Movimentos no Céu
Lua, Sol, Planetas, Estrelas
e tudo o que vemos e o que não
vemos.
Felipe Coelho
Instituto de Física da UFRJ
Nebulosa e estrela de Eta Carina
(fotos do observatório espacial Hubble)
História
O ciclo de dia e noite (o “Dia”) e o ciclo de fases da lua (o “Mês
Lunar”) foram sempre evidentes para a humanidade e tinham utilidade
prática para marcar o tempo.
Além disso havia o ciclo de estações que chamamos “Ano”. Em boa
parte do mundo esse ciclo tem estações muito nítidas: uma muito fria
(o Inverno), outra própria para o plantio (a Primavera), outra muito
quente (o Verão) e outra própria para a colheita (o Outono). Em outras
partes, na chamada região tropical, essa variação é muito menor e às
vezes se reduz a uma estação de chuvas e uma de seca.
Desde a descoberta da agricultura e a consequente criação de
sociedades cada vez mais complexas foi importante ter calendários.
Até povos pré-históricos os mencionavam nas suas religiões e
construíam monumentos astronômicos para indicar a data do dia mais
longo do ano (o início do Verão). Posteriormente os babilônicos, os
chineses, os maias e outros povos fizeram seus calendários e para isto
o estudo dos movimentos celestes era essencial.
A Astronomia foi assim a primeira Ciência e o estudo do movimento
dos astros era essencial para a Agricultura, para as religiões, para a
vida social e para a navegação.
Como saber que passou um ano?
O exemplo mais famoso e preservado é o monumento de Stonehenge, na
Inglaterra, feito 4000 anos atrás por um povo pré-histórico. (Há outros
círculos de pedra com finalidade astronômica na Grã-Bretanha e Irlanda,
mas o mais antigo é de 5000 anos atrás e está no Egito.)
Esse tipo de construção é chamado megalítico, pois é feito com pedras
gigantes ou megalitos (mega=grande,litos=pedra). No dia mais longo do
ano (o solstício de verão) a luz do Sol iluminava o altar.
A utilidade prática da Astronomia
Mesmo antes da descoberta da Agricultura (ocorreu cerca de dez mil
anos atrás), quando as sociedades viviam da caça e da pesca, era importante saber o ciclo de estações. Depois da descoberta da Agricultura isto
tornou-se fundamental, pois a vida das sociedades girava ao redor do
sucesso da colheita. Saber o dia do ano é algo importante para determinar festividades religiosas e para a vida social, e isto era feito pela
Astronomia. Além disso a posição dos astros no céu é essencial para a
navegação, pois o céu é diferente em cada latitude.
Hoje associamos esse ciclo do ano à volta da Terra ao redor do Sol e à
inclinação do eixo de rotação da Terra e associamos o ciclo de dia e
noite à rotação da Terra. Nada disso é evidente das aparências, esses
ciclos eram misteriosos, o que levou a explicações religiosas. Muitas
culturas até faziam sacrifícios humanos e de animais para o Sol renascer
cada manhã ou para a Primavera voltar depois do Inverno.
A Lua, o Sol e as Estrelas
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Aparentemente não só a Lua e o Sol fazem círculos ao redor da Terra
como as estrelas fazem círculos ao redor de um ponto que chamamos
o polo celeste. Hoje sabemos que esse movimento é aparente, sendo
produzido pela rotação da Terra.
Fotografia do céu com tempo de
exposição longo
As constelações: unindo as posições
aparentes de estrelas, no “hemisfério
celeste”. Na verdade quem gira é a Terra...
Muita coisa não é o que parece
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As constelações são apenas um recurso visual e como tal são
arbitrárias: leão, touro, caranguejo, etc.
As constelações no plano equatorial da Terra são chamadas de
zodiacais.
O que parece ser uma estrela pode ser um conjunto de estrelas ou até
uma galáxia com dezenas de bilhões de estrelas.
O Sol é uma estrela de intensidade luminosa média
As constelações de Orion e Taurus:
um exemplo de imaginação...
E os planetas e os cometas? E os
eclipses do Sol e da Lua?
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Havia coisas irregulares no céu. Os planetas, em particular
apareciam cada dia num ponto do céu. Vários povos do grupo
chamado indo-europeu associaram a eles os seus deuses
principais e também associaram a eles os nomes dos dias da
semana. Os babilônicos fizeram o mesmo.
A semana de 7 dias, como boa parte da Astronomia, originouse no primeiro milênio antes de Cristo na Babilônia, uma região
hoje parte do sul do Iraque. Lá surgiu também o dia de 24
horas e o círculo de 360 graus, e tanto o grau quanto a hora
foram divididos em 60 partes chamadas minutos.
Babilônia (sec. VII e VI aC)
Porque os planetas eram deuses?
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Os planetas andavam livremente pelo céu e, assim, contrariamente ao
Sol, à Lua e às estrelas, tinham liberdade. Abaixo está o movimento
aparente de dois deles: à esquerda, Marte, e à direita, Mercúrio.
Os nomes dos dias da semana
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Há três fontes principais:
A) grego clássico:Sol, Lua, Aries,Hermes, Zeus, Afrodite e Cronos;
latim clássico: Sol, Lua, Marte, Mercúrio, Júpiter, Vênus e Saturno
B) Os povos germânicos usavam nomes diferentes para cada deus e
seu planeta correspondente, mas davam o nome dos seus deuses
aos dias da semana. Assim sendo há os dias do Sol, da Lua, de Tyr
(Twia), de Odin, de Thor, de Freya e de Saturno.
C) Os judeus numeravam os seus dias e chamavam o sétimo dia de
sábado. A igreja cristã manteve o nome dos dias judaicos mas
chamou o primeiro dia de Domingo ou dia do Senhor.
O papa Silvestre II (950-1003), com formação científica, recomendou
que os nomes dos deuses pagãos fossem removidos e se adotasse
a nomenclatura judaico-cristã para os dias da semana mas apenas
Portugal cumpriu na íntegra o pedido.
Os deuses/planetas continuaram
nos nomes dos dias de semana...
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Os países de língua latina (exceto Portugal) mudaram apenas os nomes dos dia do Sol e de Saturno, que passaram a Domingo e Sábado.
Os demais continuaram com os nomes de planetas/deuses de segunda
a sexta-feira. Em espanhol, por exemplo, os nomes são lunes, martes,
miércoles, jueves e viernes. Em francês e em italiano ocorre o mesmo.
Nas línguas germânicas (alemão, inglês, sueco) nem isso ocorreu.
Apenas sumiu o dia de Odin (Wodan) do alemão, e o dia de Saturno
sumiu do alemão e do sueco (afinal Saturno não era deus germânico).
Mexer com deuses/planetas é difícil!!!
Já os meses são nomeados de várias fontes. Quatro são de deuses
romanos (Jano, Marte, Maia, Juno). Dois são de imperadores romanos
(Julio Cesar e Augusto). O nome Fevereiro vem de um deus etrusco da
morte. O nome Abril vem de ser o mês onde as flores abrem. Os
últimos 4 meses eram numerados de 7 a 10 (deviam ser numerados de
9 a 12 mas o calendário romano tinha dois meses sem número).
Porque os religiosos islâmicos,
judeus e cristãos se preocupavam
com calendários e mapas celestes?
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Nessas religiões o calendário religioso é inteira ou parcialmente
baseado nos meses lunares, mas a vida prática exige calendários
solares, associados ao ciclo de estações. Por exemplo, no calendário
solar europeu ocidental era importante saber a data da Páscoa, que é
o início do ano litúrgico.
Além disso o islamismo determina que o fiel ore voltado para Meca,
o que exige ter bons mapas e instrumentos astronômicos. A Astronomia árabe era excepcional também para responder às necessidades
da navegação árabe, muito ativa no Mediterrâneo e no Oceano
Índico. E havia também o interesse científico básico.
A Astronomia do fim da era
medieval
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No século XIII o rei Alfonso, o Sábio (de Castela, hoje parte da
Espanha) reuniu uma comissão de astronomos judeus, muçulmanos e
cristãos para fazer uma tabela revisada de movimentos planetários.
Essa tabela mostrava, mais uma vez que havia dificuldades com o
modelo grego para movimentos planetários. Enquanto os movimentos
do Sol e da Lua podiam ser considerados círculos, os dos planetas
eram em circulos cujos centros, por sua vez andavam em círculos.
Além disso o centro de cada círculo planetário podia andar em círculo
ao redor do verdadeiro centro do Universo. A Terra estava perto desse
centro do Universo mas não no centro.
Há uma lenda de que o rei teria dito que se Deus o tivesse consultado
ele pediria uma coisa mais simples. A lenda deve ser falsa mas o
modelo grego tinha mais de 50 parâmetros, era bem complicado.
Qual era o problema? Aristóteles,
Ptolomeu e São Tomas de Aquino
O filósofo grego Aristóteles (séc. IV aC) compilou boa parte de
conhecimento da sua época. Posteriormente outros cientistas e
filósofos complementaram o seu trabalho. Na área de Astrono-mia o
grande nome foi Ptolomeu (sec. I e II dC) com sua obra gigantesca o
Almagesto (em árabe quer dizer Grande Tratado).
Os muçulmanos e os cristãos orientais (ortodoxos) já tinham compatibilizado esses filósofos não-cristãos com as suas religiões, mas os
cristãos ocidentais ignoravam esses trabalhos e a possibilidade de
conciliá-los com sua religião. As obras desses autores gregos, assim
como de árabes, começaram a chegar na Europa Ocidental cristã no
século XIII, principalmente pela Espanha. Logo o teólogo e filósofo
francês São Tomás fez com a Suma Teologica a mesma análise
detalhada dessas obras, mostrando que não eram incompatíveis com
o cristianismo ocidental (católico). Ele seguiu em especial ao filósofo
espanhol muçulmano do século XII, ibn Rushd, cujo nome foi
latinizado para Averrois.
O modelo de Ptolomeu
(o modelo era complicado mesmo!)
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“Ptolomeu explicou o movimento dos planetas através de uma combinação
de círculos: o planeta se move ao longo de um pequeno círculo chamado
epiciclo, cujo centro se move em um círculo maior chamado deferente. A
Terra ficaria numa posição um pouco afastada do centro do deferente
(portanto, o deferente é um círculo excêntrico em relação à Terra). Até aqui, o
modelo de Ptolomeu não diferia do modelo usado por Hiparco
aproximadamente 250 anos antes. A novidade introduzida por Ptolomeu foi o
equante, que é um ponto ao lado do centro do deferente oposto em relação à
Terra, em relação ao qual o centro do epiciclo se move a uma taxa uniforme,
e que tinha o objetivo de dar conta do movimento não uniforme dos planetas.
O objetivo de Ptolomeu era o de produzir um modelo que permitisse prever a
posição dos planetas de forma correta e, nesse ponto, ele foi razoavelmente
bem sucedido. Por essa razão, esse modelo continuou sendo usado sem
mudança substancial por cerca de 1300 anos. No sistema ptolomaico,
centrado na Terra, a pequena esfera chamada epiciclo que contem o planeta
vai girando associada a uma esfera rotativa maior, produzindo um movimento
retrógrado aparente sobre o plano de fundo das estrelas longínquas.”
http://pt.wikipedia.org/wiki/Ptolemeu
O modelo de Ptolomeu
(modificando o de Hiparco)
A hipótese: Copernico
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O astrônomo e padre polonês Nicolau Copérnico propôs em 1543, no
último ano de sua vida, que a Terra poderia não ser o centro do Universo, mas que o Sol seria esse centro. Essa posição conflitava não
apenas com Aristóteles, que se tornara parte das ortodoxias científica e
religiosa, como conflitava com a Bíblia que numa passagem dizia que
o Sol parara o seu giro ao redor da Terra.
Conflitar com a Bíblia era um absurdo e isso foi dito pelo frei alemão
Lutero, que acabara de começar o movimento que veio a ser chamado
de Reforma Protestante. Aos pouco a Igreja Católica passou a concordar com Lutero e discordar de Copernico e dos defensores seguintes
do “heliocentrismo”.
Nessa época começou cerca de um século de guerras entre protestantes e católicos em grande parte da Europa, ou seja, os ânimos estavam
muito acirrados.
Os dados: Tycho Brahe
O modelo para os dados: Kepler
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As medidas mais precisas:
Construindo um grande observatório o astrônomo dinamarquês Tycho
Brahe durante 3 décadas fez medidas muito precisas (a olho nú!) dos
movimentos dos planetas. Mais uma vez ficava evidente que o modelo
de Ptolomeu funcionava bem em geral, mas que não funcionava
direito em detalhes, em especial para Marte.
Um modelo para interpretar os resultados das medidas:
Tycho contratou o físico alemão Johannes Kepler para fazer essa
análise. Após anos de desespero, em que chegou a estar perto da
loucura, Kepler abandonou o modelo dos círculos ptolomaicos pelo
das elipses, com o Sol num dos focos.
O que é uma elipse?
As 3 leis de Kepler:
-os planetas descrevem órbitas elípticas, com o Sol num dos
focos;
-o raio que liga cada planeta ao Sol varre áreas iguais em
tempos iguais;
-o tempo que o planeta demora para dar uma volta completa
(T) está ligado ao comprimento do eixo maior da elipse (2a)
pela relação: T elevado ao quadrado dividido por a elevado
ao cubo é uma constante.
Giordano Bruno/Galileu Galilei
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Brahe morreu no início do século XVII (1601) e Kepler em 1630.
Nessa época telescópios já tinham sido aperfeiçoa-dos e Galileu
Galilei, um físico italiano, pode comprovar que os planetas pareciam a
Terra, e tinham até satélites, e que a via Láctea era formada por
estrelas.
Outros filósofos iam além. Giordano Bruno propôs que o Universo era
povoado por uma infinidade de estrelas, como o Sol, e por outros
planetas, nos quais, assim como na Terra, existiria vida inteligente.
A existência de várias Terras ou de uma infinidade delas contrariava a
Bíblia. Giordano foi queimado pela Inquisição em 1600 e Galileu foi
forçado a se desmentir em 1633.
Alguns dados do Sistema Solar
Planeta
Distância média ao
Sol R (106 km)
Período
T (ano)
R3/T2
(1024 km3/ano2)
Mercúrio
Vênus
Terra
Marte
Júpiter
Saturno
Urano
Netuno
57,9
108,2
149,6
227,9
778,3
1427
2870
4497
0,241
0,615
1,00
1,88
11,86
29, 5
84,0
165
3,34
3,35
3,35
3,35
3,35
3,34
3,35
3,34
À esquerda as estações no hemisfério norte, mostrando a
importância da inclinação do eixo da Terra.
À direita o mesmo desenho, mas mostrando as linhas dos
Trópicos e do Equador.
(A órbita está em perspectiva, ela é quase circular.)
Mito grego explicando o ciclo anual das colheitas e das
quatro estações.
Na mitologia grega, Perséfone era uma linda filha de Zeus e de
Deméter, deusa da agricultura, tendo nascido antes de seu pai
se casar com a deusa Hera. O deus Hades, do mundo subterrâneo dos mortos, a queria em casamento e, sem querer consultar Persefone ou seus pais, emergiu de dentro da terra e raptoua levando-a para seus domínios (o mundo subterrâneo), fazendo dela sua rainha. Sua mãe, ficando inconsolável, acabou por
se descuidar de suas tarefas: as terras tornaram-se estéreis e
houve escassez de alimentos. Perséfone recusou-se a ingerir
qualquer alimento e começou a definhar.
Deméter e Hermes foram buscá-la ao mundo dos mortos, a
pedido de Zeus. Entretanto, a única maneira para que ela
pudesse sair do mundo dos mortos era se ela não estivesse
ingerido nada, mas ela havia comido uma semente de romã.
Diante desta situação, fez-se um acordo: ela passaria metade
do ano junto a seus pais, na superfície da terra, e outra metade
com Hades, abaixo da superfície.
Newton
Em 1687 um físico inglês, Isaac Newton, propôs as leis gerais
da Mecânica e a lei para a força gravitacional. Juntando as duas
leis é fácil obter as leis de Kepler.
Durante mais de dois séculos a Mecânica de Newton e a
Gravitação de Newton reinaram incontestadas.
Enquanto isto inúmeros aperfeiçoamentos experimentais
permitiram que as 6 mil estrelas visíveis a olho nu fossem
substituídas por milhões e depois bilhões de estrelas. Além
disso foi possível avaliar, cada vez com maior precisão, a
distância entre as estrelas e a Terra.
Distância da Terra a estrelas muito
próximas (alguns anos-luz)
A Relatividade Geral
Refletindo sobre o fato da massa aparecer nas
leis da mecânica de Newton e na lei da
gravitação de Newton, Einstein viu que era
necessária uma nova mecânica. Nela nada
pode viajar a velocidades superiores à da luz.
Uma das consequências disto é que a gravitação passa a ser associada a distorções do espaço causadas pela presença de objetos com
massa.
Essa teoria, proposta cerca de um século atrás,
foi extremamente bem sucedida.
Alguns tópicos relativísticos
Precessão da órbita de Mercúrio
Lentes Gravitacionais
Lei de Hubble
Big Bang
Expansão acelerada do universo
Matéria escura e energia escura (96% do
universo?)
As velhas leis de Kepler e a
Mecânica de Newton...
Hoje, com dados muito precisos do observatório
orbital Hubble, já se identificaram dezenas de
planetas orbitando ao redor de estrelas.
Além disso, com sondas espaciais, começamos
a saber algo sobre os satélites dos planetas do
nosso Sistema Solar.
Finalmente, usando as leis de Newton,
começamos a modelar como uma bola de gás
se condensa formando uma estrela e um
conjunto de planetas e seus satélites.