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2.1 Como foi o início?
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2.1 Como foi o início?
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Os jatos - Objetos Herbing-Haro
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  1. 1. Explicar como ocorreu a origem do Sistema Solar não é tarefa fácil, porque não se conhecem, exatamente, quais as condições reinantes naquele momento. Como num trabalho de detetive, os astrônomos vão coletando pistas, por meio da utilização de detectores, observatórios terrestres, telescópios e sondas espaciais e outros instrumentos, para observar os planetas e suas luas, o Sol, fragmentos de material que orbitam no espaço interplanetário e ainda, visualizar, em grandes nuvens de gás e poeira, outros sistemas planetários em diferentes estágios de evolução. Partindo da suposição de que os mesmos processos básicos devem ter ocorrido durante o estágio de formação da maioria das estrelas, as informações coletadas tornam mais clara a arquitetura e o comportamento dos componentes do nosso próprio sistema planetário e nos ajudam a desenvolver modelos científicos que esclaressem a sua origem e evolução. Apesar de termos atualmente, modelos explicativos muito consistentes, nenhum deles é, ainda, definitivo ou abrangente o suficiente, para incluir todas as características do Sistema Solar, como ele é hoje. O que faremos aqui é “pintar um quadro geral”, incerindo as evidências observacionais e as conclusões tiradas a partir delas, ou seja, incluindo tudo o que sabemos, até os dias de hoje. Figura 2.2- A nebulosa de Órion (M42) é uma região de formação de estrelas localizada a 1500 anos-luz da Terra. O SISTEMA SOLAR NURICEL VILLALONGA AGUILERA
  2. 2. 2.1 Como foi o início? Essas são imagens do Telescópio EspacialHubble da Nebulosa de Órion, região de formação de estrelas á 1500 anos-luz da Terra. A foto acima e a direita, mostra quatro novos discos protoplanetários ao redor de estrelas jovens, dentro da nebulosa. Os discos de gás e poeira, que a muito tempo os astrônomos suspeitavam que fossem um estágio inicial da formação de planetas, podem ser vistosno espectro visível, por meio do Hubble. Acima e a esquerda, temos uma foto da mesma região assinalada na foto central, mas tirada na faixa do ultravioleta.2
  3. 3. Até pouco tempo, o Sistema Solar constituia a única porção de universo que nos era acessível por meio da exploração espacial. Essa é uma região imensa para os padrões humanos, mas extremamente irrelevante em termos de universo. O desenvolvimento tecnológico dos últimos 30 anos permitiu que nossa espécie expandisse seu alcance para ver, ouvir, tocar e até caminhar por outros mundos. Atualmente sentamo-nos na sala, em frente a TV, e podemos assistir a sonda Opportunity passeando sobre o solo de Marte ou a nave Cassini , voando entre os anéis de Saturno. Essa odisséia teve início em 1957, com o lançamento do primeiro satélite artificial, o Sputinick soviético, e até o início da década de 90, todos os planetas do Sistema Solar, exceto Plutão, já tinham sido visitados, fotografados e mapeados por sondas espaciais. Entre esses equipamentos estão as pioneiras sondas Pioneers e Voyagers. A Pioneer 10, hoje é o objeto humano mais afastado do nosso planeta e o primeiro a enfrentar o espaço interestelar. Lançada há mais de 30 anos, fez observações diretas de Júpiter. As naves Voyager 1 e 2, há mais de 26 anos no espaço, exploraram os planetas gigantes Atualmente, fazem parte da missão de exploração das fronteiras do Sistema Solar. Em 1990 os Estados Unidos lançaram o HST (HubbleSace Telescope), com capacidade de observar eventos a mais de 10 bilhões de anos-luz da Terra. Com ele pôde-se visualizar grandes nuvens de gás e poeira dentro da nossa galáxia, contendo outros sistemas planetários em diferentes estágios de evolução. Essas são as fontes do conhecimento que temos atualmente a respeito do Sistema Solar. Basicamente duas: a observação de componentes do nosso próprio sistema planetário, por meio de sondas interplanetárias, e a observação de estrelas nos estágios iniciais de formação através de telescópios terrestres ou espaciais, e de outros detectores. 2. O SISTEMA SOLAR Trabalhando no Quebra-Cabeças “A Terra saiu do abismo, Eros a seu lado. Pariu Urano, o céu estrelado, e Pontos, o mar fecundo, depois unindi-se a eles, todos os deuses e todas as coisas.” (Hesíodo) 3 Qual a origem do Sistema Solar? Quãocomuméapresença de sistemas planetários ao redor das estrelas? Quais as condições que favoreceramosurgimento dos planetas rochosos? Há vida em outro lugar no sistemasolar?Senão,por que Terra é especial? Há vida além do sistema solar? Vida inteligente? Se há 100 anos, quase nada se sabia sobre o Sistema Solar, nas três últimas décadas proveram a astronomia de uma tamanha quantidade de informações, que esse quadro de desconhecimento mudou completamente. Num trabalho de detetive, astrônomos utilizaram os dados para montar o quebra-cabeças de “proporções astronômicas”: explicar como ocorreram a origem, formação e evolução do Sistema Solar. Essa não foi uma tarefa simples, pois não se sabe exatamente quais eram as condições reinantes naquele período. Os astrônomos estudaram os constituintes do nosso sistema em busca de vestígios do passado e em especial, os corpos celestes inértes (sem atmosfera ou atividade vulcânica) que conservaram intacta a memória da origem do Sistema Solar (na Terra tudo se modifica rápidamente). Também a observação de outros sistemas planetários ajudou a esclarescer diversos aspectos da arquitetura do nosso próprio Sistema, admitindo que a maioria das estrelas tenha passado pelos mesmos processos básicos durante seu estágio de formação. Esse contexto facilitou o desenvolvimento de diversos modelos científicos, um dos quais foi eleito pela comunidade astronômica, como sendo o mais consistente: a Teoria da Condensação. Ainda assim, essa hipótese está em processo de construção, ou seja, não é definitiva ou abrangente o suficiente para explicar todas as características apresentada pelo Sistema Solar. Nesse capítulo, iremos recuar o pensamento à gigantesca nuvem de gás e poeira que nos deu origem e delinear o cenário do início e evolução de nosso sistema planetário. Seguiremos os passos que levaram os cientistas a explicar nosso Sistema Solar com suas características que possibilitaram a nossa existência. E combinando as informações recolhidas, verificaremos a probabilidade de vida em outros mundos. NURICEL VILLALONGA AGUILERA
  4. 4. 2.1 Como foi o início? Cada planeta está relativamente isolado no espaço e a distâncias que seguem uma regra específica. Nosso Sistema Solar possui os planetas próximos ao Sol (telúricos, por parecerem com a Terra), rochosos e com poucos satélites, atmosferas moderadas e pequena velocidade de rotação e os mais afastados do Sol (jovianos, por parecerem com Júpiter), gasosos, atmosferas espessas, movimento de rotação rápido e muitos satélites e anéis. As órbitas dos planetas estão situadas próximas de um mesmo plano (com exceção de Plutão). A maioria dos satélites conhecidos que giram ao redor dos planetas tem a mesma direção orbital que o movimento de rotação desses mesmos planetas. A direção do movimento de rotação dos planetas em torno de seus eixos (exceto Vênus e Urano) é a mesma do Sol, em torno de seu eixo. As órbitas planetárias são elípses aproximadamente circulares (com exceção das de Plutão e Mercúrio). A direção da órbita dos planetas ao redor do Sol é a mesma com que o Sol gira, em movimento de rotação, em torno de seu eixo. Os cometas de longo período podem vir de todas as direções e inclinações em contraste com as órbitas coplanares de planetas, satélites, asteróides e cometas de curto período. Há muito tempo nossa espécie tenta compreender a origem e a estrutura da Terra e de tudo o que existe ao seu redor. Seria nosso mundo uma semiesfera apoiada em quatro elefantes, como acreditavam os antigos indianos, ou o produto do amor entre deuses egípcios, Geb ( Terra) e Nut (céu)? Cada povo desenvolveu sua própria estória para explicar o surgimento do mundo, mas os instrumentos astronômicos foram coletando informações, fornecendo novas pistas e modificando a maneira de entender nosso sistema planetário. O homem pré-científico considerava-se colocado no centro do mundo e de algum modo, acreditava ser ele e para ele a razão de tudo o que foi criado. Desde Copérnico sabemos que a Terra não é o centro do universo e nem mesmo o centro do nosso Sistema Solar. Empreendeu-se uma longa jornada até alcançar o desenvolvimento dos modelos científicos da atualidade e muito há ainda o que caminhar para entender o que é nossa espécie e seu papel no universo. O fato é que a ciência exige bem mais do que apenas boas estórias para explicar qualquer coisa. Uma teoria científica tem que se ater aos fatos, ser verificável e capaz de fazer previsões. Assim, qualquer modelo científico criado para explicar nosso mundo teria que ser capaz de esclarecer a sua origem, suas estruturas química e física (box 2.1) e as semelhanças e divergências observadas nas características planetárias.Tem que explicar também a composição e o comportamento dos “ escombros” (asteróides e cometas) presentes em nosso sistema. Box 2.1 - Exigências do modelo As peças do quebra-cabeças Fig 2.1 - Região na Nebulosa Eta Carinae com nuvens de poeira e gás que contém sistemas solares embrionários. Então vamos lá: o que realmente sabemos? O que as presentes propriedades do Sistema Solar revelam a respeito da sua origem e evolução que propiciaram a nossa existência? Observando a arquitetura do nosso sistema, percebemos que é muito organizada e que a idade de seus componentes é uniforme demais para ser o resultado apenas de eventos aleatórios. Certamente não se trata de um punhado de objetos orbitando caoticamente, por isso, é improvável que o Sistema Solar tenha sido formado por acaso, devido à acumulação lenta de “planetas” prontos e apenas capturados pelo Sol. Na realidade, os fatos apontam para uma origem e formação únicas, em torno de 4,6 bilhões de anos, idade determinada por meio do decaimento radioativo em meteoritos (leitura complementar 2.1). Devemos ficar atentos quanto ao fato de que nem todas as circunstâncias planetárias atuais estão diretamente associadas ao desenvolvimento do estado inicial do Sistema Solar, já que houve tempo para os planetas evoluírem após sua formação, gerando uma longa lista de peculiaridades. O nosso Sistema 4 Os asteróides são muito antigos e tem características que não são típicas de planetas ou satélites. O Sol gira lentamente e só tem 1%domomentoangulardenosso sistema, mas 99,9% de sua massa, enquanto os planetas são possuem 99% do momento angular e só 0,1% da massa total. NURICEL VILLALONGA AGUILERA
  5. 5. Teorias de formação do nosso Sistema Box 2.2 - As falhas na Teoria de Laplace Fig 2.2 - Selo com a estampa de Simon de Laplace Laplace imaginou que ao girar, a nebulosa solar deixaria para trás uma série de anéis que se transformariam em protoplanetas orbitandoemtornodeumproto-Sol. A descrição do colapso e do achatamento da nebulosa solar era essencialmente correta, mas quando os astrônomos modernos usaramcomputadoresparaestudar osaspectosmaissutisdoproblema, alguns erros foram verificados na teoria nebular de Laplace. Os cálculos mostraram por exemplo, que os anéis do tipo previsto pela teoria, dificilmente se formariam e, se isso ocorresse, não se condensariamtransformando-seem planetas, mas tenderiam a dispersar-se. Há dois tipos básicos de explicações para a formação do Sistema Solar. As teorias Evolucionárias, propõem a origem em termos de processos relativamente lentos e graduais. As grandes alterações são resultados do acúmulo de pequenas mudanças. As teorias do tipo Catástrofe, por sua vez, explicam a origem por meio de processos relativamente rápidos, até abruptos e freqüentemente, acidentais. Há uma certa tendência dos cientistas em preferir propostas evolucionárias, talvez porque essas tenham se saído melhor ao longo da história da ciência, mas também porque de algum modo, explicações de eventos previsíveis seguidos de desdobramentos graduais parecem atrair mais que ocorrências com mudanças súbitas e intensas. É interessante lembrar que a maioria dos mitos pré-científicos, pelo contrário, freqüentemente explicam a origem do nosso mundo em termos cataclísmicos. A escolha do modelo de formação de sistemas planetários leva também a uma outra questão: a possível existência de vida extraterrestre. A quantidade de planetas existentes no universo define a probabilidade de encontrarmos ambientes favoráveis à existência de diferentes formas de vida. E a quantidade desses astros é resultado de fenômenos estelares. Modelos que considerem a formação de um sistema planetário como um evento raro (a colisão entre duas estrelas, por exemplo) levarão a considerar a vida extraterrestre também como um processo raro. Por outro lado, se a escolha recair num Modelo Evolucionista, que considera a formação de sistemas planetários como um evento comum na origem da maioria das estrelas, aumentará muito a probabilidade de existir vida fora da Terra. Hipótese da nebulosa primitiva “O homem surge num pequeno planeta,quase imperceptível na vastaextensãodo Sistema Solar. Ele próprio é apenas um ponto insensível na imensidão do espaço. Os sublimes resultados aos quais essa descoberta levou , podem consolá-lo do limitado lugar a ele atribuído no universo.” Simon Laplace 5 A primeira teoria científica sobre a formação do nosso sistema foi evolucionária e emitida, em 1644 pelo filósofo francês René Descartes (1596-1650), que imaginava sua origem a partir de uma “nebulosa” (palavra originária do latim, nébula, que significa “nuvem”). Mais tarde, foi atribuída a uma colisão entre duas estrelas. Em 1755, o filósofo alemão Immanuel Kant (1724-1804) sugeriu a teoria da Nebulosa Solar Primitiva (NSP), que é um exemplo de teoria evolutiva e descreve o desenvolvimento do sistema como uma série de passos graduais e naturais. O matemático francês Pierre-Simon de Laplace (1749-1827), trabalhando independentemente na mesma idéia, apresentou-a em 1796 no seu livro Exposition du System du Monde. Laplace propôs que, como todos os planetas estão aproximadamente num mesmo plano, giram em torno do Sol e em torno de si mesmos numa mesma direção (com exceção de Vênus), só poderiam ter se formado de uma mesma grande nuvem de partículas em rotação. Essa hipótese sugeriu o seguinte cenário: imagine uma enorme nuvem rodopiante de gás interestelar, de dimensões bem superiores às do atual Sistema Solar e animada com um lento movimento de rotação, que começa a colapsar. Uma vez iniciada a contração, a força gravitacional da nuvem, atuando sobre si mesma, acelera o colapso e à medida que a nuvem contrai, a rotação aumenta. A nuvem assume uma forma discoidal com uma concentração central maior, dando origem ao Sol (figura 2.3). Fig 2.3 - ANSP (Nebulosa Solar Primitiva) começa a colapsar e o material da nuvem irá adqüirir uma estrutura discoidal. NURICEL VILLALONGA AGUILERA
  6. 6. Essa idéia foi sugerida em 1745, pelo naturalista francês Georges Buffon (1707-1788) e segundo ele, o Sistema Solar teria se originado a partir dos dejetos produzidos pela colisão entre o Sol e um objeto maciço (ao qual chamou de cometa). Em 1900, essa hipótese foi resgatada pelo geologista Thomas Camberlin (1843-1928) e pelo astrônomo Forest Moulton (1872- 1952). Sua proposta era que outra estrela, deslocando-se dentro da galáxia, passou muito próxima do Sol (quando relativamente jovem) causando imensas marés. A interação gravitacional entre esses astros teria provocado o lançamento de gigantescos jatos de gases a partir do Sol para o espaço. E a partir desse material em volta da nossa estrela é que teriam se formado os planetas. Uma variante dessa teoria foi formulada pelos astrônomos James Jeans (1877-1946) e Harold Jeffreys(1891- 1989). Para eles, a maré causada no Sol devido a aproximação de outra estrela geraria apenas uma única erupção de gás. Esse filamento gasoso seria mais grosso no centro e fino nas extremidades e ao esfriar, teria se separado em regiões independentes, cada uma dando origem a um planeta (box 2.3). A forma do filamento justificaria o fato de os planetas centrais Júpiter e Saturno, serem maiores que os demais. De fato, a hipótese da colisão entre o Sol e outra estrela fornecia algumas respostas: o porquê dos planetas orbitarem na mesma direção que o Sol gira em torno de seu eixo e a razão pela qual as órbitas planetárias estão praticamente no mesmo plano (coplanares). Teoria da Catástrofe Observou-se que a teoria da NSP realmente explicava muitas das regularidades do Sistema Solar, mas em outros casos chegava a conclusões que estavam em franca oposição aos fatos verificados. Teoricamente, quando nuvens formadoras de estrelas se contraem, espera-se que girem mais rápido, do mesmo modo que patinadores no gelo o fazem ao encolher os braços. Ou seja, quanto mais concentrada a massa da nebulosa, mais rapidamente ela deveria girar, segundo o princípio da concervação do momento angular (Para saber mais 2.1), mas não é o que se observa. Atualmente, o Sol é 100 vezes mais lento no seu movimento de rotação, do que o previsto pela hipótese nebular. Além disso, a teoria não explicava a diferença de composição entre os planetas gigantes e os terrestres (box 2.2). Ainda outra questão, referia-se à emissão de anéis gasosos pelo protosol. Cálculos mais apurados mostraram que esse fenômeno só aconteceria se o Sol tivesse uma velocidade de rotação 200 vezes maior que a atual. Essas dificuldades da teoria fizeram com que fossem construídas ou resgatadas outras hipóteses explicativas para a origem e evolução do nosso Sistema Solar, entre elas a que ficou conhecida como Teoria da Catástrofe. 1 2 3 4 5 6 Box2.3-TeoriadasCatástrofes Umaestrela aproxíma-se do Solquando jovem. Aaproximação provocaimensas marés devido a interação gravitacional. Um grande jato de gases é projetado para fora Sol. Essematerial principiaa condensar-se. Omaterial lançado pelo Sol continuaa condensar-se formando os planetas. Osplanetas formados continuamgirando em torno do Sol mantendo a direção. Fig 2.3 - Nossa galáxia inteira está coberta de lixo com pedaços grossos e pequenos de matéria fria e rochosa que têm tamanhos que variam de 10-7 m a 0,01mm de diâmetro. 6 As questões em aberto Os planetas se formarão a partir do material no disco seguindo esse processo: o aumento da velocidade de rotação da massa central provocará o desprendimento de um anel gasoso, que continuará a girar independentemente, e posteriormente, formará um planeta. Esse processo se repetirá algumas vezes, e a partir daí, o “proto-Sol” passará a girar mais lentamente. Uma importante implicação da hipótese NSP, é que se todas as estrelas se formarem como o nosso Sol, deverão então nascer com planetas. NURICEL VILLALONGA AGUILERA
  7. 7. “Se os planetas forem resultado da aproximação de duas estrelas e como sabemos, as estrelasestão incrivelmente espalhadas pelo espaço, então esse encontro deve ser um evento extremamente raro. Assim, a Astronomia não sabe se a vida é ou não importante no esquema das coisas, mas ela começa a sussurrar que, certamente, deve ser rara.” JamesJeans Figura 2.5 - Astrônomo americano na Universidade de Chicago que, junto com Moulton, desenvolveu uma variante da Teoria da Catastrófe sobre a origem dos planetas. A visão moderna O material Interestelar A partir da observação da formação e evolução de sistemas planetários em outras regiões da galáxia e da suposição de que os mesmos processos básicos devem ter ocorrido para a maioria das estrelas durante seu estágio de formação, foi sendo construída a visão moderna para a origem do Sistema Solar. Descendente direta da teoria de Laplace, esse modelo denominado “Teoria da Condensação”, elaborada em 1948 por Fred Hoyle e Hannes Alfren e refinada ao longo dos anos por eminentes pesquisadores como Safronov - 1969, Cameron -1969, Hayashi -1970, combina a hipótese nebular com novas informações sobre química interestelar, eliminando a maioria dos problemas da teoria que lhe deu origem. O ingrediente novo e fundamental no quadro moderno é a presença da poeira cósmica interestelar na nebulosa solar (figura 2.3). A cena se passa há 4,5 bilhões de anos quando o universo já existe há 15 bilhões de anos e muitos bilhões de estrelas em nossa galáxia já existiram, evoluiram e explodiram. Seus destroços misturamra-se aos gases primordiais do cosmos fornecendo a quantidade de substâncias necessárias para produzir planetas e coisas vivas. Está montado o cenário para o surgimento do nosso Sistema Solar. A nossa galáxia assim como todo o universo, continha origináriamente apenas Hidrogênio e Hélio (e traços de Lítio), além da radiação. Os elementos pesados tais como Ferro (Fe), presente em nosso sangue, ou o Oxigênio (O) que respiramos, e também o Silício (Si) e o Carbono (C), foram todos produzidos no interior de estrelas massivas (acima de 8 massas solares). O espaço entre as estrelas ou meio “interestelar” está permeado por grãos de pó microscópicos, compostos com esses elementos, num processo cumulativo resultante da destruição de determinadas estrelas, no final de sua vida evolutiva. É nesse meio de nuvens interestelares compostas pelas cinzas de gerações anteriores, onde nascem as novas estrelas e é para ele que retornam todos esses elementos quando estrelas velhas e massivas explodem. Nessa “reciclagem cósmica”(figura2.4), o enriquecimento da região interestelar com elementos pesados, faz com que estrelas mais jovens tenham uma pequena proporção desse material em sua composição. Quando o Sol se formou, apenas 2% do Hidrogênio da galáxia tinha se convertido em elementos pesados, mas foi o suficiente para formar os asteróides, os planetas rochosos e os seres vivos. As falhas do sistema A Teoria da Catástrofe foi muito popular até a década de 30, mas cálculos posteriores detectaram algumas falhas. Um dos problemas estava relacionado aos gases que teriam sido expelidos pelo Sol em função devido à aproximação ou colisão com outra estrela. Lyman Spitzer (1914-1997) mostrou em 1939 que esses gases, por estarem muito quentes, teriam se dispersado ao invés de concentrar-se para formar planetas. Henry Russell (1877-1957) verificou em 1943, que se esse material fosse arrancado do Sol com impulso suficiente, não teria entrado em órbita, mas escapado da gravidade solar. Esses e outros problemas mostraram-se intransponíveis, fazendo com que esse modelo fosse abandonado e se retomasse a Teoria da Nebulosa, com alguns ajustes. 7 Fig 2.4 - As supernovas, explosões de estrelas massivas no final da sua vida evolutiva, lançam para o espaço escombros com todos os elementospesadosquegeraram dentro delas. Como uma reciclagem cósmica, esses elemento irão fazer parte de novas estrelas, seus planetas,montanhas, plantas, animais e pessoas.
  8. 8. 2.1 Como foi o início? Fig 2.5 -Aglomerado estelar NGC 1850 localizado em uma das galáxias satélite, a Grande Nuvem de Magalhães. Fig 2.6 - Na figura vemos o tempo médio que o material permanece em cada etapa da formação de uma estrela e seus planetas. 8 Fig 2.7 - A onda de choque produzida pela supernova é o início da formação de novas estrelas. Os mecanismos que desencadeiam o colapso Qual mecanismo desencadeia o colapso final dessa imensa nuvem é incerto, mas deve envolver algum empurrão externo como a explosão de uma supernova nas vizinhanças (figura 2.7), ou talvez a extinção dos campos magnéticos que dão sustentação à nuvem ou ainda, porque a turbulência se dissipa. O que sabemos é que quando as regiões mais densas da nuven molecular começam a desmoronar sobre si mesmas, devido à gravidade, estrelas podem se formar. A massa crítica ou necessária para gerar a instabilidade inicial é a chamada Massa de Jeans e estabelece o nível abaixo do qual a nuvem não entra em colapso. Os valores típicos da massa de uma nuvem molecular em contração, situam-se entre 1mil e 1 milhão de vezes maior que a massa do Sol, podendo um único colapso produzir dezenas e até milhares de estrelas (figura 2.5). O tempo necessário para esse processo é de milhões de anos (figura 2.6). A medida que a estrutura entra em colapso, deixa de se estabelecer a pressão para suportar as camadas imediatamente acima dela (Leitura complementar 2.1- Embriões estelares), de modo que o colapso continua a ocorrer de dentro para fora. Enquanto o gás molecular é atraído continuamente para dentro, em direção a um ponto de acumulação, as altas desidades próximas a esse centro forçam a produção de uma protoestrela (figura 2.9-A e B). O período necessário para a formação de uma estrela, representa uma pequena fração da vida estelar e no caso do nosso Sol, equivale a um dia na vida de uma pessoa (figura 2.6).A historia da Nebulosa Solar Primitiva (NSP) começa quando um fragmento que dará origem ao Sistema Solar, adquire individualidade. As observações modernas indicam que concentrações relativamente densas de gás e poeira interestelar (que para os padrões da Terra são extremamente rarefeitas) conhecidas como nuvens moleculares, estão no processo de colapsar em estrelas. Essas são regiões extremamente frias com temperaturas da ordem de 10K (-270°C) e essas baixas temperaturas favorecem a aglomeração, a densidades maiores, das moléculas de monóxido de carbono (CO) e hidrogênio (H2 ), materiais mais comuns nas nuvens de gás interestelar. As nebulosas contém também pequenas partículas de gelo e grãos de poeira cuja composição é mais complexa (tabela 2.1). Campos magnéticos e movimentos turbulentos sustentam as nuvens, mas no final, elas colapsam sob a própria gravidade. NURICEL VILLALONGA AGUILERA
  9. 9. Os principais processos que deram forma ao nosso Sistema 9 Fig 2.8 (A) - Aglomerado do Trapézio na Nebulosa de Órion. Fig 2.9 - (A) Uma parte mais densa de umanuvemmolecularcolapsa gravitacionalmente,destacando-sedo restantedanebulosa.(B)Devidoa conservaçãodoMomentoAngular,esse fragmentoadqüireumformatodiscoidal. Aregiãocentralémaisdensaequentee formaaprotoestrela.(C)Odiscoem rotaçãoevolui lentamenteparaum sistemaplanetário.Matériacontinuaa cairemdireçãoaprotoestrela aumentandomuitooseutamanho.(D)A quedadematériaemdireçãoaocentroé interrompidaquandoseiniciamas reaçõesdefusãonuclearnocentroda protoestrela,queapartirdaípassaaser uma jovem estrela T-Tauri. Esse fenômenoproduzumforteventode radiaçãoepartículasapartirdaestrela. (E) Esse vento “varre” os escombros pararegiõesmaisdistantesdocentrodo sistemaplanetário. VISÍVEL INFRAVERMELHO A primeira parte do processo - o aquecimento da Nebulosa A contração na NSP se produz, inicialmente, em “queda livre” ou seja, apenas sob a sua própria gravidade, resultando numa concentração maior perto do centro que no resto da nuvem. Essa zona central é a primeira a tornar-se opaca e a aquecer e a medida em que gás vai em sua direção, o corpo estelar embrionário fica cada vez maior. As primeiras fases do colapso não são visíveis, pois só é possível perceber o processo quando massa suficiente for acumulada nesse centro. A “chuva torrencial” de matéria nebular que se desloca à esse núcleo, possui uma enorme quantidade de energia de movimento denominada Energia Cinética, resultante da interação gravitacional. Com esse aumento de densidade na região central, surge uma pressão que tende a refrear a queda na direção do centro e deter a contração. Num certo momento, a pressão praticamente contrabalança a contração (que passa a ocorrer mais lentamente) e surge então um núcleo denso e bastante estável, que constitui o embrião estelar ou protoestrela. A seqüência é a seguinte: assim como outras nuvens de gás e poeira, a NSP tem uma certa energia armazenada devido a presença da gravidade. Essa energia é chamada de “ Energia Potêncial Gravitacional” que, ao longo do processo de contração, transforma-se em outros tipos de energia (princípio da concervação da energia - Para saber mais 2.2). Esse gás em colapso converte Energia Potencial Gravitacional em movimento, ou seja, em Energia Cinética. As partículas desse gás, movimentam-se rapidamente, colidindo umas com as outras e contra a superfície estelar em crescimento, causando um acréscimo de agitação no material da nuvem e portanto, num aumento de sua temperatura. Ou seja, a transformação da Energia Cinética em Energia Térmica Interna da nuvem, faz com que a sua temperatura suba. A Nebulosa Solar é mais quente próxima ao seu centro, onde grande parte do material da nuvem colapsa para formar o protosol. Depois que esse fragmento se destaca das outras partes da região de formação estelar, pode- se considerá-lo como um objeto bem definido, com identidade própria e campo gravitacional relativamente dissociado do restante da nuvem. Seu diâmetro é algo em torno de 200 UA, o dobro da distância média atual entre Plutão e o Sol. A partir daí, a NSP passa por três principais processos: a temperatura da NSP aumenta a medida que ela colapsa (princípio da conservação da energia), a NSP gira mais rápido a medida que se contrai e o seu raio diminui (princípio da conservação do momento angular) e a NSP vai assumindo uma forma discoidal, o disco protoplanetário, onde se formarão os planetas. (A) (D) (E)(B) (C) Energias se transmutando NURICEL VILLALONGA AGUILERA
  10. 10. 2.1 Como foi o início? Ao atingir alguns milhares de graus Celcius, a protoestrela, na região cen- tral da NSP, começa a irradiar tornando-se uma fonte de infra-vermelho (a colisão entre as partículas que colapsam, exitam alguns átomos que passam a emitir fótons). Durante algum tempo a radiação emitida pela protoestrela tem origem nesse processo.Na realidade, a estrela em formação está, nessa fase, embutida numa espessa nuvem de gás que a oculta completamente.Toda a luz gerada pela protoestrela é, na verdade, absorvida pelo material circundante para depois ser novamente irradiada, mas em fótons de energia mais baixa, na faixa do infravermelho. Assim, o ponto chave é: quando a nebulosa se contrai, ela sofre aquecimento ou seja, como resultado da contração nebular ocorre a transformação de parte da energia gravitacional inicial em energia térmica e energia radiante (liberação de fótons). A protoestrela tem inicialmente, apenas cerca de 1% de sua massa final, mas mais material continua a cair em direção à região central e a protoestrela que começa a produzir um vento forte em que partículas são projetadas para fora com velocidades acima de duzentos quilómetros por hora (com essa velocidade poderíamos dar a volta à Terra em apenas três minutos). Esse forte vento estelar (radiação e partículas) produzido pela protoestrela e lançado para fora, vence a chuva de material nebular que entra e o corpo estelar separa-se do material da nuvem. Assim nasce a estrela que passa a ser ópticamente visível, pois a nebulosidade que a rodeia torna-se mais tênue e, portanto, mais transparente. O núcleo quente aparece como uma estrela avermelhada e de enorme diâmentro. Aformação de Discos Proplanetários e a Conservação do MomentoAngular 10 Fig 2.10 - Na figura podemos observar a contração da NSP ao mesmo tempo em que o material nebular, em sua maioria, desloca-se para o disco. Figura 2.11 - Nebulosas são, freqüentemente, locais de formação de estrelas, mas podem permanecer imperturbaveis por milhões ou bilhões de anos, a espera das condições adequadas à formação de objetos estelares. Eventualmente, uma perturbação gravitacional, devido a passagem de uma estrela ou a explosão de uma supernova, pode causar turbulências e ondas de choque dentro da nuvem fazendo com que a matéria nebular se subdivida em aglomerações. Essas aglomerações começam a crescer, devido a atração gravitacional, até atingir a massa crítica suficiente para inicíar o colapso da nebulosa.A contração da nuvem implica num aumento de temperaturaequandoonúcleodaprotoestrelaalcança cerca de 10 milhões de graus Celcius, começam as reações de fusão nuclear e a estrela nasce. O vento solar da estrela sopra para fora todo o excesso de gás e poeira remanescentes na sua próximimidade. Foram obervadas várias nebulosas que podem ser berçários estelares.As nebulosas da Águia, e Orion são locais ativos de formação estelar. De acordo com a hipótese de Laplace, as estrelas surgem da acreção gravitacional; logo, os astrônomos esperavam ver sinais de gás deslocando- se rapidamente em direção ao núcleo. Para sua surpresa, eles descobriram que o gás, na forma de moléculas, estava na verdade se deslocando para fora. Normalmente, são encontrados dois lóbulos gigantes de gás molecu- lar, um de cada lado de estrelas jovens. Tipicamente de alguns anos luz de comprimento, esses lóbulos tem massas similares ou até maiores que a massa da estrela jovem, e se afastam com uma velocidade de vários quilômetros por segundo. Essas áreas, como pequenas nuvens, hoje conhecidas como objetos de Herbig-Haro são formados por gás aquecido que escapa da estrela. Os jatos têm uma temperatura de cerca de 10 mil kelvins (1273ºC) e contêm cem átomos por cm3 : mais densos do que a vizinhança, mas ainda menos densos do que o melhor vácuo produzido na Terra.
  11. 11. Um dado observacional obtido a partir da análise das órbitas planetárias, no Sistema Solar, mostra que todas as órbitas dos planetas são quase-circulares e, principalmente, têm inclinações pequenas. Isto quer dizer que nosso sistema planetário formou-se a partir de algo inicialmente “achatado”, semelhante a um disco. De fato, a produção estelar é acompanhada pela produção de um disco nebular circundante de gás e poeira que, mais tarde, pode dar origem aos planetas. Essa estrutura gira num ritmo muito lento, realizando uma volta em alguns bilhões de anos, tempo que supera o necessário para a formação de uma estrela. Assim, as regiões mais externas da nuvem nunca chegam a completar uma revolução durante o processo de formação estelar. Já as regiões internas na nuvem e mais próximas ao centro, tem outro comportamento em função da conservação do momento angular (para saber mais 2.1). Fig 2.13 -As partículas da nuvem rotatória são atraídas gravitacionalmenteparao centro da nuvem (B). Dividindo a força gravitacional total em duas componentes, como mostra a figura (A): a componentehorizontalmantém a partícula girando em torno do eixo de rotação enquanto a componente vertical, induz a partícula deslocar-se para o disco. distância (figura 2.10) mantendo seu momento angular constante. A mudança de velocidade de rotação é muito expressiva! Sabemos que o momento angular é proporcional a distância e a velocidade (ambos em relação ao eixo de rotação). Então, imagine uma dada porção de material nebular (com massa constante) deslocando-se de um décimo de anoluz até 1UA (equivalente ao raio médio da órbita terrestre), valor 100 milhões de vezes menor que a distância inicial. O fator de decrécimo na distância, tem que ser o mesmo de acréscimo no ritmo de rotação orbital, já que o momento angular é constante. Assim, essa porção de material nebular será 100 milhões de vezes mais veloz que no início! Noi entanto, se o momento angular do corpo for muito grande, ele será Fig 2.12 - Amedida em que a NSP colapsa e se contrai vai assumindo uma estrutura cada vez mais achatada(discoidal) atéqueresteum disco (onde se formaráosplanetas) e um bojo (onde estará o protosol). 11 (1) (2) (3) (4) (5) (6)(7) (8) Uma rotação mais rápida evita que todo o material que colapsa vá para a região central da nuvem. A gravidade atrai a matéria radialmente para o centro de massa, mas a força centrifuga atua perpendicularmente ao eixo de rotação (figura 2.13). À medida que a nuvem protosolar colapsa, a matéria vai se distribuindo num disco fino. Ao longo desse disco a massa vai sendo transferida para o centro ao mesmo tempo em que o momento angular é transferido para a periferia. Das observações de estrelas em formação sabemos que, ao mesmo tempo em que a estrela recebe matéria do disco, ocorre também um escoamento molecular bipolar (jatos), através das duas extremidades do eixo de rotação (figura 2.15). A teoria proposta por Hoyle e Alfven supõe a existência de um campo magnético no interior da NSP (figura 2.14) e quando essa inicia um movimento giratório.
  12. 12. 2.1 Como foi o início? Fig 2.16- Objetos do tipo Herbi-Haro. 11 Os jatos - Objetos Herbing-Haro Assim, o protosol ejeta para fora, parte da matéria da NSP e perde, nesse processo, grande parte de seu momento angular original passando a ter um movimento de rotação mais lento. Em protoestrelas ainda encobertas por gás e poeira, pode- se ver as duas nuvens produzidas pelos jatos. Normalmente, são encontrados dois lóbulos gigantes de gás molecular, um de cada lado de estrelas jovens (figura 2.16 - B). Esses lóbulos, com alguns anos-luz de comprimento, tem massas similares ou até maiores que a massa da estrela jovem, e se afastam com uma velocidade de vários quilômetros por segundo. Essas áreas, como pequenas nuvens, hoje conhecidas como objetos Herbig-Haro são formados por gás aquecido que escapa da estrela. Os jatos têm uma temperatura de cerca de 10 mil kelvins (1273ºC) e contêm cem átomos por cm3 : mais densos do que a vizinhança, mas ainda menos densos do que o melhor vácuo produzido na Terra. Perto da estrela, os jatos são estreitos e mais afastados eles se abrem, alcançando um diâmetro maior que a órbita de Plutão. Supõem-se que um lóbulo molécular é formado quando o gás ambiente atravessa o caminho do jato e é acelerado. A menos da metade da distancia de Mercúrio o disco se aquece a ponto de ocorrer o chamado “congelamento” do campo magnético do proto- Sol. Assim, essa parte do disco é compelida a girar com a mesma velocidade angular do protosol. Como as partículas dessa região estão girando mais lentamente, esse aumento de velocidade faz com que muitas sejam lançadas para Cerca de 100 milhões de anos após o surgimento da NSP, o proto-Sol começou a produzir um intenso vento que dissipou os últimos restos de gás e poeira, desobstruindo a passagem para a luz visível. O proto-Sol estava na fase conhecida como T-Tauri (estrelas jovens de massa ~1M<& ). O atual vento solar é uma perda de massa muito menos intensa. As jovens estrelas no estágio T-Tauri Em 1993, C. Robert O’Dell, da Universidade Rice,e seus colegas observaram Órion com o telescópio e viram os discos que Laplace tinha proposto. O material que havia sido atingido pela intensa radiação e pelos ventos das estrelas maciças das proximidades, parecia estar evaporando. O’Dell batizou esses discos como proplys (do inglês protoplanetary disks). Nas diversas imagens obtidas (figura 2.10), O’Dell detectou, no entanto, algumas jovens estrelas sem a presença do disco. Ao que parece, alguns discos evaporam em um milhão de anos, antes que planetas possam se formar, mas discos similares em ambientes menos violentos parecem perdurar o bastante para dar origem a planetas. Fig 2.17 NURICEL VILLALONGA AGUILERA
  13. 13. Dessa combinação de forças resulta uma concentração maior de matéria no centro, que vai transformar-se no protosol e, no plano equatorial, um disco de gás e poeira. 11 Ao iniciar as reações de fusão nuclear, a protoestrela passa a ser considerada uma estrela jovem, já que sua massa não mais se altera significativamente e sua evolução futura está definida. Estrelas nestas fases inicias, chamadas de T-Tauri (figura 2.9-D) são sempre encontradas no in- terior de nuvens de gás das quais nascem. Um exemplo é o aglomerado do Trapézio no interior da Nebulosa de Órion (figura 2.8). No caso da NSP, os fluxos lançados pelo Sol e seus contemporâneos estelares (outras estrelas formadas a partir da mesma nuvem molecular) contribuíram para eliminar o gás e a poeira residuais que preenchiam o espaço entre eles (ventos solar e estelar). Isso provavelmente enfraqueceu o vinculo gravitacional que mantinha essas jovens estrelas próximas, e ao longo de alguns milhões de anos, elas se dispersaram. Hoje a mais próxima do Sol esta a cerca de quatro anos-luz de distância. Fig 2.10 - Fotos do HSP (Hubble Space Telescope. Após alguns milhões de anos, reações de fusão termonuclear iniciam-se no núcleo e dá fim à queda do gás em direção ao centro (figura 2.9). A mudança leve em densidade ativará a contração da nuvem por sua própria gravidade. Um “ esfera ” conhecido como protostar é formado então. Desde então não há nenhuma reação nuclear dentro do protostar, um protostar não é uma estrela contudo. As nuvens que evoluirão a estrelas com uma massa de 10 a 30 contrato de massas solar para aproximadamente o tamanho de nosso sistema solar em só 10,000 anos ou assim e se torna O e estrelas de B. Menos volumoso formam T Tauri digitam estrelas que formarão estrelas eventualmente de espectral digita G, K ou M. T estrelas de Tauri são rodeadas por uma nuvem enorme e eles são muito jovens, com baixa temperatura de superfície. Eles emitem a maioria da luz deles/delas na região infravermelha e eles se aparecem vermelhos. (Um princípio geral é, uma reação violenta distribuirá ondas de comprimento de onda curtas, como raios de gama ou Radiografias; enquanto um processo suave radiará que comprimento de onda longo ondula, como rádio ou infravermelho.) Diversas imagens obtidas de protoestrelas obtidas em diferentes regiões da galáxia mostram que elas tem discos de acreção e jatos. Os jatos não parecem ser duradouros, aproximadamente 100.000 anos. Em protoestrelas ainda encobertas por gás e poeira, pode-se ver as duas nuvens produzidas pelos jatos. os astrônomos esperavam ver sinais de gás deslocando-se rapidamente em direção ao núcleo. Para sua surpresa, eles descobriram que o gás, na forma de moléculas, estava na verdade se deslocando para fora. Normalmente, são encontrados dois lóbulos gigantes de gás molecu- lar, um de cada lado de estrelas jovens. Tipicamente de alguns anos luz de comprimento, esses lóbulos tem massas similares ou até maiores que a massa da estrela jovem, e se afastam com uma velocidade de vários quilômetros por segundo. Essas áreas, como pequenas nuvens, hoje conhecidas como objetos de Herbig-Haro são formados por gás aquecido que escapa da estrela. Os jatos têm uma temperatura de cerca de 10 mil kelvins (1273ºC) e contêm cem átomos por cm3 : mais densos do que a vizinhança, mas ainda menos densos do que o melhor vácuo produzido na Terra. Perto da estrela, os jatos são estreitos, abrindo-se em ângulo de alguns graus; mais afastados dela, eles se abrem em leque, alcançando um diâmetro maior que a órbita de Plutão. A explicação mais aceita é: um lóbulo molécular é formado quando o gás ambiente atravessa o caminho do jato e é acelerado. NURICEL VILLALONGA AGUILERA

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