que mes-mo galxias de massa relativamentepequena podem ter buracos negros emseu ncleo. Alm disso, os dados obtidosajudam a investigar como esses objetoscelestes evoluem, ou de que maneiradestroem estrelas sua volta, por orade mar. Outra descoberta importante

eita na ltima dcada oi que novasgalxias podem ser ormadas durantecolises de galxias. Nesse caso, algumasque surgem do choque csmico so do


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tipo galxias ans de mar. Elas surgemdo gs expelido das galxias-mes du-rante a coliso, que tambm pode gerarobjetos menores, como os aglomeradosde estrelas. Os desastres galcticos noso muito comuns nas vizinhanas daVia Lctea, onde vemos eventos recentes,mas eles podem ter sido requentes empocas passadas da histria do universo.

A ptica adaptativa extrema-mente til na investigao dos objetoscriados por colises galcticas, que sogeralmente pequenos e exigem imagensde alta preciso, que mostrem detalhesda estrutura desses objetos e que deemboas indicaes sobre sua natureza esuas propriedades. J os levantamentos

otomtricos e espectroscpicos possibi-litaram o estudo das populaes este-lares das galxias e tiveram um papeldestacado no entendimento das estrutu-ras mais amplas do prprio universo.

At estruturas novas oram desco-bertas dessa maneira. So os chamadosgrupos sseis de galxias e os siste-mas que esto caindo sobre outros

(como grupos de galxias caindo sobreaglomerados de galxias, ou aglomera-dos caindo sobre outros aglomerados). Aptica adaptativa logo vai incorporar es-pectrgra os mais avanados, contendocentenas de bras pticas num mesmoaparelho. Novas descobertas devemacompanhar a ampliao dos levanta-mentos para reas maiores do cu e dis-tncias maiores, ao mesmo tempo emque os instrumentos de ptica adapta-tiva tornam-se de uso mais comum.

O Brasil j tem acesso a instru-mentos com ptica adaptativa (Altair,NIRI e NIFS) no telescpio Gemini Norte,e ter acesso tambm ao mdulo SAM,no telescpio SOAR, a ser instalado em2010. Dois instrumentos brasileiros estoem construo e sero acoplados ao SAM.Um deles o espectrmetro SIFS (Espec-trgra o SOAR de Campo Integral), quedecompe a luz de um grande nmero deobjetos celestes simultaneamente, porpossuir uma unidade com 1.500 bras in-dividuais. O outro um ltro de imagem,o BTFI (Imageador com Filtro Ajustvel).


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Os dois instrumentos comple-mentam-se. O primeiro otogra a umaparte relativamente pequena do cu decada vez e tem uma capacidade mdiade decomposio da luz (decompe osraios luminosos em um nmero razovelde cores distintas. Cobre boa parte dascores visveis ao olho humano o espec-tro ptico, numa expresso mais tcni-ca. O segundo instrumento enxerga umpedao relativamente grande do cu, temboa resoluo espectral (decompe emmuitas cores) e cobre uma parte relativa-mente pequena das cores visveis. Ambos

utilizam tecnologia de ponta de espec-troscopia tridimensional e devem entrarem operao em 2010.

A compreenso sobre a nature-za dos ncleos das galxias passou poruma revoluo na dcada passada. Atento acreditava-se que o ncleo dealgumas galxias era perturbado pelapresena de gigantescos buracos negros,cuja massa pode chegar a um bilho devezes a do Sol. De l para c se perce-beu, no entanto, que tambm existemgrandes buracos negros nas galxiastranquilas, cujos ncleos no emitem

NGC 6217 uma galxia espiral barrada, com a barra muito maior que a da Via Lctea, mas com dimetrode apenas 30 mil anos-luz. Seu ncleo brilhante no mostra atividade bvia, mas provavelmente tem umburaco negro gigante dormente. (Crdito: NASA/HST)


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energia em quantidade excepcional. Foio que mostraram os instrumentos cadavez mais precisos que entraram em ope-rao nas ltimas dcadas.

Entre eles, destaca-se o TelescpioEspacial Hubble e os grandes telescpiosterrestres (no orbitais) dotados de p-tica adaptativa, capazes de enxergarmelhor os raios in ravermelhos, como ocaso dos Gemini Norte e Sul. Analisandoessas novas in ormaes, concluiu-se queo nvel de atividade dos ncleos galcti-cos depende da quantidade de matriaque cai nos seus buracos negros. D-sea isso o nome de regime de acreo, queocorre da seguinte orma: nas galxiasativas, o buraco negro central passa porum regime de engorda, com matriacaindo das proximidades, na orma degs e poeira soltos no espao ou perdidosde estrelas vizinhas. Esse material, ao cair,entra em rbita e cria um disco de acreoultrabrilhante em torno do buraco negrogigante. Nas galxias no ativas, o corpoescuro central est em jejum por alta dematerial csmico capaz de alimentar um

O centro da Via Lctea abriga um buraco negrosupermassivo dormente. Ele se esconde atrs dedensas camadas de poeira, mas vem sendo obser-vado com alta de nio pelo telescpio Keck. Estaimagem mede apenas um segundo de arco de lado.

Esta gura mostra as rbitas de estrelas em tornodele, ao longo de 13 anos, permitindo determinarsua massa em quatro milhes de vezes a do Sol.(Crdito: UCLA Galactic Center Group)


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disco brilhante. Em resumo, no existedi erena essencial entre galxias ativase no ativas, existem apenas ases dis-tintas no regime de acreo. Mas aindarestam dvidas sobre a atividade nucleardas galxias. Uma das mais importantes a geometria do disco: que ormas elepode tomar e que di erena isso podecausar em sua atividade?

Outra questo em aberto dizrespeito ignio da atividade doncleo galctico. Haveria um ou maisprocessos sicos que serviriam degatilho da atividade? Um terceiroponto a investigar o trajeto da mat-ria que cai no buraco negro. No estclaro como ela se desequilibra, tomaa direo do centro galctico e acabacapturada pela imensa gravidade doburaco negro. Tambm interessantemedir at que ponto o buraco negrodevolve matria e energia para o es-pao. Nessa conta somam-se a energialuminosa correspondente ao brilho dodisco de acreo, os ventos de poeirae gs que sempre jorram dos ncleos

ativos, sem que se saiba muito bem oque os empurra, e os jatos de ondas derdio que espiralam para ora do n-cleo e se estendem geralmente muitoalm das ronteiras da prpria galxia.A ltima questo importante a ser res-pondida como medir diretamente amassa dos buracos negros ativos. Issotem de ser eito por meio do movi-mento das estrelas prximas: quantomaior o movimento, maior a gravidadedo corpo escuro e, portanto, maior asua massa. Quase todas as massasmedidas at hoje pertencem a buracosnegros de galxias no ativas.

A orma exata dos discos deacreo, a primeira dvida citada acima,no pode ser de nida ao telescpio. Es-ses objetos so estudados por seu brilhototal, que d uma ideia das partes maisexternas do disco, que no e opaco. Sagora comearam a surgir dados maisprecisos sobre a largura do disco, ou seuraio interno. Os telescpios Gemini eSOAR vm monitorando algumas gal-xias com esse objetivo.


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Algumas in ormaes sugeremque a borda interna do disco que caprxima ao buraco negro no na eopaca, mas grossa e transparente. Elateria a orma de um anel de partculasionizadas, ormado por eltrons ou pr-tons. Essa hiptese ainda precisa serveri cada por instrumentos que captamondas ultracurtas de rdio. Existe umaproposta de instalar antenas na Argen-tina em um projeto chamado VLBImilimtrico com o objetivo de cobriressa lacuna. Essas antenas trabalhariamcom as do radiotelescpio Alma, aindaem construo por diversos grupos es-trangeiros, composto por 64 antenas de12 metros de dimetro cada uma, dispos-tas ao longo de 14 quilmetros.

Em relao ao trajeto da matriaque cai no buraco negro, a ideia medircom preciso o movimento de massasde gs na regio nuclear de galxias nomuito ativas, porque nesse caso os ven-tos no so muito ortes. Com isso, camais cil identi car e analisar os movi-mentos que mais interessam: os que

levam em direo ao buraco negro. Essetrabalho tem sido eito com os Gemini,sugerindo que a matria em queda or-ma espirais nas proximidades do ncleo(numa regio de uns trs mil anos-luz sua volta). Nessa tare a recorre-se espectroscopia de campo integral (IFU),que d uma viso em duas dimensesdos movimentos de matria. A tendn-cia ampliar o nmero de galxias ob-servadas com esse m, medida quealguns dos novos instrumentos citadosacima se tornem operacionais.

Para medir a massa dos buracosnegros ativos diretamente, os astrnomoscomearam a observar movimentos deestrelas em galxias prximas, utilizandoo Gemini, por meio de espectroscopiaintegral (IFU). Tambm se usa o NIFS doGemini, observando raios in ravermelhos,que permitem detalhar as imagens compreciso. Mais amplamente, busca-se de-terminar os tipos de estrelas existentesna proximidade dos ncleos galcticos.

Trabalhos apresentados at agoraindicam que h muitas estrelas jovens ou


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de meia idade nessa regio. Nas galxiasde ncleo no ativo, as estrelas tendem aum per l etrio mais maduro. Isso indicaque a atividade do ncleo pode dispararo nascimento de estrelas, mas os dadosainda no so su cientes para compro-var essa possibilidade.

Alguns grupos recorrem a tcni-cas so sticadas para produzir um quadro

M83 uma galxia do tipo espiral barrada, a 15 milhes de anos-luz, na constelao de Hidra. Foi descobertaem 1752 no Cabo da Boa Esperana por Pierre Mechain. (Crdito: Rodrigo P. Campos OPD/LNA/MCT)

mais completo da evoluo estelar nes-sas reas, incluindo tambm a evoluoqumica da matria interestelar. Comisso espera-se ter uma ideia mais clarado movimento geral da matria no lo-cal e desembaralhar a direo e o des-tino de cada habitante desse agitadozoolgico csmico.


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Este aglomerado de galxias est a cerca de cinco bilhes deanos-luz de ns. As manchas amareladas so galxias nor-mais e os arcos azuis, galxias muito distantes (no espao eno tempo). Elas so azuis por serem jovens. So projetadaspara a nossa direo pela gravidade do aglomerado, que, emsua maior parte, devida a matria escura, seis vezes maisabundante que a matria normal (barinica) das galxiasNs fazemos parte do aglomerado da Virgem, que contm

cerca de 2.500 galxias. (Crdito: M. LEE AND H. FORD FORNASA / ESA / JHU)


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Captulo7

Estruturas em grande

escala do universo

A orma e a evoluo das galxiasdepende em grande parte de estruturasmuito maiores que elas, e que de nem ascaractersticas do prprio universo. Nes-sa escala de grandeza que sobressaempersonagens como a matria escura e aenergia escura ambas distintas da ma-tria comum, que eita de tomos. Eambas so muito mais abundantes: ape-nas 4% de toda a matria do universo do tipo comum, que conhecemos.

A matria escura compreendecerca de 23% da massa total e o resto,mais de 73%, est na orma de energiaescura. Essa ltima, alm de desconhe-cida, tem um e eito intrigante porque,ao invs de contribuir para rear a ex-panso do universo, ela tende a acele-rar o a astamento das galxias entresi. Como no emitem energia, essas

iguras exticas no se deixam ver aotelescpio. Tm de ser investigadas apartir dos e eitos que causam sobre amatria normal.

Antes de tudo, portanto, precisoimaginar meios engenhosos de capturar

esses e eitos. Uma tcnica til consisteem mapear a radiao luminosa expelidano nascimento do universo, chamada ra-diao de undo. Essa luz pode ser captadana orma de micro-ondas, que chegam Terra de todas as direes do espao. Ape-sar de o universo j ter quase 14 bilhesde anos, ainda guarda pistas sobre comoas massas de tomos e partculas atmi-cas estavam distribudas pelo espao an-tes de surgirem estrelas e galxias.

Dessa orma, dados coletadospelo SDSS, por exemplo, ajudam a co-locar limites nas propriedades que aenergia escura pode ter. De maneirageral, esses limites de nem que tipos departculas tanto as conhecidas quantoas previstas em teoria poderiam entrarna composio da energia escura.

Quanto matria escura, h tem-pos analisa-se se poderia ser eita deneutrinos ou de alguma outra partcula j conhecida. Os testes j eitos nessalinha reduziram mas no eliminaram asdvidas, e agora est para comear umachecagem promissora, que cruza dados


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de oscilaes acsticas com os de umainvestigao prestes a comear com otelescpio espacial Planck, lanado em2009 pela agncia espacial europeia.

Ele vai otogra ar com grande pre-ciso a luz que o universo emitiu duranteseu nascimento explosivo a chamadaradiao de undo do universo. Uma dasideias veri car at que ponto a mat-ria escura interage com a energia escura.Outro objetivo mapear as maiores es-truturas luminosas do universo, que soos superaglomerados de galxias. Elesrenem as estruturas imediatamentein eriores em tamanho, os aglomeradosde galxias, alguns deles contendo mi-lhares de galxias.

Qual a situao dinmica dossuperaglomerados? Eles estariam emmovimento ou em rotao? Como seria ocolapso gravitacional de objetos to des-proporcionais?

Acredita-se que as maiores estru-turas estveis, no universo atual, sejamos aglomerados de galxias, e que os su-peraglomerados estariam colapsando

sobre si mesmos. O universo muitomais dinmico do que parece: suas es-truturas crescem e desmancham o tem-po todo. As estrelas massivas, por exem-plo, crescem agrupando matria solta,depois colapsam sob seu prprio peso eexplodem lanando matria pulverizadapara o espao.

Mas os superaglomerados podemestar num caminho sem volta, pois es-to sendo acelerados pela expansogeral do cosmo. Ento, mesmo que te-nham uma tendncia a desmoronarsob a prpria gravidade, o impulso deexpanso pode prevalecer. Seja como or,graas aos seus imensos tamanhos, elestm papel decisivo na evoluo do uni-verso. Em vista disso, necessrio medircom mais preciso as propriedades bsi-cas de cada um deles.

Nesse mesmo projeto tambmsero estudados os lamentos com-pridas las de galxias que costumamligar os aglomerados dentro de um su-peraglomerado qualquer. Como os la-mentos a etam a evoluo e a estrutura


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Grupo de galxias Quinteto de Stephan. Devido proximidade e constantemovimento das galxias nos aglomerados, elas se undem e acabam ge-

rando galxias maiores, de orma elptica. (Crdito: NASA/HS


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dos aglomerados? A proposta aqui azera investigao tanto por meio de luz vi-svel, para analisar as galxias, quantopor meio de raios X, que ornecem da-dos sobre o gs quente que permeia osaglomerados e lamentos.

Observaes e anlises indicamque, alm dos lamentos, tambm exis-tem muros de galxias conectando osaglomerados nos superaglomerados. Onovo estudo pretende ocar em lamen-tos que j oram analisados em raiosX pelo satlite XMM-Newton e cruzaros dados com os catlogos de galxiasSDSS e 6dF.

Ao mesmo tempo pretende-sepesquisar entre as galxias do SDSS parachecar se h sinais de que esto conecta-das em aglomerados ou superaglomera-dos (o 2D GRS outro catlogo til nessabusca). Mais tarde a ideia apro undaressa investigao para saber se o ato depertencer a uma estrutura maior infuen-cia a vida interna das galxias.

Essa infuncia deve ser avaliadaa partir de certos dados preliminares.

De maneira geral, os aglomerados tm20% de sua massa na orma de matriacomum, ou seja, gs e estrelas. Dessetotal, apenas um sexto da massa estcon nada s galxias. O resto encontra-se nos vazios entre as galxias na ormade plasma (gs ionizado) que permeia oaglomerado todo.

Como quente, apesar de muitorare eito, o plasma exerce presso sobreas galxias. Estas, por sua vez, expelemmetais e energia para o meio interga-lctico e enriquecem o plasma. Esse in-tercmbio conhecido h mais de duasdcadas, mas os mecanismos precisosde troca ainda precisam ser esmiuados.A temperatura do gs um dos pontosque vm sendo analisados. Como elepermanece quente?


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Vasto conjunto de galxias (marcadas emvermelho para acilitar a visualizao). Elasprovavelmente esto ligadas entre si pelaatrao gravitacional. Formariam, assim,um nico objeto csmico de tamanho ini-maginvel. Esto situadas a meio caminhodos limites observveis do Universo: a setebilhes de anos-luz. (Crdito: ESO)

Estrutura em larga escala. O Universo muito estranho quando se tenta observaruma quantidade muito grande de gal-xias de uma vez s. Nessa simulao porcomputador se v como elas se agrupamaos milhes e se movem (traos amarelos)em conjunto. As manchas vermelhas indi-cam onde a densidade de galxias maior,atraindo rios de galxias com a ora dagravidade. A imagem cobre um pedao doCosmo da ordem de cem milhes de anosluz. (Crdito: ESO)


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At pouco tempo (1977) imaginava-se que toda amatria estaria na orma de tomos uma partebrilhante e outra escura, di cil de detectar. Hojesabe-se que os tomos so apenas 4% do total: o

resto pode estar na orma de partculas ainda noidenti cadas (23% do total) e a maior parte seriaalgo chamado de energia escura, sobre a qual nose sabe praticamente nada. A cada dcada se pro-duz uma verdadeira revoluo na cosmologia.

Acredita-se que seja aquecido pormeio de algum mecanismo que trans racalor de regies mais quentes das galxiaspara as partes mais distantes e isoladasdo plasma. Tambm pode-se veri car se ocalor provm de colises de aglomerados.

Alguns aglomerados tm na partecentral uma galxia elptica gigante asgalxias elptic

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