As Dimensões do Universo
Autor: Alexandre Medeiros | Publicado: 2012-03-16T01:24:00-07:00

Universidade Federal Rural de Pernambuco
Fundamentos de Astronomia – 2012
Prof. Alexandre Medeiros, PhD

 

As Dimensões do Universo  

1. As Dimensões da Terra  A Terra tem o formato aproximado de uma esfera com um diâmetro DT » 13.000 km. Deste modo, o comprimento de sua circunferência equatorial CT = 40.833,84 km.
  Figura 1: Planeta Terra
  
Sendo a Velocidade da luz, c = 300.000 km/s, temos que a relação entre o diâmetro da Terra (DT » 13.000  km) e o&nbsp;comprimento de sua circunferência equatorial (CT = 40.833,84 km) é igual a: 7,34.
Vemos assim, que a luz percorre em apenas 1 segundo uma distância mais de sete vezes maior do que a circunferência equatorial da Terra. Um      avião a jato comercial leva aproximadamente dois dias para dar uma volta      equatorial completa em torno da Terra. Um astronauta em órbita dá esta mesma volta em apenas 100 minutos.

2. As Dimensões do Sistema Terra – Lua  Nosso vizinho astronômico mais próximo é a Lua.&nbsp;A      distância Terra–Lua é de 384.000 km, ou seja      aproximadamente 30 vezes maior que o diâmetro da Terra (que é de 13.000 km). A     luz percorre esta distância Terra-Lua em aproximadamente 1,3 segundos.   Figura 2: Diagrama em escala da distância Terra-Lua
Os intervalos de tempo nas conversações entre os astronautas na Lua e o comando espacial na Terra (perguntas e respostas) duravam aproximadamente 3 segundos.
  Começamos a perceber as dimensões colossais do Universo e do seu enorme vazio.

 
3. As Dimensões do Sistema Solar 
Enquanto a Lua gira em torno da Terra em aproximadamente um mês (pouco mais de 27 dias), a Terra gira em torno do Sol em um ano.&nbsp; 
3.1 O Sol&nbsp;  A      distância da Terra ao Sol é de      aproximadamente 150.000.000       km.
Deste      modo, o Sol está aproximadamente 400 vezes mais distante da Terra do que a      Lua (que, como visto acima, está a 384.000 km da      Terra). A      luz leva aproximadamente oito minutos para vir do Sol à Terra. Desde      que o diâmetro do Sol é de      aproximadamente 1,5 milhões de      quilômetros, a distância da Terra ao Sol (150.000.000 km)      equivale a aproximadamente 100 diâmetros solares.  &nbsp; 
3.2 Planetas Inferiores: Mercúrio e Vênus&nbsp; Os      planetas Mercúrio e Vênus giram em torno do Sol em órbitas      internas à órbita da Terra. Por      isso Mercúrio e Vênus são denominados de planetas inferiores. Deste modo, em certas ocasiões, estes dois      planetas podem estar mais próximos da Terra do que o Sol.Vênus (o planeta que chega      mais próximo da Terra) quando de sua aproximação máxima da Terra      encontra-se a uma distância da mesma que é aproximadamente 100 vezes maior      que a distância entre a Terra e a Lua.  3.3 Planetas Superiores: Marte, Júpiter, Saturno, Urano, Netuno Os      cinco outros planetas (Marte, Júpiter, Saturno, Urano e Netuno) giram em      torno do Sol em órbitas exteriores à órbita da Terra. Por isso, eles são      todos denominados de planetas      superiores.Até      2006, Plutão era também      considerado um planeta (o mais afastado do Sol), Desde então, ele passou a      ser enquadrado em uma nova categoria de “planeta anão”, o que discutiremos oportunamente no decorrer      deste curso. Júpiter, o maior dos planetas      do sistema solar, gira em torno do Sol a uma distância média 5 vezes maior      do que a distância média entre a Terra e o Sol.Esta      distância média entre a Terra e      o Sol é frequentemente usada como um parâmetro de referência na      Astronomia e por isso é tomada como uma conveniente unidade de distância      astronômica. Ela recebe, assim, o nome de unidade astronômica ou UA. 1 UA = 150.000.000 km, ou mais precisamente 1,496      x 108 km. Deste      modo, o raio da órbita de Júpiter      em torno do Sol é de 5 AU. Júpiter tem um diâmetro 10      vezes maior que o diâmetro da Terra. Isso implica que o volume de Júpiter é 1000 vezes maior que o volume da Terra. Mesmo      sendo um planeta gigantesco, Júpiter      tem um diâmetro aproximadamente 10 vezes menor do que o diâmetro do Sol.      Assim, a volume de Júpiter é      aproximadamente 1000 vezes menor do que o volume do Sol. Deste      modo, pode-se perceber que o volume      do Sol é aproximadamente 1.000.000 vezes maior que o volume da Terra. Plutão (tido até 2006 como      o nono e mais externo planeta do sistema solar) está a uma distância do      Sol de aproximadamente 40 AU.A      luz viaja do Sol até os planetas em intervalos de tempo que variam de      alguns poucos minutos até algumas horas.

  Figura 3: comparação das distâncias dos diversos planetas ao Sol.

A parte (a), à esquerda, mostra as órbitas dos planetas internos (Mercúrio, Vênus, Terra e Marte). O tamanho do Sol é mostrado na mesma escala das órbitas planetárias, mas os planetas, em si mesmos, não podem ser vistos nesta mesma escala.
&nbsp;  A parte (b), à direita, mostra os planetas externos (Júpiter, Saturno, Urano e Netuno) e mais o planeta-anão Plutão para comparação.Mesmo que houvéssemos representado a órbita da Terra em torno do Sol por um minúsculo segmento de apenas 2 milímetros (o que impediria de representarmos convenientemente as órbitas de Mercúrio e de Vênus), ainda assim o raio da órbita de Plutão teria de ser representada por um segmento de oito centímetros.
Continuamos, portanto, a perceber as dimensões colossais do Universo e do seu gigantesco espaço vazio.  
&nbsp;4. As Dimensões das Distâncias do Sol às Estrelas mais Próximas
O Sol é uma estrela de tamanho médio, cujas características específicas serão estudadas no decorrer deste curso.A      estrela mais próxima do Sol (Alfa      do Centauro) está situada a uma distância de 300.000 AU. Isso      equivale a dizer que esta estrela      mais próxima do Sol, está a uma distância do mesmo 7.000 vezes maior do      que o raio da órbita de Plutão.Isto equivale também a dizer que se representássemos em um diagrama em escala a órbita da Terra em torno do Sol (que é igual a uma unidade astronômica, 1 UA) por um pequeno traço de      apenas 2       milímetros, a distância      do Sol à estrela mais próxima teria de ser representada, nesta mesma      escala, por um enorme segmento de 600 metros. Nesta      mesma escala (distância Terra-Sol = 2 mm), a maior parte das centenas de      estrelas mais próximas do nosso Sol deveriam ser representadas por      segmentos que variariam de um a dois quilômetros de extensão.Enquanto      a luz leva aproximadamente oito      minutos para vir do Sol à Terra, ela leva quatro anos para vir      desde Alfa do Centauro, a estrela mais próxima, até a Terra. Por isso,      dada às dimensões colossais de tais distâncias das estrelas, nós costumamos      expressá-las utilizando uma unidade de distância bem maior e, portanto mais      conveniente: o ano-luz.Um      ano-luz é a distância que a luz      percorre em um ano, ou seja:.&nbsp;percebemos, assim, cada vez com mais clareza, as dimensões colossais do Universo e do seu gigantesco espaço vazio.

5. As Dimensões da Via Láctea
O      nosso Sol, que nos parece tão grande da nossa humilde perspectiva      terrestre, é apenas uma estrela de tamanho intermediário, dentre bilhões      de outras estrelas (muitas delas bem maiores que ele) e que compõem a      nossa galáxia, a Via Láctea. 
A      Via Láctea é um enorme conjunto      de estrelas (entre 200 e 400 bilhões      de estrelas). Ela tem a forma de um disco espiralado com      aproximadamente 100.000 anos-luz de      diâmetro e 2.000 anos-luz de      espessura em seu bojo central.
A      Via Láctea tem muitos braços      que se enrolam em direção ao centro da galáxia. Eles vão desde o braço      mais interno, o braço Norma, até o mais externo, o braço Cygnus. O Sol      está localizado em um braço intermediário, o braço Orion, também conhecido como braço Local e fica a mais ou menos 30.000 anos-luz do centro da Via      Láctea. Por suas modestas dimensões e pela sua localização periférica, o      Sol não ocupa nenhuma posição de destaque na nossa Galáxia. 

Figura 4: Diagrama da Via Láctea mostrando os seus braços em espiral e a localização do Sol

As enormes dimensões da gigantesca vastidão da Via Láctea podem ser mais bem compreendidas se as representarmos em um diagrama como o que se segue e que é composto de quatro partes.  
Figura 5: Diagrama comparativo das dimensões da Via Láctea

  Na      figura (a) representamos todas as estrelas contidas em uma esfera      imaginária (com um raio de 10 anos-luz) centrada no nosso Sol. Ela contém      apenas 10 estrelas.
Na      figura (b) representamos as estrelas contidas em uma outra esfera maior      (com um raio de 100 anos-luz) centrada no Sol. Ela já contém 10.000      estrelas.Na      figura (c) representamos as estrelas contidas em uma esfera imaginária      ainda maior que a anterior (com um raio de 1.000 anos-luz) e ainda      centrada no Sol. Esta nova esfera já contém agora a enorme soma de      10.000.000 (dez milhões) de estrelas.  Note-se      que este é já um número enorme de estrelas e elas estão contidas em uma      colossal esfera com nada menos do que mil anos-luz de raio. A mesma luz      que enquanto pronunciamos uma única letra (em mais ou menos 1 segundo) é      capaz de percorrer uma distância maior do que sete vezes o círculo      equatorial da Terra, gasta mil anos apenas para atravessar a metade da      largura desta esfera.Dito      de outro modo, esta terceira esfera imaginária é tão grande que a luz que houvesse      saído de uma estrela situada em um de seus lados há 500 anos atrás (na      época do descobrimento do Brasil) ainda demoraria mais outros 500 anos      para chegar até a Terra, colocada bem perto do centro da referida esfera.  Pois      bem, observando a figura (d) podemos agora notar que mesmo esta gigantesca      terceira esfera da figura (c) parece minúscula quando comparada às      dimensões colossais da Via Láctea como um todo.&nbsp; 1.000 anos-luz é apenas a espessura da      Via Láctea em um trecho já afastado de seu bojo central mais espesso, E      como já enfatizamos anteriormente, o nosso Sol ocupa apenas uma simples      posição periférica na Via Láctea.
Considerando      agora a Via Láctea como um todo, a ordem de grandeza do número de estrelas      é de 107, ou seja, da ordem de centenas de bilhões de estrelas.  Note-se      que as estrelas observadas a partir da Terra rareiam em certas direções      mais do que em       outras. Isso se deve à posição do nosso sistema solar na      Via Láctea e ao formato em disco achatado da mesma.   Quando      olhamos através do plano da nossa Galáxia encontramos tantas estrelas que      em nossa linha de visada que as mais remotas apresentam apenas um tênue      brilho de luz em uma faixa circular em torno do Céu. Essa faixa de luz      esbranquiçada, de aparência leitosa, é a origem do nome Via Láctea. 
Figura 6: Foto da Via Láctea na região da Constelação de Sagitário
Figura 7: Composição em mosaico de várias fotos da Via Láctea em uma extensão angular de 360o
Nós      não conseguimos ver diretamente através de toda a extensão da Via Láctea      até as suas extremidades (passando pelo núcleo galáctico) porque o espaço interestelar não está      completamente vazio. Ele contém uma distribuição esparsa de gás      (principalmente hidrogênio) misturado com partículas microscópicas à qual      denominamos de poeira interestelar.Este      material (a poeira interestelar) é tão rarefeita que o espaço interestelar      constitui um vácuo muito melhor do que qualquer vácuo que se possa      produzir nos laboratórios terrestres.  Entretanto,      essa poeira interestelar, apesar de extremamente rarefeita, se estende por      extensões tão vastas (milhares de anos-luz) que esmaece a luz proveniente      das estrelas mais longínquas da nossa Galáxia.
Para termos uma idéia melhor das colossais dimensões da Via Láctea, consideremos a própria história da civilização humana. O que significa comparativamente esses 100.000 anos, tempo que a luz leva para atravessar a Via Láctea de lado a lado?

O      nosso calendário oficial tem      seu início há apenas 2010 anos      atrás, isso é muito pouco, quase um nada em termos astronômicos. Recuando      um pouco mais, as civilizações mais      antigas (os primeiros hieróglifos egípcios) datam de 5200 anos atrás. Recuando ainda      mais no tempo, 12.000 anos atrás, temos a invenção da agricultura. Ainda é muito pouco em termos      astronômicos. Recuemos ainda mais no tempo entrando na Pré-história. Há 15.000 anos atrás, os primeiros homens migraram para as      Américas. Há 30.000 anos      atrás, os primeiros seres humanos      chegaram à Europa. Há 50.000      anos atrás, os primeiros homens      haviam chegado à Ásia e ao Oriente médio. Há 70.000 anos atrás, começaram as primeiras migrações humanas vindas da África. Há 250.000 anos atrás, o Homo Sapiens aparece na África.
Portanto,      o tempo que a luz leva para atravessar a vastidão da Via Láctea é da mesma      ordem de grandeza (107 anos) da própria existência do Homo      Sapiens na face da Terra. Vale salientar ainda que o ser humano surgiu na      Terra há aproximadamente 2.000.000 de anos atrás, bem depois da extinção      dos dinossauros que se deu há 65.000.000 de anos atrás. E isso (como      veremos na seqüência do nosso texto), ainda é quase nada em relação ao      calendário astronômico do Universo. Só o nosso planeta tem 4,5 bilhões de      anos de existência.
Percebemos, cada vez com mais admiração, as fantásticas dimensões do Universo e do seu gigantesco espaço vazio.

6. A Existência de Outros Sistemas PlanetáriosVários outros sistemas planetários, além do nosso sistema solar, já foram detectados neste novo milênio. Isso será assunto de discussão futura. Na verdade, é muito provável que a maioria das estrelas tenha sistemas planetários. A quantidade, portanto, de possíveis planetas existentes na nossa Galáxia é simplesmente fantástica, devendo superar em muito o próprio numero de estrelas da mesma.&nbsp;&nbsp;7. Aglomerados de EstrelasExistem muitas estrelas duplas (pares de estrelas que giram em torno de um centro de massa comum), estrelas triplas e até mesmo sistemas de múltiplas estrelas que formam aglomerados de estrelas. Na verdade, estrelas solitárias não são uma regra, mas sim uma exceção em nossa Galáxia.  Milhares desses aglomerados já foram devidamente catalogados.Esses aglomerados de estrelas têm comumente desde apenas algumas dúzias de estrelas até centenas de milhares de estrelas cada um. Os diâmetros desses aglomerados estelares variam desde alguns poucos anos-luz até várias centenas de anos-luz.  
8. As Dimensões das Galáxias e dos Aglomerados de Galáxias
&nbsp;&nbsp; 
   Breve História do Estudo   da Via Láctea e do Universo
Foi Demócrito   (450 aC-370 aC.),   ainda na Grécia Antiga, quem primeiro propôs a idéia de que aquela faixa   leitosa vista no Céu noturno, a Via   Láctea,&nbsp; era na verdade composta   por diversas estrelas distantes.Foi apenas em 1610 que se conseguiu demonstrar a veracidade desta idéia.   Naquele ano, Galileu Galilei   utilizando o recentemente inventado telescópio, descobriu que a Via Láctea   era de fato composta por uma enorme quantidade de estrelas.Em 1755,   Immanuel Kant sugeriu corretamente   que a Via Láctea era, na verdade, um aglomerado de numerosas estrelas em   rotação, mantidas unidas entre si pela força da gravidade, do mesmo modo que   o sistema solar, mas em uma escala muitíssimo maior. Kant sugeriu também que   algumas das manchas em formatos de pequenas nuvens (as nebulosas) observadas   em um céu bastante escuro, deveriam ser galáxias como a nossa.A primeira tentativa de descrever a forma da Via   Láctea e a posição do Sol foi feita por William   Herschel em 1785 através da   meticulosa contagem do número de estrelas nas diferentes regiões do céu.   Baseado nesta contagem, Herschel construiu um diagrama com a forma da galáxia   com o sistema solar próximo do centro.Em 1845,   Lord Rosse construiu um enorme   telescópio, para a época, e com ele conseguiu distinguir as diferenças entre   uma nebulosa elíptica e uma em forma de espiral.Entretanto, até o início do século XX,   acreditava-se ainda que a Via Láctea fosse um sistema relativamente pequeno,   com o Sol próximo de seu centro. Foi apenas em 1917, que Harlow Shapley   realizou o primeiro cálculo rigoroso das dimensões da Via Láctea. Analisando   a distribuição espacial dos aglomerados globulares (esféricos ou elipsóides)   na Galáxia, Shapley descobriu que o Sol estava localizado a trinta mil   anos-luz do centro galáctico e que estava mais próximo das bordas da Galáxia.   Ele calculou que a Via Láctea deveria ter um diâmetro aproximado de cem mil   anos-luz, e que havia outros corpos celestes aparentemente em órbita da   mesma, que logo Edwin Hubble viria a demonstrar serem também outras galáxias.Foi apenas em 1924, que o astrônomo Edwin   Hubble conseguiu determinar aproximadamente a extensão do Universo.   Hubble mostrou que, de fato, existem muitas outras galáxias e que estas se   afastam de nós. Ao medir a velocidade com a qual as galáxias se afastavam   (mostrando assim que se encontravam a uma grande distância), mostrou também que   elas, estavam realmente fora da Via Láctea e eram assim como outras “ilhas”   constituídas de estrelas.  

Se      até a década dos anos 1920,       a Via Láctea      era tida como sendo o próprio Universo como um todo, sabemos hoje que ela      representa apenas uma parte quase insignificante do mesmo. Outras galáxias      se estendem pela vastidão do Universo. Bilhões delas já foram detectadas      com os nossos atuais telescópios.

Com      o auxílio dos modernos telescópios terrestres e principalmente com o telescópio espacial Hubble, foi      possível detectar recentemente a existência de inúmeras galáxias distantes      em regiões do céu que até então nos pareciam completamente escuras.  
Estas      galáxias podem ser melhor estudadas de acordo com as suas distâncias da      nossa Via Láctea.Iniciando      a nossa jornada de estudo nas proximidades da nossa Via Láctea, podemos      perceber que as galáxias estão agrupadas em diversos aglomerados de galáxias. A própria Via Láctea faz parte de um pequeno aglomerado, o Aglomerado Local. Este pequeno      aglomerado reúne apenas umas vinte pequenas galáxias, dentre as quais as      maiores dentre elas são apenas a própria Via Láctea e a sua irmã gêmea em      espiral, a galáxia de Andrômeda.  
O      Aglomerado Local (que contém a      Via Láctea) se estende por vastos 3.000.000      anos-luz. Lembremos que a Via      Láctea tem uma extensão aproximada de 100.000 anos-luz. Isso equivale a dizer, como mostra a figura      seguinte, que ele ocupa uma região do espaço 900 vezes maior que a própria Via Láctea.
Figura 8: Comparação das Dimensões da Via Láctea e do Grupo Local de galáxias

Figura 9: Diagrama em Escala do Aglomerado Local de Galáxias – Diâmetro = 30.000.000 anos-luz

Afastando-se      ainda mais da Via Láctea, em torno de uns 10 a 15 milhões de anos-luz do Grupo      Local, encontramos outros pequenos      aglomerados de galáxias.


&nbsp;Figura 10: Aglomerado de Galáxias na região da Constelação de Hércules

  Afastando-se      uns 50 milhões de anos-luz, ou      mais, encontramos o mais próximo      aglomerado de galáxias razoavelmente importante pelas suas dimensões.      Ele contém pelo menos 1.000      galáxias (lembremos que o nosso Aglomerado Local contém em torno de      apenas vinte galáxias). Mas, mesmo este gigantesco aglomerado (quando      comparado ao nosso Grupo Local) ainda está longe de ser um dos “pesos      pesados” do Universo.  
Afastando-se      ainda mais, a uns 400 a 500 milhões de anos-luz,      encontramos o primeiro aglomerado      de galáxias realmente grande. Ele reúne algo em torno de 10.000 galáxias.
Àquela      distância, o volume espacial abarcado em nosso afastamento já é tão      colossal que podemos encontrar nele centenas      de milhares de outros      aglomerados de galáxias espalhados pela imensa vastidão do Cosmos.      Muitos deles são tão pequenos quanto o nosso Grupo Local.
Entretanto,      a distâncias já da ordem de alguns bilhões      de anos-luz, nós podemos encontrar outros gigantescos aglomerados de galáxias. Mais de 3.000      desses gigantescos e longínquos aglomerados de galáxias já foram      catalogados.Além      disso, nesta escala monumental de distância já podemos perceber que os      próprios aglomerados de galáxias se agrupam em super-aglomerados de galáxias. São aglomerados de aglomerados de galáxias; algo que só pode ser      percebido devido ao efeito da enorme distância que os torna aparentemente      diminutos.
Esses      super-aglomerados de galáxias      formam uma espécie de teia ou      de rede espacial que ocupa      organizadamente todo o Universo visível e que está separada por enormes bolsões de espaço vazio.   &nbsp;Figura 11: Quasar

Há distâncias da ordem de 10 bilhões de anos-luz, encontramos objetos estranhos, que parecem estrelas, mas que são muito mais brilhantes do que galáxias encontradas àquela distância São os misteriosos Quasars, as coisas mais brilhantes do Universo.&nbsp; Nós não sabemos ao certo o que são os quasars, mas temos boas razões para suspeitar que eles estão localizados no centro de galáxias gigantescas e que sua colossal energia está associada à presença de monstruosos buracos negros.
Se      tentássemos mostrar a localização      dos quasars no Universo em um diagrama na mesma escala da Figura 9 (no      qual representamos em aproximadamente doze      centímetros a extensão do Aglomerado      Local); neste novo diagrama os quasars estariam representados a uma      distância de um quilômetro.      Nesta mesma escala, a nossa Via      Láctea teria menos de 1/2 centímetro. 

Podemos avaliar, agora, como as fantásticas dimensões do Universo e do seu colossal espaço vazio superam em muito as nossas mais ousadas expectativas iniciais. Mas, ainda não terminamos a nossa jornada em direção aos limites do Universo.


9. As Dimensões do Universo Visível
Os Quasars são as coisas mais longínquas que podemos realmente ver. Eles marcam os limites do Universo visível alcançável com nossos telescópios óticos. Nenhuma luz visível provém de regiões mais afastadas do que aquela onde se encontram os quasars.

10. Para Além do Universo Visível: O Big Bang

Para além dos quasars jaz, portanto, uma região escura do Universo, da qual nós só temos conhecimento através da tênue radiação eletromagnética que provém da mesma. Esta radiação de fundo tem um comprimento de onda bem maior que o da luz visível (a maior parte dela nos chega na faixa das ondas de rádio) e provém de todas as direções.

Tendo      em mente que (segundo a Teoria da       Relatividade) a luz tem uma      velocidade finita, podemos perceber que as imagens que nos chegam      destas regiões longínquas do espaço são também imagens de um passado longínquo. Nós vemos os distantes quasars      como eles eram em um passado remoto. As imagens que nos chegam dos confins      do Universo são assim também as imagens de sua própria origem.  
Ao      penetrarmos na região escura do espaço (para além dos quasars), guiados apenas pela tênue radiação de fundo que da mesma      provém, nós obtemos informações do que devem ter sido os instantes      seguintes ao próprio momento da criação      do Universo; os instantes que se seguiram ao gigantesco Big Bang.

  

PARA CITAR ESTA FONTE: Medeiros, Alexandre. As Dimensões do Universo. Física e Astronomia_Alexandre Medeiros, BLOG.http://alexandremedeirosfisicaastronomia.blogspot.com/2012/03/as-dimensoes-do-universo.html. Acessado em 16 de Março de 2012. (atualizar a data).