Aula 01 de Astronomia: O Sol - Parte Dois

O Vale da Morte

O vale da morte é uma árida depressão localizada ao norte do Deserto de Mojave nos EUA, na califórnia, ao longo de 225 km e fronteira com o estado de Nevada, a 160 km de Las Vegas. Ele é famoso por ser, provavelmente, o lugar mais quente do planeta. A temperatura gira em torno de 45º Celsius.

Ao longo dos séculos, as melhores mentes da ciência se esforçaram para entender a origem do calor e energia do Sol, aparentemente infinitos. Qual a fonte de seu fenomenal poder? Quanta energia o Sol envia à superfície da Terra?

Através de uma experiência simples, usando um termômetro, uma lata cheia de água e um guarda-chuva, podemos responder a esta pergunta. Basicamente, você deixa a água na lata atingir a temperatura ambiente. Então você coloca o termômetro na água, retire o guarda-chuva e deixe o Sol atingir a água. Sob a luz solar direta, a temperatura da água começa a subir. Ao cronometrar quanto tempo leva para o Sol elevar a temperatura da água de um (1º C) grau celsius, você pode descobrir exatamente o quanto de energia o Sol transferiu para a água, e quanta energia é repassada por metro quadrado de superfície. em um dia claro, quando o Sol está a pino, esse número é de cerca de um quilowatt de energia. Isso é o mesmo que dez lâmpadas de 100 watts alimentadas por energia solar para cada metro quadrado de superfície da Terra.

O físico britânico John Herschel, em 1838, utilizou esse artifício para calcular a energia toda emitida pelo Sol. Ele calculou quanta energia seria necessária para cobrir toda a superfície da Terra e toda a energia gasta nos 150 milhões de km que separam a Terra do Sol. Fazendo diversos cálculos, ele chegou à conclusão que a energia produzida no Sol, por segundo, é cerca de 400 milhões de watts. Para se ter uma noção do que é essa energia, isso é um milhão de vezes o consumo de energia dos Estados Unidos a cada ano, irradiada em um segundo. Para conseguirmos produzir essa energia, precisaríamos de 10 bilhões de usinas como Itaipu.

Usina de Itaipu

É incrível que nossa estrela tenha conseguido manter essa taxa fenomenal de produção de energia durante sua existência. Estrelas como o sol são incrivelmente duradouras e estáveis. Nossa melhor estimativa para a idade do Universo é 13,8 bilhões de anos e o Sol tem cerca de 5 bilhões de anos. Isso é mais do que um terço da idade do próprio Universo. então, que possível fonte de energia poderia permitir ao sol brilhar, com tamanha intensidade, dia pós dia, por cinco bilhões de anos? Para responder a esta pergunta, temos de voltar ao início, quando o Sol ainda não existia.

A Via Láctea observada a partir da Terra

A história de como nossa estrela nasceu pode ser lida em um céu noturno. Se você tirar uma foto da Via Láctea, uma das primeiras coisas que você observa são nuvens escuras que a atravessam, chamadas de nuvens moleculares, porque são formadas basicamente de hidrogênio molecular e poeira, que se encontram entre nós e as estrelas da Via Láctea. Estas nuvens escuras contêm as matérias primas usadas na criação de estrelas. São grandes berçários estelares, que estão entre os mais frios e isolados lugares da galáxia. No centro de algumas dessas nuvens, a temperatura é tão baixa quanto dez graus acima do zero absoluto.

Nuvens moleculares - Berçários de milhares de estrelas

Famosa nebulosa conhecida como "Os Pilares da Criação"

O que importa no momento é que a temperatura é uma medida de quão rápido as coisas estão se movendo. Assim, nestas nuvens, os grupos de hidrogênio e poeira estão se movendo muito lentamente. Aqui, no frio extremo, somente a força de gravidade atua, capturando as partículas que constituem as nuvens.

Ao longo dos milênios, estas partículas começam a se condensar. Isso significa que a fraca força de gravidade pode assumir o controle e começam a aglutinar estas partículas. Então, temos um nome para grupos de hidrogênio entrando em colapso devido à ação da força de gravidade: ESTRELAS.

Assim, como as nuvens de hidrogênio entram em colapso cada vez mais sob a força da gravidade, elas começam a se aquecer e eventualmente, seus núcleos, tornam-se suficientemente quentes para o hidrogênio começar a se fundir com o hélio. As estrelas acendem, as nuvens já não mais escuras e o ciclo de vida de uma nova estrela começa. Essa história se passou há cinco bilhões de anos quando nasceu uma estrela que veio a ser conhecida como o Sol.

Quando a gravidade se torna forte o suficiente, e o núcleo se torna quente o suficiente para fundir o hidrogênio em hélio, a estrela "nasce".

O nascimento de uma estrela revela a questão levantada sobre a fonte de energia do Sol. O segredo dos recursos extraordinários de energia de nossa estrela, porque o Sol, como qualquer outra estrela, foi "aceso" pelas mais poderosas forças conhecidas do Universo. A fusão do Hidrogênio em Hélio é a origem de todo o poder do Sol. Energia ilimitada que se estende e conecta esta maravilha a todos os mundos de seu reino.

Um resumo da formação do Sistema Solar

Rio Iguaçu

O Rio Iguaçu é um rio afluente do rio Paraná, no Brasil. Ele tem aproximadamente 910 km de extensão e deságua no Paraná em uma cidade chamada Foz do Iguaçu. Ali, ocorrem as famosas "Cataratas do Iguaçu", que são as maiores quedas, em volume de água, do planeta.

O Rio Iguaçu deságua no rio Paraná

As "Cataratas do Iguaçu": Um quarto de milhão de galões de água por segundo

Este rio, apesar de estar no Sul do Brasil, drena a água da chuva da bacia sul da Amazônia, no extremo norte do país, levando todo este volume de água para o Oceano Atlântico. Cada molécula de água neste rio de cada pingo de chuva em todas as nuvens, foi transportado do Oceano Pacífico, através dos Andes para o interior deste continente. Imagine a quantidade de energia necessária para realizar este trabalho. E toda essa energia vem do Sol. É dele o poder que levanta toda a água no planeta. E em alguns lugares, a água desce novamente para criar algumas das mais deslumbrantes paisagens da Terra, que são as Cataratas do Iguaçu. Um quarto de milhão de galões de água por segundo. A energia daqui é um exemplo de como este planeta depende da energia constante e inesgotável do Sol.

Manchas Solares

Apesar da distância enorme de aproximadamente 150 milhões de quilômetros do Sol, é impossível observarmos sua superfície a olho nu ou mesmo através de uma câmera fotográfica comum. No entanto, utilizando-se de aparelhos especiais que filtram um pouco de sua luminosidade, é possível ver que, eventualmente, manchas negras cobrem a superfície do Sol, Estas manchas são chamadas de "Manchas Solares" e algumas são grandes o suficiente para engolir a Terra. Quanto maior o número de manchas, mais poderosa se torna nossa estrela, ameaçando, desde a vida dos astronautas a redes de eletricidade na Terra. Descobrimos que o Sol possui estações e os cientistas vem tentando entender como essas mudanças sutis na potência do Sol pode estar afetando a Terra.

Para entender o que acontece, um cientista local, o astrofísico argentino, Pablo Mauas, desviou os olhos do Sol para os rios próximos às Cataratas do Iguaçu. O Rio Paraná é o quarto maior rio do mundo, mas ao contrário dos outros três, existem registros colhidos deste rio desde 1900. Analisando estes registros, descobrimos que a vazão do rio aumentou e diminuiu três vezes durante o século XX. fazendo a comparação com a atividade solar, verificamos que o período em que a atividade solar é mais intensa, a vazão do rio sobe. Em outros lugares, como na Índia, as monções parecem seguir um padrão semelhante ao rio Paraná, enquanto que no Saara, ocorre o oposto: Mais atividade solar, menos chuva.

A estação das Monções: Chuvas intermináveis na Índia

Os mecanismos exatos pelos quais nossa estrela pode afetar o clima da Terra permanecem, por enquanto, um mistério. sabemos que a taxa de produção de energia do Sol, a energia liberada nas reações de fusão no núcleo, é, de fato, constante. Não muda, pelo menos até onde vai nosso conhecimento, e assim as mudanças que vemos devem ter a ver com a forma com que a energia sai do sol. E, embora sejam apenas décimos de um nível percentual da quantidade de radiação que cai na superfície da terra, ele realmente revela a intimidade e a delicadeza da conexão entre o Sol e a Terra. E esta conexão é o segredo para putra das maravilhas do Sol. De todas as estrelas do Universo, sabemos de apenas uma onde surgiu um fenômeno que se alimenta da luz das estrelas.

A Fusão de átomos de Hidrogênio (H₂) gerando um átomo de Hélio (He) resulta na liberação de energia que sai do Sol para o espaço em forma de radiação solar. Esta fusão só ocorre devido à pressão e a temperatura elevada no núcleo das estrelas.

As folhas das plantas são máquinas maravilhosas. A maneira pela qual a natureza se aproveita da energia do Sol. Elas evoluíram para usar apenas uma fração da luz solar que atravessa a atmosfera da Terra.

As folhas absorvem apenas uma quantidade mínima da radiação solar, mas nelas, a energia do Sol se transforma em alimento que é a base de quase todas as cadeias alimentares.

A luz do Sol pode parecer branca, mas quando a passamos por um prisma, observamos que é composta por todas as cores do arco-íris, revelando os fótons vermelho, verde e azul. Os fótons vermelhos não possuem muita energia. Já os azuis, em menor quantidade, transportam grandes quantidades de energia. As plantas usam pouca luz vermelha do espectro, usam um pouco de azul do espectro, mas não usam muito do verde, que se reflete. Por esse motivo, quando você olha em torno, em uma floresta, num dia ensolarado, você só vê um mar de verde.
Assim, a maravilhosa cor da floresta se deve à maneira pela qual as plantas se adaptaram à qualidade da luz de nossa estrela. E é essa capacidade de armazenar a luz solar que é a base dessa cadeia alimentar complexa que alimenta, assim, praticamente toda a vida na Terra. Cada um de nós é sustentado pela luz do Sol, que se estende através de 150 milhões de quilômetros no espaço.
Em nossa primeira aula de astronomia sobre o Sol, falamos do eclipse total do Sol. Quando ele acontece podemos ver a Coroa Solar. Também chamada de coroa branca, coroa de Fraunhoffer ou corona, é o envoltório luminoso do Sol que costumamos ver durante os esclipses solares. É a atmosfera do Sol.

Eclipse total do Sol exibindo a Coroa Solar

A atmosfera do Sol é composta por uma coleção de partículas carregadas, chamadas de prótons e elétrons. Por causa de mecanismos que ainda não conhecemos, a coroa solar é mais quente que a própria superfície do Sol, podendo chegar a mais de 1 milhão de graus Celsius, umas 200 vezes mais quente que a superfície visível. A todo momento, muitas dessas partículas mais energéticas da coroa escapam. O Sol lança bilhões de toneladas de Coroa no espaço, por hora, uma grande, superaquecida e supersônica coleção de átomos esmagados que, em grandes quantidades, são conhecidas como Vento Solar, chegando às mais distantes partes do Sistema Solar.
O vento solar pode ser invisível para nós, mas a cada dia, pequenas partes de nossa estrela sopram seguidamente nossa órbita. Quando o vento solar atinge a Terra, está bastante diluído. Você sabe que, se você for sair para o espaço, nas proximidades da Terra e segurar a sua mão lá em cima, você não sentirá nada. Há cerca de 5 prótons e 5 elétrons numa área do tamanho de um cubo de açúcar. Porém viajam muito rápido e carregam muita energia, energia suficiente para varrer a atmosfera da Terra para o espaço. Então, como a vida em nosso planeta sobrevive a essa tempestade letal?

Acima de nós, partículas solares mortais estão cortando nosso caminho a velocidades de  quase um milhão de quilômetros por hora. Aqui na Terra, estamos protegidos contra esse vento solar intenso porque temos um escudo natural que desvia a maior parte do vento solar.

O Vento Solar e nosso escudo: o campo magnético da Terra

O campo de força da Terra é magnético, um escudo invisível que envolve o planeta em um casulo protetor. O campo magnético emana do núcleo giratório rico em ferro da Terra. E é este campo de força gigantesca, conhecido como magnetosfera, que desvia a maior parte do vento solar letal para as profundezas do espaço. 

As linhas em azul da figura acima indicam o fluxo de partículas (prótons e elétrons) que emana do Sol e atingem o campo magnético da Terra, que desvia a maior parte dessas partículas para o espaço.

Mas o planeta não escapa totalmente. Quando o vento solar atinge o campo magnético da Terra, sofre uma distorção. Ele estende o campo em direção ao lado escuro do planeta. De certa forma, é como esticar um elástico. Mais e mais energia vai para o campo. Ao longo do tempo, essa energia se acumula alongando a cauda, até ficar impossível segurá-la. Eventualmente, a energia é liberada, acelerando um fluxo de partículas eletricamente carregadas em direção aos pólos. E quando estas partículas que foram energizadas pelo vento solar atingem a atmosfera da Terra, criam uma das visões mais bonitas da natureza - a Aurora Boreal, ou luzes do norte. 

Aurora Boreal vista de um local próximo ao Polo Norte Magnético da Terra

A Aurora Boreal vista do espaço: Choque das partículas existentes no Vento Solar com a atmosfera superior da Terra

Além da Terra, o vento solar continua a corrida para fora do sistema solar e onde se deparar com  um planeta com magnetosfera, a aurora se manifestará. O campo magnético de Júpiter é o maior e mais poderoso do sistema solar. Visto do telescópio espacial Hubble, a aurora é um elemento permanente nos pólos de Júpiter. 

Aurora em Júpiter

Saturno, também, tem sua aurora.

No entanto, muito além dos planetas, o vento solar começa a perder força. Ele viajou sem parar por 16 bilhões de quilômetros, mais de 100 vezes a distância da Terra ao sol. E incrivelmente, temos uma sonda lá fora que está prestes a descobrir exatamente onde o vento solar termina sua jornada. Um par de sondas foi enviado para uma grande jornada, as Voyagers um e dois. Ambas estão ativas e bem, e a Voyager 1 envia relatórios para a Terra, que é recebida na estação Goldstone, no deserto de Mojave. É um dos poucos telescópios no mundo que é capaz de se comunicar com a Voyager que está a dez bilhões de quilômetros da Terra. Hoje, a estação de Goldstone está atenta para o menor sussurro de uma Voyager. A Voyager está tão longe que o sinal leva cerca de 15 horas para chegar, viajando à velocidade da luz. Ela não é maior do que um ônibus de dois andares, projetado no final dos anos 60, lançado em meados dos anos 70 e ainda em funcionamento 32 anos depois, e bons dados científicos ainda estão saindo daquela pequena nave espacial. Acho que é absolutamente maravilhoso. As naves espaciais Voyager continuam medindo o vento solar até hoje. Logo encontrarão o lugar onde o último traço físico do Sol finalmente some. Deixarão a estrela que lhes deu energia e entrarão no espaço interestelar. Mesmo a 10 bilhões de milhas da Terra, onde o vento solar atinge o interestelar não é o final da história. Não é a fronteira da influência do sol. O Sol tem uma força final invisível que se propaga para muito mais longe.

A Voyager 2 foi lançada 12 dias antes da Voyager 1 e ambas continuam a enviar sinais que são captados por radiotelescópios na Terra.

Estação Goldstone, responsável por captar as mensagens enviadas pelas sondas Voyager, lançadas na década de 70 no século XX.

A força gravitacional que o Sol exerce sobre todos os corpos do Sistema Solar está relacionada à sua enorme massa, que corresponde a 99% da massa de todo o Sistema. Seu campo gravitacional domina todos os planetas ligados gravitacionalmente. A Terra, por exemplo, está a uma distância média de 150 milhões de quilômetros, também conhecida como Unidade Astronômica (U.A. = 149.597.871 km). Se em uma escala, representarmos esta distância como 1(um) centímetro, o planeta mais distante, Netuno, será representado por 30 cm, ou seja, Netuno está a 30 UA's do Sol. A seguir, objetos do Cinturão de Kuiper,  onde Plutão (ex-planeta) se localiza, estão a cerca de 50 UA's. Não é o fim! Pedaços de gelo, que levam milhares de anos para dar uma volta em torno do Sol, fazem parte da chamada Nuvem de Oort e estão ligados gravitacionalmente ao Sol. Esta nuvem se localiza a 50 mil UA's de distância, o que, em nossa escala, onde a Terra está a um centímetro do Sol, corresponde a meio quilômetro e envolve todo o Sistema Solar como uma gigantesca esfera. Alem disso, não há nada, apenas a luz do Sol escapa, e irá durar quatro anos até que esta luz possa atingir nosso vizinho mais próximo:Próxima Centauri, uma estrela anã vermelha, entre as 200 bilhões que compõem a Via Láctea.

Visões artísticas do Cinturão de Kuiper a cerca de 50 UA's de distância do Sol

A Nuvem de Oort envolve todo o sistema Solar em uma esfera Colossal. Dali vêm os cometas que eventualmente penetram no interior do Sistema Solar 

Mas, apesar de todo seu poder e glória, o Sol um dia chegará ao fim de sua existência. Astrônomos no mundo inteiro tentam visualizar como este fim irá chegar para o Sol. Muitos destes astrônomos trabalham no deserto mais estéril da Terra: o Atacama, no Chile. Aqui foram construídos quatro instrumentos enormes que compõem o Observatório do Very Large Telescope (VLT), localizados no alto de um vulcão chamado Paranal, a 2,5 km de altura, onde aproveita-se de um dos céus mais claros da Terra, facilitando a observação das estrelas.

Três vistas do Very Large Telescope, conjunto de telescópios localizados no alto do vulcão Paranal no deserto do Atacama, no Chile

Mesmo a olho nu, a visão dali é espetacular! A primeira coisa que você nota cruzando o céu é a Via-Láctea, a galáxia em que vivemos e que é formada por quase 200 bilhões de estrelas. 

Nosso Lar - A Via Láctea

Notamos também, que as estrelas não são da mesma cor. Existem estrelas vermelhas, vermelho-alaranjadas, amarelas e branco-azuladas. Estudando as estrelas, os astrônomos mapearam cerca de 10.000 estrelas mais próximas e as dispuseram cada uma de acordo com sua cor e brilho. Daí, surgiu uma das ferramentas mais poderosas e elegantes da astronomia: o diagrama de Hertzprung-Russell.
Através deste diagrama, os astrônomos conseguiram prever a história e a evolução das estrelas, inclusive o nosso Sol.

Diagrama de Hertzprung-Russell

No diagrama, percebe-se uma linha que sobe de estrelas vermelhas através de estrelas amarelas para estrelas brancas. Esta sequência é conhecida por sequência principal. O Sol vai passar grande parte de sua vida na sequência principal, queimando suas vastas reservas de hidrogênio por mais5 bilhões de anos. Quando este combustível acabar, seu núcleo vai entrar em colapso, fazendo com que as camadas externas do Sol se expandam e sua cor mude para um vermelho intenso. Mercúrio será inteiramente destruído no processo, pois nessa fase de expansão vermelha, o Sol irá crescer até 200 vezes seu tamanho atual, se expandindo até a órbita da Terra, destruindo toda a vida do planeta. Por instantes, o Sol terá 2.000 vezes mais brilho do que agora, mas não por muito tempo. As camadas superiores serão despejadas e tudo que restará é o seu núcleo frio e cinzento. O gás e a poeira do Sol morto irão vagar pelo espaço, onde formará uma nuvem escura de ferro, cheia de novas possibilidades, até que um dia, outra estrela nascerá.

A morte do Sol também será a morte da Terra. Os oceanos evaporarão e não mais haverá vida no planeta, que pode ou não ser totalmente engolido pelo Sol, que então, será uma gigante vermelha 200 vezes maior do que hoje.

No fim, só restará seu núcleo acinzentado

É isso pessoal! Espero que tenham gostado desta aula sobre o Sol. Tive de dividir em duas partes porque as informações eram muitas, para que o artigo ficasse bem completo. Não deixem de ver a primeira parte e, qualquer, dúvida, deixe seu recado que eu respondo assim que puder. Abraços!

PS. Se conseguirem abrir, o vídeo abaixo mostra como será o fim do nosso Sistema Solar.