A força criadora do universo

A formação e a estrutura do universo são resultado da força da gravidade. A imagem acima, captada pelo Telescópio Espacial Spitzer, mostra galáxias de várias formas e tamanhos (imagem: Nasa/JPL-Caltech).

Olhar para as estrelas inspira artistas e poetas há milhares de anos. A regularidade e a distribuição de estrelas com diferentes cores e tamanhos é um belo espetáculo, apesar de pouco acessível nas grandes cidades, onde a poluição ambiental e luminosa priva-nos cada vez mais dessa oportunidade.

Embora o céu nos proporcione uma bela visão, apenas observadores mais atentos percebem os movimentos celestes. Além da Lua e do Sol, que são os corpos mais facilmente observados, não reparamos como o céu muda ao longo do ano. Infelizmente, perdemos o hábito de olhar para cima, principalmente porque para admirar o céu é necessário paciência e um pouco de tempo, cada vez mais raros nos dias de hoje.

Já a distribuição de estrelas e os movimentos dos corpos celestes são governados por uma força invisível, mas muito presente. A força gravitacional cria a arquitetura estelar do céu. Embora seja considerada a força fundamental mais fraca, ela é responsável pela queda dos objetos em direção à superfície da Terra, por manter a Lua girando em torno de nós e pela estrutura geral do universo.Na antiguidade, olhar para o céu era uma procura pelo divino. Diversos povos e civilizações encontraram seus deuses e heróis representados nas estrelas. As constelações são esses agrupamentos de estrelas. Cada povo usou lendas e histórias relacionadas com sua cultura e crença para explicar a distribuição das estrelas no céu. A astrologia, que nasceu com o objetivo de desvendar os destinos humanos, foi uma dessas tentativas de nos ligar com as estrelas. Entretanto, as interpretações astrológicas não têm nada de científicas e tampouco conseguem prever o que acontece conosco.

A gravitação universal de Newton

O físico inglês Isaac Newton, pintado por Godfrey Kneller em 1689.

O conceito de gravidade foi proposto pelo físico inglês Isaac Newton (1642-1727). Embora exista a célebre história da queda da maçã madura no pomar de uma fazenda em Woolsthorpe, no interior da Inglaterra, no ano de 1666, o conceito de gravidade levou tempo para amadurecer. As ideias de Newton foram plantadas naquela época, mas apenas colhidas em 1687, quando ele publicou a lei da gravitação universal no livro Principia.

A lei da gravitação universal proposta por Newton baseia-se no princípio de que dois objetos se atraem devido a uma força diretamente proporcional ao produto de suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que os separa. A atração ocorre sem que os dois corpos se toquem e se dá instantaneamente. A partir desses conceitos, Newton conseguiu explicar por que as maçãs caem, a Lua gira ao redor da Terra, e os planetas, ao redor do Sol. Ele explicou como o universo se move.

Contudo, a força gravitacional proposta por Newton levava a um paradoxo. Ele imaginava que a gravidade atuava instantaneamente, mas isso tornaria impossível a existência do nosso universo, pois todos os corpos se atrairiam mutuamente, o que levaria o universo a um colapso. Como não é isso que observamos, a única resposta possível seria a de que o universo é infinito, pois assim ele levaria um tempo infinito para colapsar.Com o desenvolvimento dos instrumentos astronômicos, foi possível observar que as estrelas, que parecem manter sua posição fixa em relação às outras, de fato se movem. O próprio Sol arrasta o Sistema Solar por uma viagem de quase 250 milhões de anos para dar uma volta ao redor da galáxia. Essa viagem é guiada pela força gravitacional resultante das centenas de bilhões de estrelas que constituem a Via Láctea.

Nos meados da segunda década do século 20, o astrônomo americano Edwin Powell Hubble (1889-1953) conseguiu observar, por meio do telescópio do Monte Wilson – o maior da época –, localizado na Califórnia (Estados Unidos), determinados tipos de estrelas cuja luminosidade variava com o tempo. A partir da mudança do período de brilho dessas estrelas, foi possível determinar a distância que as galáxias se encontravam umas das outras.

Mas o resultado surpreendente dessas observações foi que Hubble verificou que o espectro emitido pela maioria das galáxias apresentava um desvio para o vermelho, o que indicava que elas estavam se afastando em grandes velocidades, próximas à da luz. Hubble descobriu que o universo estava em expansão.

Uma nova visão da gravidade

Praticamente uma década antes, o físico alemão Albert Einstein (1879-1955) havia apresentado a teoria da relatividade geral, com o objetivo de incluir o movimento de corpos acelerados que a teoria da relatividade restrita não previa (leia mais na coluna de março de 2007). Einstein percebeu que, para atingir esse objetivo, deveria propor uma nova teoria da gravitação. A resposta que ele encontrou foi que o campo gravitacional é criado a partir da “curvatura do espaço e do tempo” provocada pela presença da massa e da energia. Quanto maior a densidade, maior seria a curvatura e, como consequência, maior a força gravitacional.

Segundo a teoria da relatividade geral, proposta por Albert Einstein, a força da gravidade é uma consequência direta da curvatura do espaço e do tempo (representada na imagem), que ocorre devido à presença de massa e energia (imagem: reprodução de CH 182).

Dessa forma, a origem da gravidade, que a teoria newtoniana não explicava, foi compreendida como um efeito da geometria do espaço-tempo. Além disso, as ideias da relatividade também eliminaram o conceito de ação instantânea da força gravitacional, pois, como Einstein mostrou, nenhum sinal ou interação poderia viajar mais rápido do que a velocidade da luz.

Quando Einstein aplicou as equações da teoria da relatividade geral para fazer uma descrição geral da estrutura do universo, a solução que surgiu mostrava que o universo estava em expansão, ou seja, o espaço que separava as galáxias estaria se expandindo. Mas, na época, não havia nenhuma evidência desse fato.

Para resolver essa questão, Einstein introduziu um elemento nas equações da teoria da relatividade geral que ficou conhecido como constante cosmológica, que resultaria em um universo estático. Com a descoberta de Hubble, Einstein reconheceu que esse foi o seu maior erro. Sem essa constante, a teoria da relatividade geral transformou-se em uma das teorias mais sólidas da física.

Com essa nova visão da gravidade apresentada por Einstein, foi possível explicar não apenas a expansão do universo, mas também sua estrutura como um todo. O melhor entendimento da natureza da gravidade permitiu compreender como se formam as estrelas e os planetas e como estes últimos se agrupam para formar as galáxias.

Se a gravidade tivesse uma intensidade um pouco maior, o universo não teria se expandido e logo entraria em colapso. Não haveria tempo para formar estrelas, planetas e até a vida, como ocorre na Terra. Por outro lado, se a força da gravidade fosse mais fraca, as galáxias, estrelas e planetas também não se formariam e o universo seria escuro e, com certeza, sem vida. Portanto, essa força presente em nosso cotidiano e em todas as partes do universo é responsável pela nossa própria existência. Sem dúvida, a gravidade é uma força agregadora e criadora. A gravidade também é responsável pela pressão que faz com que o interior das estrelas atinja temperaturas da ordem de milhões de graus. Nessas temperaturas, ocorrem as reações de fusão nuclear que liberam a energia que contrabalanceia a pressão gravitacional e mantém a estrela estável por bilhões de anos. Como resultado da fusão nuclear, surgem ainda os novos elementos químicos.

O Mundo É Feito de Átomos!

A Grécia Antiga foi o primeiro berço da ideia, que voltou à tona no século 19 como uma das maiores revelações da ciência: a de que por trás de tudo estão os átomos. Adilson de Oliveira descreve o que constitui e o que constroem esses minúsculos tijolos da vida.

Por: Adilson de Oliveira

Publicado em 17/09/2010 | Atualizado em 24/11/2010

Átomos de carbono compõem tanto a grafite nossa de cada dia quanto os cobiçados diamantes. A diferença está na disposição dos átomos nas estruturas (Fotos: Sxc.hu/Zsuzsanna Kilian e Swamibu. Montagem: Júlia Carneiro).

"Se, em algum cataclisma, todo o conhecimento científico for destruído e só uma frase puder ser passada para a próxima geração, qual seria a afirmação que conteria maior quantidade de informação na menor quantidade de palavras? Eu acredito que seria a hipótese atômica de que todas as coisas são feitas de átomos..."

Richard Feynman (1918-1988)
em The Feynman Lectures on Physics

Um dos ipês floridos no campus da Universidade Federal de São Carlos, inspiração para o colunista (foto: Coordenadoria de Comunicação Social/ UFSCar).

Ao observar o céu, com auxílio de telescópios, podemos ter acesso a visões de objetos espetaculares, como Saturno e seus anéis, belas nebulosas, como a de Órion, e galáxias maravilhosas, como a de Andrômeda.

Como podemos encontrar tanta beleza no universo? Como é possível haver toda essa diversidade? Talvez a resposta mais simples a essa questão seja que todas essas coisas são simplesmente feitas de átomos.

A ideia de que as coisas são feitas de alguns elementos fundamentais vem desde a Grécia antiga. Filósofos como Anaximandro, que viveu no século 6 a.C., imaginavam que tudo era composto por uma substância primordial denominada Apeiron, que seria uma ‘massa geradora’ dos seres, contendo em si todos os elementos. Outros, como Anaxímenes (588-524 a.C.), acreditavam que o ar era a substância primordial.

A partir desses choques e movimentos ao longo do tempo, esses átomos se uniriam por suas características, formando as diversas substâncias que encontramos na natureza.Mas, por volta do século 4 a.C., surgiu o conceito de átomo. Demócrito (460-370 a.C.), discípulo Leucipo (século 5 a.C), propunha que tudo o que existe (inclusive a própria alma que animaria os seres vivos) seria constituído por um turbilhão de infinitos átomos de diversos formatos movendo-se ao acaso e se chocando.

Da antiguidade à era moderna

A palavra átomo em grego quer dizer ‘não divisível’ (a = não; tomo = parte). Embora o conceito fosse interessante, ele foi superado por outras ideias na antiguidade, como o princípio segundo o qual tudo é composto a partir de cinco elementos fundamentais: terra, água, ar e fogo para os objetos terrestres, e o éter para os objetos celestes.

Um dos grandes problemas para o conceito do átomo era que estes deveriam se mover no vazio, algo que era de difícil concepção para muitos filósofos – entre eles Aristóteles, que construiu a sua visão de universo baseado nos cinco elementos e não no conceito de átomo.

No final do século 19, o modelo do átomo foi novamente modificado. Em 1897, J. J. Thomson descobriu o elétron, uma minúscula partícula de carga elétrica negativa. Thomson então imaginou que o átomo seria composto por um ‘caroço duro’ positivo e que os elétrons estariam incrustados nesse ‘caroço’ e poderiam ser arrancados quando se aplicasse, por exemplo, um potencial elétrico sobre o átomo.No começo do século 19, em 1803, o químico inglês John Dalton (1766-1844) resgatou a ideia do átomo como uma pequena esfera, com massa definida e propriedades características de cada elemento químico. Dessa maneira, ele poderia explicar as reações químicas pelo arranjo de átomos, que seriam, para ele, as menores partículas indivisíveis que constituem a matéria.

Alguns anos depois, Ernest Rutherford realizava experimentos de colisões de partículas alfa (núcleos de átomos de hélio) em uma fina folha de ouro quando percebeu que algumas partículas atravessavam com facilidade, enquanto outras eram ricocheteadas, como se colidissem com algo mais denso. Dessa forma, ele descobriu que o átomo parecia ter praticamente toda a sua massa concentrada em uma pequena região, enquanto os elétrons estariam muito afastados desse núcleo.

Atualmente sabemos que o núcleo do átomo é cerca de 100 mil vezes menor que a região na qual ficam os elétrons. O tamanho típico de um átomo é na ordem de 0.1 nanômetro (um nanômetro é um milionésimo de um milímetro).

Imagem de um átomo de hélio. A nuvem ao redor indica a região onde se encontram os elétrons, com aproximadamente 1 Angstrom (um décimo de um nanômetro). Em destaque, uma imagem do núcleo atômico, com dois prótons e dois nêutrons e cem mil vezes menor que um Angstrom (imagem: Yzmo/ Wikimedia Commons).

O que faz cada átomo

O núcleo é composto por prótons, que têm aproximadamente mil vezes a massa do elétron, mas com carga positiva; e por nêutrons, que têm massa similar à do próton, mas sem carga elétrica. É a partir da interação eletromagnética que os elétrons interagem com os prótons no núcleo atômico, e pela interação nuclear forte entre os prótons e nêutrons que se mantém o núcleo coeso.

Existem 92 tipos de átomo naturais. O menor deles é o hidrogênio, que contém apenas um próton no seu núcleo, e o maior é o urânio, que tem 92 prótons e 146 nêutrons. Já foram produzidos cerca de 26 átomos artificiais, mas eles não são estáveis e rapidamente se desintegram em outros menores.

Já o carbono, que está presente em inúmeras substâncias, em particular nos seres vivos, formando diversas moléculas orgânicas, tem seis prótons e seis nêutrons.O que diferencia um átomo do outro é essencialmente o número de prótons que cada um contém. Por exemplo: o gás oxigênio que respiramos do ar é uma molécula composta por dois átomos de oxigênio (que contém oito prótons e oito nêutrons).

O carbono se apresenta também como a grafite utilizada no lápis para escrever e os famosos diamantes que tanto nos fascinam. A grafite é negra e mole, e o diamante é duro e reflete a luz de uma maneira maravilhosa (daí vem a sua beleza). A diferença entre a grafite e o diamante é apenas a disposição dos átomos de carbono nas suas estruturas.

O mesmo elemento químico, quando arranjado de diferentes formas, produz diferentes propriedades físicas. Esse fenômeno é conhecido como alotropia. O carbono apresenta outras estruturas, como a das bucky balls, nas quais 60 átomos de carbono ficam dispostos como se formassem uma bola de futebol.

Nesta configuração, os átomos de carbono podem apresentar propriedades magnéticas e supercondutoras, além de suportar grandes tensões (os supercondutores são materiais que em baixas temperaturas conduzem corrente elétrica sem perda de energia. As bobinas das máquinas de ressonância magnética são feitas com esses materiais).

Tecnologia em escala atômica

Atualmente, com o avanço científico e tecnológico, sabemos não apenas que a matéria é feitas de átomos, mas também podemos manipular a matéria em escala atômica e produzir novas coisas.

A chamada nanotecnologia, que é a tecnologia na escala do nanômetro, vem permitindo o desenvolvimento de novos materiais que são aplicados nos mais diversos ramos. Alguns exemplos são a produção de computadores mais rápidos e baratos, ou a criação de remédios que curam inúmeras doenças.

Os átomos de carbono também estão presentes nos ipês amarelos e brancos que floriam nesta semana na UFSCar. São idênticos aos dos diamantes mais caros ou aqueles que estão nos detritos que formam os anéis de Saturno. Os de oxigênio estão também nessas árvores, nos cristais de gelos que formam algumas nuvens, na água que cai nas Cataratas do Iguaçu e em muitas das belas nebulosas que observamos no céu.Em um futuro próximo, será possível produzir máquinas feitas de apenas alguns átomos. Esses nanodispositivos poderão ser inseridos no organismo, por exemplo, para atacar vírus ou bactérias no nível molecular ou na regeneração de células danificadas.

Saber que as coisas são feitas de átomos talvez tenha sido uma das mais importantes descobertas da humanidade. Quando vemos que a natureza pode combiná-los de forma a produzir belos espetáculos, percebemos mais ainda como esse conhecimento é valioso.

Evolução dos Telescópios

Aproveitando a postagem sobre Galileu, aí vai um apanhado rápido sobre os telescópios e a sua evolução. Como esses instrumentos formidáveis nos proporcionaram imagens inigualáveis do nosso universo.

A Evolução dos Telescópios

Os telescópios são instrumentos que revolucionaram a maneira pela qual olhamos para o céu e grande parte de nossas descobertas a respeito do espaço e sobre os corpos celestes mais longínquos foi possível graças a sua criação e o seu aperfeiçoamento, desde o modelo mais simples utilizado por Galileu Galilei no século XVII até os mais modernos radiotelescópios e telescópios espaciais. Exibiremos a seguir, imagens e descrições dos telescópios que foram de fundamental importância para as descobertas na astronomia:

1- Telescópio de Galileu: Um modelo simples, consisitindo de duas lentes nas etremidades de dois tubos onde um desliza dentro do outro (Telescópio refrator). O instrumento foi usado pela primeira vez em observações da Lua, principalmente nas sombras de montanhas e bordas de crateras; permitiu a descoberta das manchas solares; as quatro maiores luas de Júpiter (Io, Europa, Ganimedes e Calisto ),conhecidas como luas galileanas, em sua homenagem.

2-Telescópio de Newton: O exemplar construído por Isaac newton, diferente do de Galileu, utilizava um espelho para captar e focalizar a luz incidente (Telescópio refletor) e possuiavantagens em relação ao telescópio refrator, devido ao último sofrer efeitos de distorção de imagens. Atualmente os telescópios de grande porte são do tipo refletores.

3- Telescópio de Herschel: Possuia 12 metros de comprimento e através dele foi possível a descoberta de dois satélites naturais de Saturno ( Encélado e Mimas) , e os dois maiore satélites de Urano (Titânia e Oberon).

4- Telescópio Hooker: Inaugurado em 1917, foi utilizado por Edwin Hubble para reunir os indícios de que o Universo se encontrava ( e se encontra) em expansão.

5- Antena de Rádio de Karl Jansky: Construida para monitorar ondas curtas de rádio, acabou registrando ondas que vinham do dentro da Via Láctea. Representava o início da Radioastronomia.

6- Telescópio Hale do Observatório Palomar (Sul de Los Angeles): Levou 20 anos para ser construído e foi um instrumento fundamental no estudo dos Quasares.

7- Telescópio Espacial Hubble: Foi colocado em órbita da Terra a 400 Kms de distância possibilitando observações astronômicas sem interferência da atmosfera terrestre.

8- Os telescópios "Gêmeos" Keck: Estão localizados a 4.150 metros no pico do monte Mauna Kea (Havaí). Tem sido ndispensáveis na detecção de planetas extrasolares.

9-Observatório Chandra de Raios-X: Pioneiro em várias observações na faixa do raio- X, incluindo a primeira observação de jatos de matéria em Sagitário A e o buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea.

10- Telescópio Espacial Spitzer: Último dos grandes observatórios espaciais da NASA, este observa na faixa do infravermelho.Permitiu Um grande avanço no conhecimento da origem e evolução de estrelas , e de outros sistemas solares.

Fonte:http://www2.uol.com.br/sciam/multimidia/dez_telescopios_que_mudaram_nossa_visao_sobre_o_universo.html

Sugestões de Leitura:

Telescopio:http://pt.wikipedia.org/wiki/Telesc%C3%B3pio

A Mais Fascinantes Imagens Obtidas Pelo Telescópio espacial Hubble:

http://www.observatorio.ufmg.br/hubble2.htm

Os Herschel: Uma Família de Músicos e a Sua Contribuição Para a Astronomia:

http://www.eca.usp.br/njr/voxscientiae/Tania_Pereira_Dominici_Willian_Herschel.htm

Spitzer Image Gallery:

http://gallery.spitzer.caltech.edu/Imagegallery/chron.php?cat=Astronomical_Images

Personalidades da Ciência : Galileu Galilei: O Pai da Ciência Moderna!

Depois de mais de 6 meses de hiato, volto a postar aqui no meu blog, na seção Personalidades da Ciência.

Biografia do Astrônomo Galileu Galilei e as Descobertas de Galileu!

Galileu Galilei foi o pai da moderna física experimental e da astronomia telescópica. Seus experimentos em mecânica estabeleceram parte dos conceitos de inércia, e de que a aceleração de corpos em queda livre não depende de seu peso, que foram mais tarde incorporados às leis do movimento de Newton.

Trabalhos:

Galileo começou suas observações telescópicas em 1610, usando um telescópio construído por ele mesmo. Lentes e óculos já eram conhecidos desde cerca de 1350, e Galileo tinha ouvido falar do telescópio construído pelo holandês Hans Lippershey (1570-1619) em 1608. Galileo soube desse instrumento em 1609, e, sem ter visto o telescópio de Lippershey, construiu o seu próprio, com aumento de 3 vezes, ainda em 1609. Em seguida ele construiu outros instrumentos, e o melhor tinha aumento de 30 vezes.

Galileo usou o telescópio para observar sistematicamente o céu, fazendo várias descobertas importantes, por exemplo:

* descobriu que a Via Láctea era constituída por uma infinidade de estrelas.

* descobriu que Júpiter tinha quatro satélites, ou luas, orbitando em torno dele, com períodos entre 2 e 17 dias. Esses satélites são chamados “galileanos”, e são: Io, Europa, Ganimedes e Calisto. Desde então, mais 35 satélites foram descobertos em Júpiter. Essa descoberta de Galileo foi particularmente importante porque mostrou que podia haver centros de movimento que por sua vez também estavam em movimento; portanto o fato da Lua girar em torno da Terra não implicava que a Terra estivesse parada.

* descobriu que Vênus passa por um ciclo de fases, assim como a Lua.

Essa descoberta também foi fundamental porque, no sistema ptolomaico, Vênus está sempre mais próximo da Terra do que o Sol, e como Vênus está sempre próximo do Sol, ele nunca poderia ter toda sua face iluminada voltada para nós (fase cheia) e, portanto, deveria sempre aparecer como nova ou no máximo crescente. Ao ver que Vênus muitas vezes aparece em fase quase totalmente cheia, Galileo concluiu que ele viaja ao redor do Sol, passando às vezes pela frente dele e outras vezes por trás dele, e não revolve em torno da Terra.

Descobriu a superfície em relevo da Lua, e as manchas do Sol. Ao ver que a Lua tem cavidades e elevações assim como a Terra, e que o Sol também não tem a superfície lisa, mas apresenta marcas, provou que os corpos celestes não são esferas perfeitas, mas sim têm irregularidades, assim como a Terra.

Inquisição:

As descobertas de Galileo proporcionaram grande quantidade de evidências em suporte ao sistema heliocêntrico. Por causa disso, ele foi chamado a depor ante a Inquisição Romana, sob acusação de heresia, e obrigado a se retratar.

Apenas em 1980, o Papa João Paulo II ordenou um reexame do processo contra Galileo, o que acabou por eliminar os últimos vestígios de resistência, por parte da Igreja Católica, à revolução Copernicana.

Satélites de Júpiter:

O astrônomo alemão Simon Marius (1573-1624) afirma ter descoberto os satélites de Júpiter algumas semanas antes de Galileo. Mas Galileo, descobrindo-os independentemente em 7 e 13 de janeiro de 1610, publicou primeiro, em março de 1610, no seu Sidereus Nuncius.

Os atuais nomes dos satélites foram dados por Marius em 1614, seguindo sugestão de Johannes Kepler. Na mitologia grega, Io, Calisto e Europa foram mulheres amantes de Zeus (Júpiter), enquanto Ganimedes foi um jovem de extraordinária beleza, por quem Zeus se apaixonou e atraiu ao Olimpo levado por uma águia.

Bíblia:

A razão da proibição da Igreja ao heliocentrismo era que no Salmo 104:5 do Antigo Testamento da Bíblia, está escrito: Deus colocou a Terra em suas fundações, para que nunca se mova.