Astronomia e astrof´+¢sica parte 001

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Astronomia e astrof´+¢sica parte 001

  1. 1. Cap´ıtulo 1Astronomia antigaAs especula¸c˜oes sobre a natureza do Universo devem remontar aos tempospr´e-hist´oricos, por isso a astronomia ´e frequentemente considerada a maisantiga das ciˆencias. Os registros astronˆomicos mais antigos datam de aproxi-madamente 3000 a.C. e se devem aos chineses, babilˆonios, ass´ırios e eg´ıpcios.Naquela ´epoca, os astros eram estudados com objetivos pr´aticos, como me-dir a passagem do tempo (fazer calend´arios) para prever a melhor ´epocapara o plantio e a colheita, ou com objetivos mais relacionados `a astrologia,como fazer previs˜oes do futuro, j´a que, n˜ao tendo qualquer conhecimentodas leis da natureza (f´ısica), acreditavam que os deuses do c´eu tinham opoder da colheita, da chuva e mesmo da vida.V´arios s´eculos antes de Cristo, os chineses sabiam a dura¸c˜ao do ano eusavam um calend´ario de 365 dias. Deixaram registros de anota¸c˜oes preci-sas de cometas, meteoros e meteoritos desde 700 a.C. Mais tarde, tamb´emobservaram as estrelas que agora chamamos de novas.Os babilˆonios, ass´ırios e eg´ıpcios tamb´em sabiam a dura¸c˜ao do ano desde´epocas pr´e-crist˜as. Em outras partes do mundo, evidˆencias de conhecimentosastronˆomicos muito antigos foram deixadas na forma de monumentos, comoo de Stonehenge, na Inglaterra, que data de 3000 a 1500 a.C. Nessa estrutura,algumas pedras est˜ao alinhadas com o nascer e o pˆor do Sol no in´ıcio do ver˜aoe do inverno. Os maias, na Am´erica Central, tamb´em tinham conhecimentosde calend´ario e de fenˆomenos celestes, e os polin´esios aprenderam a navegarpor meio de observa¸c˜oes celestes.H´a milhares de anos os astrˆonomos sabem que o Sol muda sua posi¸c˜aono c´eu ao longo do ano, se movendo cerca de 1◦ para leste por dia. O tempopara o Sol completar uma volta em rela¸c˜ao `as estrelas define um ano. Ocaminho aparente do Sol no c´eu durante o ano define a Ecl´ıptica (porque1
  2. 2. os eclipses ocorrem somente quando a Lua est´a pr´oxima da ecl´ıptica).Como a Lua e os planetas percorrem o c´eu em uma regi˜ao de 18 grauscentrada na ecl´ıptica, essa regi˜ao ´e definida como o Zod´ıaco, dividida em 12constela¸c˜oes com formas de animais (atualmente as constela¸c˜oes do Zod´ıacos˜ao treze1). O ´apice da ciˆencia antiga se deu na Gr´ecia, de 600 a.C. a200 d.C., em n´ıveis s´o ultrapassados no s´eculo XVI. Com o conhecimentoherdado das culturas mais antigas, os gregos deram um enorme avan¸co `aAstronomia por acreditarem ser poss´ıvel compreender e descrever matema-ticamente os fenˆomenos do mundo natural. De seu esfor¸co em conhecer anatureza do Cosmos, surgiram os primeiros conceitos de Esfera Celeste,uma esfera rotativa de material cristalino, incrustrada de estrelas, tendo aTerra no centro. A imobilidade da Terra n˜ao foi totalmente unˆanime entreos astrˆonomos gregos, mas os poucos modelos alternativos com a Terra emrota¸c˜ao ou mesmo girando em torno do Sol tiveram pouca aceita¸c˜ao e foramlogo esquecidos. Foi uma vers˜ao aprimorada do modelo geocˆentrico pro-posto no in´ıcio da civiliza¸c˜ao grega que prevaleceu tanto no oriente quantono ocidente durante todo o per´ıodo medieval.1.1 Os astrˆonomos da Gr´ecia antigaTales de Mileto (∼624 - 546 a.C.) introduziu na Gr´ecia os fundamentos dageometria e da astronomia, trazidos do Egito. Pensava que a Terra era umdisco plano em uma vasta extens˜ao de ´agua. Juntamente com seu disc´ıpuloAnaximandro, (∼610 - 546 a.C), tamb´em de Mileto, foi dos primeiros apropor modelos celestes baseados no movimento dos corpos celestes e n˜ao emmanifesta¸c˜oes dos deuses. Anaximandro descobriu a obliq¨uidade da ecl´ıptica(inclina¸c˜ao do plano do equador da Terra em reala¸c˜ao `a trajet´oria anualaparente do Sol no c´eu).Pit´agoras de Samos (∼572 - 497 a.C.) acreditava na esfericidade daTerra, da Lua e de outros corpos celestes. Achava que os planetas, o Sol,e a Lua eram transportados por esferas separadas da que carregava as es-trelas. Enfatizou a importˆancia da matem´atica na descri¸c˜ao dos modeloscosmol´ogicos que pudessem ser comparados com os movimentos observados1Devido `a precess˜ao dos equin´ocios, o Sol atualmente cruza ´Aries de 19 de abril a 13de maio, Touro de 14 de maio a 19 de junho, Gˆemeos de 20 de junho a 20 de julho, Cˆancerde 21 de julho a 9 de agosto, Le˜ao de 10 de agosto a 15 de setembro, Virgem de 16 desetembro a 30 de outubro, Libra de 31 de outubro a 22 de novembro, Escorpi˜ao de 23 denovembro a 29 de novembro, Ofi´uco de 30 de novembro a 17 de dezembro, Sagit´ario de18 de dezembro a 18 de janeiro, Capric´ornio de 19 de janeiro a 15 de fevereiro, Aqu´ariode 16 de fevereiro a 11 de mar¸co e Peixes de 12 de mar¸co a 18 de abril.2
  3. 3. dos corpos celestes, em cuja regularidade via uma ”harmonia c´osmica”. Ospitag´oricos (seguidores de Pit´agoras) foram os primeiros a chamar os uni-verso de “cosmos”, palavra que implicava ordem racional, simetria e beleza.Filolaus de Cretona (∼470-390 a.C.) introduziu a id´eia do movimentoda Terra: ele imaginava que a Terra girava em torno de seu pr´oprio eixo e,juntamente com o Sol, a Lua e os planetas, girava em torno de um ”fogo cen-tral”que seria o centro do universo e fonte de toda a luz e energia. Eud´oxiode Cnidos (408-344 a.C) foi o primeiro a propor que a dura¸c˜ao do ano erade 365 dias e 6 horas. Explicou os movimentos observados do Sol, da Luae dos planetas atrav´es de um complexo e engenhoso sistema de 27 esferasconcˆentricas que se moviam a diferentes velocidades em torno da Terra, fixano centro.Arist´oteles de Estagira (384-322 a.C.) coletou e sistematizou o conhe-cimento astronˆomico de seu tempo, procurando explica¸c˜oes racionais paratodos os fenˆonomenos naturais. Explicou que as fases da Lua2 dependemde quanto da parte da face da Lua iluminada pelo Sol est´a voltada para aTerra. Explicou, tamb´em, os eclipses: um eclipse do Sol ocorre quando aLua passa entre a Terra e o Sol; um eclipse da Lua ocorre quando a Luaentra na sombra da Terra. Arist´oteles argumentou a favor da esfericidade daTerra, j´a que a sombra da Terra na Lua durante um eclipse lunar ´e semprearredondada. Rejeitou o movimento da Terra como alternativa ao movi-mento das estrelas argumentando que, se a Terra estivesse em movimento,os corpos cairiam para tr´as ao serem largados, e as estrelas deveriam apre-sentar movimentos aparentes entre si devido `a paralaxe 3, o que n˜ao eraobservado. Afirmava que o Universo ´e esf´erico e finito.Aristarco de Samos (310-230 a.C.) foi o primeiro a propor um modeloheliocˆentrico consistente para o sistema solar, antecipando Cop´ernico emquase 2000 anos. Arranjou os planetas na ordem de distˆancia ao Sol que ´eaceita hoje. Desenvolveu um m´etodo para determinar as distˆancias relativasdo Sol e da Lua `a Terra que o aproxima dos astrˆonomos modernos na solu¸c˜aode problemas astronˆomicos. Tamb´em mediu os tamanhos relativos da Terra,do Sol e da Lua, e mesmo achando valores muito muito abaixo dos atuaispara o tambanho do Sol em rela¸c˜ao `a Lua (apenas 30 vezes maior), concluiuque o Sol n˜ao poderia estar orbitando a Terra porque um corpo t˜ao grande2Anax´agoras de Clazomenae (∼499-428 a.C.) j´a afirmava que a Lua refletia a luz doSol e come¸cou a estudar as causas dos eclipses.3tal movimento das estrelas de fato existe, mas ´e muito pequeno para ser observado aolho nu devido `a enorme distˆancia das etrelas. A primeira paralaxe estelar foi medida nos´eculo 19, por Friedrich Bessel, para a estrela 61 Cygni. O valor encontrado por ele foi0,3 , implicando uma distˆancia de 10,3 anos-luz.3
  4. 4. como o Sol n˜ao poderia girar em torno de um corpo t˜ao pequeno como aTerra.Erat´ostenes de Cirˆenia (276-194 a.C.), bibliotec´ario e diretor da Bibli-oteca Alexandrina de 240 a.C. a 194 a.C., foi o primeiro a medir o diˆametroda Terra. Ele notou que, na cidade eg´ıpcia de Siena (atualmente chamadade Aswˆan), no primeiro dia do ver˜ao, ao meio-dia, a luz solar atingia o fundode um grande po¸co, ou seja, o Sol estava incidindo perpendicularmente `aTerra em Siena. J´a em Alexandria, situada ao norte de Siena, isso n˜ao ocor-ria; medindo o tamanho da sombra de um bast˜ao na vertical, Erat´ostenesobservou que em Alexandria, no mesmo dia e hora, o Sol estava aproxima-damente sete graus mais ao sul. A distˆancia entre Alexandria e Siena eraconhecida como de 5 000 est´adios. Um est´adio era uma unidade de distˆanciausada na Gr´ecia antiga. A distˆancia de 5 000 est´adios equivalia `a distˆanciade cinq¨uenta dias de viagem de camelo, que viaja a 16 km/dia. Como 7graus corresponde a 1/50 de um c´ırculo (360 graus), Alexandria deveria es-tar a 1/50 da circunferˆencia da Terra ao norte de Siena, e a circunferˆenciada Terra deveria ser 50x5 000 est´adios. Infelizmente, n˜ao ´e poss´ıvel se tercerteza do valor do est´adio usado por Erat´ostenes, j´a que os gregos usavamdiferentes tipos de est´adios. Se ele utilizou um est´adio equivalente a 1/6km, o valor est´a a 1% do valor correto de 40 000 km. O diˆametro da Terra´e obtido dividindo-se a circunferˆencia por π.Hiparco de Nic´eia (160 - 125 a.C.), considerado o maior astrˆonomo daera pr´e-crist˜a, construiu um observat´orio na ilha de Rodes, onde fez ob-serva¸c˜oes durante o per´ıodo de 160 a 127 a.C. Como resultado, ele compilouum cat´alogo com a posi¸c˜ao no c´eu e a magnitude de 850 estrelas. A magni-tude, que especificava o brilho da estrela, era dividida em seis categorias, de1 a 6, sendo 1 a mais brilhante, e 6 a mais fraca vis´ıvel a olho nu. Hiparcodeduziu corretamente a dire¸c˜ao dos p´olos celestes, e at´e mesmo a precess˜ao,que ´e a varia¸c˜ao da dire¸c˜ao do eixo de rota¸c˜ao da Terra devido `a influˆenciagravitacional da Lua e do Sol, que leva 26 000 anos para completar um ci-clo.4 Para deduzir a precess˜ao, ele comparou as posi¸c˜oes de v´arias estrelascom aquelas catalogadas por Timocharis de Alexandria e Aristyllus de Ale-xandria 150 anos antes (cerca de 283 a.C. a 260 a.C.). Estes eram membrosda Escola Alexandrina do s´eculo III a.C. e foram os primeiros a medir asdistˆancias das estrelas de pontos fixos no c´eu (coordenadas ecl´ıpticas). Fo-ram, tamb´em, dos primeiros a trabalhar na Biblioteca de Alexandria, que se4Paul Schnabel, no Zeitschrift f¨ur Assyriologie, N.S., v.3, p. 1-60 (1926), afirma que aprecess˜ao j´a havia sido medida pelo astrˆonomo babilˆonio Cidenas (Kidinnu), em 343 a.C..Cidenas tamb´em mediu o per´ıodo sin´odico da Lua, de 29,5 dias.4
  5. 5. Figura 1.1: Reprodu¸c˜ao de parte do Almagesto, de Claudius Ptolomaeus,escrito entre 127 e 151 d.C.. O termo almagesto ´e uma corruptela do ´arabeAl Majisti; em grego, o livro ficou conhecido como a Mathematike syntaxis(Compila¸c˜ao matem´atica) ou He Megiste Syntaxis (A maior cole¸c˜ao).6chamava Museu, fundada pelo rei do Egito, Ptol´em´ee Sˆoter Ier, em 305 a.C..Hiparco tamb´em deduziu o valor correto de 8/3 para a raz˜ao entre otamanho da sombra da Terra e o tamanho da Lua e tamb´em que a Luaestava a 59 vezes o raio da Terra de distˆancia; o valor correto ´e 60. Eledeterminou a dura¸c˜ao do ano com uma margem de erro de 6 minutos.Ptolomeu (85 d.C. - 165 d.C.) (Claudius Ptolemaeus) foi o ´ultimoastrˆonomo importante da antiguidade. N˜ao se sabe se ele era eg´ıpcio ouromano. Ele compilou uma s´erie de treze volumes sobre astronomia, co-nhecida como o Almagesto, que ´e a maior fonte de conhecimento sobre aastronomia na Gr´ecia.7 A contribui¸c˜ao mais importante de Ptolomeu foiuma representa¸c˜ao geom´etrica do sistema solar, com c´ırculos, epiciclos eequantes, que permitia predizer o movimento dos planetas com consider´avelprecis˜ao, e que foi usado at´e o Renascimento, no s´eculo XVI.7Apesar da destrui¸c˜ao da biblioteca de Alexandria, uma c´opia do Almagesto foi en-contrada no Iran em 765 d.C. e traduzida para o ´arabe. O espanhol Gerard de Cremona(1114-1187 d.C.) traduziu para o latim uma c´opia do Almagesto deixada pelos ´arabes emToledo, na Espanha.5
  6. 6. 1.2 Constela¸c˜oesConstela¸c˜oes s˜ao agrupamentos aparentes de estrelas, os quais os astrˆonomosda antiguidade imaginaram formar figuras de pessoas, animais ou objetosque estivessem relacionados com sua cultura. Numa noite escura, pode-sever entre 1000 e 1500 estrelas, sendo que cada estrela pertence a algumaconstela¸c˜ao. As constela¸c˜oes nos ajudam a separar o c´eu em por¸c˜oes meno-res, mas identific´a-las no c´eu ´e uma tarefa em geral bastante dif´ıcil.Uma constela¸c˜ao f´acil de enxergar ´e ´Orion, mostrada na figura (1.2)como ´e vista no Hemisf´erio Sul. Para identific´a-la devemos localizar trˆesestrelas pr´oximas entre si, de mesmo brilho e alinhadas. Elas s˜ao chamadasTrˆes Marias e formam o cintur˜ao da constela¸c˜ao de ´Orion, o ca¸cador. Aconstela¸c˜ao tem a forma de um quadril´atero com as Trˆes Marias no cen-tro. O v´ertice nordeste do quadril´atero ´e formado pela estrela avermelhadaBetelgeuse, que marca o ombro direito do ca¸cador. O v´ertice sudoeste doquadril´atero ´e formado pela estrela azulada Rigel, que marca o p´e esquerdode ´Orion. Estas s˜ao as estrelas mais brilhantes da constela¸c˜ao. Como vemos,no Hemisf´erio Sul ´Orion aparece de ponta cabe¸ca. Segundo a lenda, ´Orionestava acompanhado de dois c˜aes de ca¸ca, representadas pelas constela¸c˜oesdo C˜ao Maior e do C˜ao Menor. A estrela mais brilhante do C˜ao Maior,S´ırius, ´e tamb´em a estrela mais brilhante do c´eu e ´e facilmente identific´avela sudeste das Trˆes Marias. Procyon ´e a estrela mais brilhante do C˜ao Menore aparece a leste das Trˆes Marias. Betelgeuse, S´ırius e Procyon formam umgrande triˆangulo de estrelas de brilhos semelhantes, como se pode ver nodiagrama. As estrelas de brilhos diferentes s˜ao representadas por c´ırculosde tamanhos diferentes.As constela¸c˜oes surgiram na antiguidade para ajudar a identificar asesta¸c˜oes do ano. Por exemplo, a constela¸c˜ao do Escorpi˜ao ´e t´ıpica do in-verno do Hemisf´erio Sul, j´a que em junho ela ´e vis´ıvel a noite toda. J´a´Orion ´e vis´ıvel a noite toda em dezembro, e, portanto, t´ıpica do ver˜ao doHemisf´erio Sul. Alguns historiadores suspeitam que muitos dos mitos associ-ados `as constela¸c˜oes foram inventados para ajudar os agricultores a lembrarquando deveriam plantar e colher. As constela¸c˜oes mudam com o tempo e,em 1929, a Uni˜ao Astronˆomica Internacional adotou 88 constela¸c˜oes oficiais,de modo que cada estrela do c´eu faz parte de uma constela¸c˜ao. A seguir,mostramos a lista alfab´etica das constela¸c˜oes, em latim e portuguˆes. Essasconstela¸c˜oes foram definidas por: Claudius Ptolomaeus, no Almagesto emcerca de 150 d.C.; Johann Bayer (1572-1625), astrˆonomo alem˜ao, no Urano-metria em 1603; Johannes Hevelius (1611-1689), astrˆonomo alem˜ao-polonˆes,6
  7. 7. Figura 1.2: Mapa do c´eu na ´area da constela¸c˜ao do ´Orion.7
  8. 8. e Nicolas Louis de Lacaille (1713-1762), astrˆonomo francˆes, nos Mem´orias eCoelum Australe Stelliferum em 1752 e 1763.88Lacaille observou 9766 estrelas austrais em 1751-52, no Cabo da Boa Esperan¸ca edeu nome `as constela¸c˜oes: Antlia, Caelum, Circinus, Fornax, Horologium, Mensa, Micros-copium, Norma, Octans, Pictor, Pyxis, Reticulum, Sculptor e Telescopium, e renomeouMusca.8
  9. 9. Andromeda Andrˆomeda (mit.) Lacerta LagartoAntlia Bomba de Ar Leo Le˜aoApus Ave do Para´ıso Leo Minor Le˜ao MenorAquarius Aqu´ario Lepus LebreAquila ´Aguia Libra Libra (Balan¸ca)Ara Altar Lupus LoboAries ´Aries (Carneiro) Lynx LinceAuriga Cocheiro Lyra LiraBo¨otes Pastor Mensa Montanha da MesaCaelum Buril de Escultor Microscopium Microsc´opioCamelopardalis Girafa Monoceros Unic´ornioCancer Cˆancer (Caranguejo) Musca MoscaCanes Venatici C˜aes de Ca¸ca Normai R´eguaCanis Major C˜ao Maior Octans OctanteCanis Minor C˜ao Menor Ophiuchus Ca¸cador de SerpentesCapricornus Capric´ornio (Cabra) Orion ´Orion (Ca¸cador)Carina Quilha (do Navio) Pavo Pav˜aoCassiopeia Cassiop´eia (mit.) Pegasus P´egaso (Cavalo Alado)Centaurus Centauro Perseus Perseu (mit.)Cepheus Cefeu ( mit.) Phoenix FˆenixCetus Baleia Pictor Cavalete do PintorChamaeleon Camale˜ao Pisces PeixesCircinus Compasso Piscis Austrinus Peixe AustralColumba Pomba Puppis Popa (do Navio)Coma Berenices Cabeleira Pyxis B´ussolaCorona Austrina Coroa Austral Reticulum Ret´ıculoCorona Borealis Coroa Boreal Sagitta FlechaCorvus Corvo Sagittarius Sagit´arioCrater Ta¸ca Scorpius Escorpi˜aoCrux Cruzeiro do Sul Sculptor EscultorCygnus Cisne Scutum EscudoDelphinus Delfim Serpens SerpenteDorado Dourado (Peixe) Sextans SextanteDraco Drag˜ao Taurus TouroEquuleus Cabe¸ca de Cavalo Telescopium Telesc´opioEridanus Eridano Triangulum TriˆanguloFornax Forno Triangulum Australe Triˆangulo AustralGemini Gˆemeos Tucana TucanoGrus Grou Ursa Major Ursa MaiorHercules H´ercules Ursa Minor Ursa MenorHorologium Rel´ogio Vela Vela (do Navio)Hydra Cobra Fˆemea Virgo VirgemHydrus Cobra macho Volans Peixe VoadorIndus ´Indio Vulpecula Raposa9

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