O sistema Solar introduçÃo a história do Sistema Solar



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O Sistema Solar

1. INTRODUÇÃO


    1. A História do Sistema Solar

É marcante o fascínio que as pessoas sentem pelo céu. Quem nunca admirou um pôr do Sol ou ficou impressionado com uma tempestade? Todavia, ainda hoje, os fenômenos celestes e atmosféricos que fazem parte de nosso cotidiano não são compreendidos por grande parte da humanidade. E, infelizmente, ainda hoje ocorre a mitificação desses fenômenos naturais.

Imagine-se em um passado muito remoto, mais precisamente na pré-história (de 100 mil anos atrás até cerca de 8 mil a.C.), quando o ser humano ainda vivia em pequenos grupos nômades. A preocupação com a sobrevivência num ambiente natural e hostil era crucial. Caçar, pescar, procurar frutas e raízes comestíveis, fugir de animais perigosos e abrigar-se das variações climáticas faziam parte do cotidiano do homem pré-histórico. O homem dessa época tinha que se adaptar à alternância do claro-escuro e à mudança das estações. Certamente, o Sol foi o primeiro astro a ser notado. As razões são óbvias: é o sol que proporciona a mais evidente alternância de claro-escuro da natureza (o dia e a noite) e que atua como a principal fonte de calor para nós. A Lua foi o segundo astro a ser percebido, visto que ilumina a escuridão da noite, especialmente em sua fase cheia. As estrelas devem ter sido notadas em seguida, como pontos brilhantes em contraste a um céu bastante escuro.

Ainda na pré-história, uma observação mais detalhada e atenciosa do céu noturno mostrou ao homem que certos pontos luminosos no céu se movimentavam contra um fundo de estrelas aparentemente fixas. Esses objetos celestes foram chamados de Planetas pelos gregos, que significa astro errante, astro que se move. Para os gregos os planetas eram sete:


Sol

Lua

Mercúrio

Vênus

Marte

Júpiter

Saturno

pois apresentam um movimento diferente daquele das estrelas. Hoje o significado da palavra planeta é diferente. Já faz alguns séculos que não mais chamamos a lua de planeta. Plutão, por outro lado, deixou de ser classificado como planeta recentemente (em 2006).




    1. Modelo Geocêntrico

Muito se pensou sobre como os astros estão distribuídos no espaço e se, de algum modo, eles se relacionam com o restante do Universo. Qual ponto luminoso está mais próximo de nós? O modelo que respondia essa pergunta e que dominou o pensamento filosófico europeu até o século XVI é o chamado modelo Geocêntrico (“geo”, em grego, significa “Terra” – “cêntrico” significa “centrado”). Proposto pelo filósofo grego Aristóteles (384 a.C - 322 a.C.), tal modelo é aquele que coloca a Terra no centro do Universo. E nele, todos os demais astros visíveis no céu orbitariam (girariam ao redor) a Terra, o centro do Universo! É importante lembrar que o Universo dessa época era formado pelo Sol, Terra, planetas e estrelas fixas. Assim, o nosso conceito de sistema solar, como parte de um Universo muito maior, não existia.



Esse modelo foi sistematizado por Ptolomeu (astrônomo, matemático e geógrafo) no século II, a partir das idéias preexistentes dos gregos. A distância de um planeta à Terra, por exemplo, era considerada proporcional ao tempo gasto por ele para completar uma volta ao redor da Terra, isto é, retornar ao mesmo ponto do céu em relação às estrelas fixas. As estrelas fixas ficavam todas a uma mesma distância, muito maior do que a do planeta considerado o mais distante na época, Saturno. Hoje sabemos que a distância entre uma estrela e a Terra pode ser muitíssimo diferente daquela de outra estrela aparentemente vizinha da primeira. O modelo geocêntrico não era apenas um modelo filosófico do Universo, se tornara também um modelo matemática que reproduzia com suficiente precisão as observações dos planetas. Não obstante, para explicar corretamente os movimentos e brilhos observados dos planetas, o modelo ptolomaico necessitava de uma série de complicações geométricas, como os equantes e deferentes, que são representados na Figura 1.


Figura 1: Esquema do modelo Geocêntrico formulado por Ptolomeu (120 d.C.) a partir das idéias de Aristóteles (350 a.C);

1.3 Modelo Heliocêntrico
Com o objetivo de explicar com mais simplicidade o movimento dos planetas, o astrônomo polonês Nicolau Copérnico (1473 - 1543) propôs, em 1543, o Modelo Heliocêntrico (“Hélio”, em grego, significa Sol). Nesse modelo o Sol encontrava-se no centro do Universo e os planetas orbitavam ao seu redor, inclusive a Terra. A única exceção era a Lua, que continuava orbitando em torno da Terra (Figura 2). Outros já haviam proposto um Universo com o Sol na posição central, Aristarco de Samos (281 a.C.) e Nicolas de Cusa (1401 - 1464), porém, sem maiores repercussões. Essas propostas não incluíam um tratamento matemático, o que só foi feito por Copérnico. Seu modelo heliocêntrico era mais simples e, tal como o modelo de Ptolomeu, explicava e previa os movimentos planetários. Além disso, Copérnico determinou os raios e períodos das órbitas dos planetas com uma precisão muito boa, apesar de considerá-las circunferências, o que, como veremos adiante, não é correto.


Figura 2: Esquema do modelo Heliocêntrico proposto por Copérnico em 1543, onde colocava o Sol como próximo ao centro do universo, e todos os demais astros girando ao seu redor, com exceção da Lua, que continuava orbitando a Terra;
Hoje essa configuração do Sol e planetas nos parece bastante natural, mas esse modelo não foi muito bem aceito na época de Copérnico. Esse modelo tirava a Terra e, portanto o Homem, do centro do Universo. Ele era contrário a um paradigma de muitos séculos, baseado na tradição clássica, e seriam necessários argumentos fortes para modificar a visão do Universo ortodoxa.
1.4 O Telescópio
O astrônomo e físico italiano Galileu Galilei (1564 - 1642), no início do século XVII, foi o primeiro a observar o céu com o auxílio de um telescópio. Deve ser notado que naquela época não se esperava que a observação do céu com um instrumento pudesse revelar algo de novo. Mas, Galileu mostrou que isso não era verdade: o céu se modifica ao ser observado com um telescópio. Os objetos celestes, que na visão clássica deveriam ser perfeitos, começaram a se mostrar mais complexos com o telescópio de Galileu: Vênus possui fases, Júpiter tem satélites, Saturno tem disco, a Lua possui buracos e montanhas, a Via Láctea é uma grande concentração de estrelas, que se multiplicam com o poder de aumento do telescópio. Essas observações corroboravam o modelo heliocêntrico. Tanto por mostrar que a concepção anterior do Universo não era correta, mas também com argumentos geométricos. As fases de Vênus como observadas por Galileu somente seriam explicadas se o modelo heliocêntrico fosse o correto.

A partir de então, o telescópio vem sendo aprimorado e otimizado para uma melhor obtenção de imagens. Podemos citar alguns notáveis avanços na tecnologia de construção de telescópios: o maior telescópio refrator do mundo (lente objetiva de mais de 1 metro de diâmetro) no Observatório Yerkes – Chicago, USA; Observatório Parques - Austrália (radiotelescópio com antena de 64 metros de diâmetro); Observatório Arecibo – Porto Rico (maior radiotelescópio do mundo, 305 metros de antena); Telescópio Espacial Hubble (lançado em 1990);



1.5 Leis de Kepler e A Lei da Gravitação Universal
O modelo de Copérnico, porém, ainda possuía problemas. Ele considerava as órbitas dos planetas circunferências perfeitas e para explicar corretamente os movimentos observados eram necessários artifícios geométricos, exatamente como acontecia com o modelo geocêntrico de Ptolomeu. Foi o astrônomo alemão Johannes Kepler (1571 - 1630), no início do século XVII, quem mostrou que as órbitas planetárias eram elipses. Para isso, ele contou com as observações do astrônomo dinamarquês Tycho Brahe (1546 - 1601), do qual foi assistente durante o último ano de vida de Tycho e sucessor como responsável pelo observatório de Uraniborg (na época pertencente à Dinamarca, agora dentro dos limites da Suécia). Os dados obtidos por Tycho Brahe eram os mais precisos da época e no limite do que o olho humano, sem auxílio de instrumentos de aumento como o telescópio, pode conseguir. E foi tentando explicar esses dados, principalmente os da órbita de Marte – que não eram compatíveis com o modelo de Copérnico com órbitas circulares – que ele propôs três leis que descrevem corretamente os movimentos dos planetas: as Leis de Kepler. As duas primeiras foram apresentadas simultaneamente (1609) e são o resultado de sua tentativa de descrever corretamente os movimentos planetários. A terceira lei, determinada dez anos mais tarde (1619), relaciona os períodos (ano do planeta) e tamanhos das órbitas, e de certa forma, traduz certa harmonia entre os movimentos dos corpos, o que talvez fosse o principal objetivo de Kepler.


  • Primeira Lei – Lei das órbitas elípticas: A órbita de um planeta é uma elipse (veja figura 3 abaixo) com o Sol em um dos focos. Assim, as distâncias entre um planeta e o Sol são variáveis ao longo da revolução do planeta;




  • Segunda Lei – Lei das áreas: Ao longo de sua órbita, um planeta possui uma velocidade variável, de modo que a área coberta pela linha que liga o Sol ao planeta é sempre a mesma em intervalos de tempo iguais (figura 3);




  • Terceira Lei - Lei Harmônica : A razão entre o quadrado do período de translação, P (ano do planeta) e o cubo do semi eixo maior de sua órbita, a, é a mesma para todos os planetas:






Figura 3: A figura mostra um planeta executando um órbita elíptica com o Sol em um dos focos da elipse. Perceba que agora existirão momentos em que o planeta se encontrará a uma mínima aproximação do Sol (periélio) e a um máximo afastamento (afélio);
Com o trabalho de Kepler passou-se a saber como os planetas se movimentavam ao redor do Sol. Mas ainda restava uma pergunta básica: por quê?

Foi só com a Teoria da Gravitação Universal do físico e matemático inglês Isaac Newton (1643 - 1727), publicada em 1687, que isso foi respondido. A teoria da gravitação mostra que os corpos se atraem uns aos outros. Massa atrai massa! (existe o que chamamos de campo gravitacional) Esse campo gravitacional é tanto mais intenso quanto maior a massa do corpo e decresce proporcionalmente ao quadrado da distância. Toda massa que se encontra na região de atuação desse campo, será atraída na direção da massa que está gerando o campo. Em termos matemáticos, essa lei é expressa pela equação:



onde é a força gravitacional, é a constante gravitacional, e são as massas dos corpos que estão se atraindo e é a distância entre os corpos.

No livro “Os Princípios Matemáticos da Filosofia Natural”, o “Principia”, Newton não só demonstra as leis de Kepler e calcula fenômenos conhecidos como as marés e a precessão dos equinócios, mas também prevê e determina a forma achatada da Terra. A partir daí, estava aberto o caminho para o desenvolvimento da astronomia (e da física) moderna.


2. DESCRIÇÃO DO SISTEMA SOLAR
2.1 Formação e exploração do Sistema Solar
Tendo em mãos a Lei da Gravitação Universal, no final do século XVIII, os movimentos dos maiores corpos do sistema solar eram explicados tanto do ponto de vista de sua descrição, como de sua causa. Porém, como o sistema solar surgiu? O filósofo alemão Immanuel Kant (1724 - 1804) foi o primeiro a propor a hipótese nebular em 1755, que foi posteriormente desenvolvida pelo matemático francês Pierre Simon de Laplace (1749 - 1827).

Ela considera que o sistema solar formou-se a partir de uma nuvem de gás e poeira em rotação.





Figura 4: esquema representando a formação do Sistema Solar;
Na figura 4 acima, (a) uma grande nuvem de Hidrogênio (o elemento mais simples e abundante no Universo), a cerca de 4,5 bilhões de anos, pairava tranqüila onde hoje se situa o Sistema Solar. A violenta morte de uma estrela nas proximidades cria uma onda de choque capaz de perturbar certas regiões da nuvem. A partir de então, partículas do gás hidrogênio se acumulam e ganham rotação, passando a atrair gravitacionalmente cada vez mais partículas. (b) Quanto mais gás se acumula, mais depressa a aglomeração gasosa gira ao redor dela mesma, o que causa um achatamento da nuvem, distribuindo o gás num formato de disco, ou “pizza”. Num certo momento, a pressão e temperatura no centro do disco são tão intensos que são capazes de fundir esse hidrogênio em elementos mais pesados e liberando uma gigantesca quantidade de energia (que é o brilho das estrelas), formando assim o elemento químico Hélio. A Partir daí, temos a formação de uma estrela. (c, d) A fusão no núcleo da estrela gera energia varrendo o pouco que sobrou da matéria ao seu redor; (e, f) e o que ficar ali, cerca de 0,01% da nuvem original, formará os planetas, planetas anões, cometas, asteróides e demais corpos menores do sistema solar.

Apesar de outras teorias terem surgido, esta é ainda a teoria mais aceita sobre a formação do Sol e de todo o sistema solar, e é corroborada por observações de outras estrelas em formação. Uma grande parte do nosso conhecimento do sistema solar, em particular referente aos planetas e seus satélites, é proveniente da exploração espacial iniciada por volta de 1960. Uma grande quantidade de sondas passaram muito próximas a (em alguns casos pousaram em) planetas, satélites e mesmo cometas do sistema solar, o que contribuiu e contribui de modo inigualável para nossa compreensão dessa pequena parte do Universo que nos rodeia. No momento, estamos passando por uma nova fase de conhecimento sobre sistemas planetários: estamos descobrindo planetas em torno de outras estrelas! Essas novas descobertas ampliarão o nosso horizonte sobre as nossas origens.


2.2 Planetas e Planetas anões
O Sistema Solar é composto por uma estrela principal (o Sol), oito planetas (Mercúrio, Vênus, Terra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano e Netuno – esta é a ordem em distância do Sol), planetas anões e uma infinidade de outros corpos menores como asteróides, cometas, pedras e poeira. Todos eles estão sobre a influência do campo gravitacional gerado pelo Sol!

A descoberta recente de corpos maiores que Plutão no Sistema Solar gerou discussão no sentido de obter uma nova definição para Planeta. Portanto, a União Astronômica Internacional em sua Assembléia Geral de 24 de agosto de 2006 aprovou resolução segundo a qual um planeta é um corpo celeste que:




  • Orbite o Sol e nenhum outro corpo do Sistema Solar;




  • Possui forma aproximadamente esférica;




  • Domine gravitacionalmente sua órbita;

Se o corpo celeste não satisfizer essas três características, ele não é chamado de planeta. Plutão não domina gravitacionalmente sua órbita. Ele se encontra em uma região conhecida como Cinturão de Kuiper, uma região repleta de asteróides. Sua órbita é constantemente atravessada por outros objetos; e quem comanda a gravidade da região é o gigantesco planeta Netuno. Logo, Plutão deixou de ser chamado planeta e hoje é conhecido como Planeta Anão. Portanto, Planeta Anão é um astro que satisfaz as duas características de Planetas, mas falha na terceira.

Sendo assim, cinco corpos encontrados no Sistema Solar são considerados Planetas Anões:

Ceres

Plutão

Haumea

Makemake

Éris
Para medirmos a distância a que os astros se encontram do Sol devemos definir uma nova unidade de medida, a Unidade Astronômica (UA). É definido que uma UA é igual à distância média entre a Terra e o Sol.

A Tabela abaixo mostra a distância dos principais corpos do Sistema Solar medidos em Unidades Astronômicas e em quilômetros (km):


Tabela 1: Distância dos astros em relação ao Sol medidos em UA e em km;

Podemos ainda utilizar outras duas unidades de medida de distância: o ano luz (AL) e o parsec (pc). Mas, para as dimensões do Sistema Solar elas não são necessárias. Elas são usadas para medir distâncias entre estrelas e galáxias! Veja abaixo:





3. PRINCIPAIS CORPOS DO SISTEMA SOLAR
3.1 O Sol
Como o Sol será tema de uma palestra em específico, não entrarei em detalhes sobre Ele neste capítulo. Vamos apenas discutir aspectos mais gerais.

O Sol é a estrela mais próxima de nós. E como estrela, o Sol é um corpo que produz e emite luz. Os planetas não são astros luminosos, eles apenas refletem a luz do Sol que chega até eles. Todos os planetas do sistema solar giram ao redor do Sol, cada um com um período diferente. Ele é o responsável pelo suprimento de energia da maioria dos planetas. Quando as pessoas visitam observatórios as perguntas mais comuns que surgem a respeito do Sol são: o que é o Sol e como ele funciona? Do que ele é feito? Mas, antes de responder a essas perguntas veremos alguns dados curiosos a respeito do Sol.




Figura 6: O Sol visto através de um filtro neutro. O filtro elimina bastante a intensidade luminosa do Sol quando o observamos, caso contrário, ficaríamos cegos instantaneamente;
O Sol só é uma estrela por causa da grande quantidade de massa que ele tem, 332.959 vezes a massa da Terra. Ele é constituído, principalmente dos gases hidrogênio (92%) e hélio (7%), os dois gases mais leves do universo. Os restantes 1% dos gases são alguns outros elementos químicos da tabela periódica anteriores ao Ferro. Como dito anteriormente, a alta pressão no interior do Sol e a elevada temperatura (cerca de 4 bilhões de graus Celsius) são o suficiente para iniciarem a Fusão Nuclear, reação que une núcleos de átomos mais simples formando elementos mais pesados e liberando quantidades absurdas de energia. Essa é a energia que nos aquece e mantém a vida no planeta Terra. Caso o Sol não existisse, certamente não haveria vida no planeta Terra, muito menos existiria o sistema solar.

Na figura 6 podemos observar manchas escuras na região do disco solar. Tais manchas encontram-se na superfície do sol, e são regiões mais frias. Nelas, o campo magnético não uniforme do sol espalha o hidrogênio aquecido da superfície criando a aparência de manchas escuras.

A idade do Sol é estimada em 4,5 bilhões de anos, e para uma estrela de massa igual a sua, estima-se que viverá cerca de mais 4,5 bilhões. Ele está na metade de sua vida.

O Sol lança a todo instante nuvens de partículas carregadas (íons, núcleos atômicos, elétrons) para todo o Sistema Solar e além. Essas partículas são chamadas de vento solar e bombardeiam a Terra constantemente.




Figura 7: Ilustração que mostra o vento solar, partículas carregadas, bombardeando o campo magnético terrestre;
A Terra possui um campo magnético bastante intenso (o campo magnético é o responsável por alinhar o ponteiro da bússola na direção próxima ao pólo norte terrestre), que deflete quase que totalmente o vento solar para longe da superfície do planeta. Quando a atividade solar é bastante intensa, as partículas atingem a atmosfera terrestre na região dos pólos e ocasionam o que chamamos de Aurora. A Aurora é o nome dado ao fenômeno atmosférico de luzes ocorrido nos pólos. Durante esse fenômeno, o nitrogênio do ar é excitado eletronicamente pelo vento solar e emite luz em tons que variam do vermelho ao verde. O espetáculo é imperdível!


Figura 8: Fotografia mostra o fenômeno da Aurora Boreal no pólo norte terrestre. Aurora Austral é a que ocorre no pólo sul terrestre;
3.2 Mercúrio
O Planeta Mercúrio é o planeta mais próximo do Sol. Sua distância média é de aproximadamente 57.910.000 km (por terem órbitas elípticas os planetas se encontrarão horas em regiões mais próximo do Sol e outras em mais distantes). E por ser relativamente próximo ao Sol sua revolução é bastante rápida: 87 dias. Caso morássemos em Mercúrio faríamos aniversário a cada 87 dias. Porém, para dar uma volta completa em torno de seu eixo (rotação) ele leva 58 dias.


Figura 9: Mercúrio fotografado pela nave Messenger (2008);
É um planeta menor que o planeta Terra. Seu diâmetro é de aproximadamente 5.000 km, enquanto que o diâmetro da Terra é de aproximadamente 13.000 km. Cabem dentro da Terra mais de 30 planetas Mercúrio!

Quando o Sol ilumina sua superfície a temperatura máxima registrada é de 450 °C. A essa temperatura a água evapora e se perde no espaço. Quando a face não é iluminada a temperatura cai absurdamente, registrando mínima de -170 °C. Essa variação enorme de temperatura é devida a falta de atmosfera no planeta. Uma atmosfera retém a energia solar, confinado-a no planeta, o que evita variações muito bruscas de temperatura. Veja a Terra, por exemplo! O clima aqui é agradável para vivermos. Sobre a superfície de Mercúrio nós não podemos respirar, iríamos congelar durante a noite e evaporar durante o dia!

Sua superfície é desértica e repleta de crateras. Um meteoróide (qualquer rocha que esteja em rota de colisão com um planeta) que vaga na direção do planeta, definitivamente atingirá a superfície, pois não encontrará moléculas de ar que impedirão sua passagem e o desintegrará. Por isso observamos muitas crateras (vale a pena frisar também que sua superfície não se modifica por erosão de chuvas ou colisão de placas tectônicas, como é o caso da Terra. As crateras sempre ficarão por lá!).

Mercúrio é considerado um Planeta Rochoso (assim como Vênus, Terra e Marte), pois é constituído de rochas (você poderia pousar sobre sua superfície com uma nave espacial – isso não pode ser feito em planetas gasosos, como é o caso de Júpiter, Saturno, Urano e Netuno, como será visto mais adiante), e seu tamanho reduzido não possibilitou o aprisionamento gravitacional de nenhum outro corpo ao seu redor. Ele não possui luas!

Seu nome advém da mitologia greco-romana; Mercúrio é o deus mensageiro, protetor dos comerciantes e viajantes. Quando observado aqui da Terra ele é um ponto luminoso no céu bastante veloz. A cada noite ele está numa posição diferente da noite anterior (lembre-se que ele gira bastante rápido ao redor do Sol). Portanto recebeu o nome do deus Mercúrio, ou Hermes para os Gregos.

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