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O que é astrofísica?

Se você quer entender o que é o Universo, como ele começou, evoluiu e eventualmente terminará, a astrofísica é o único caminho a seguir.

Acima da matriz central do Atacama Large Millimeter/Submillimetre Array (ALMA), o pólo celeste sul pode ser identificado como o ponto em torno do qual todas as outras estrelas parecem girar. O comprimento das listras no céu pode ser usado para inferir a duração desta fotografia de longa exposição, pois um arco de 360 ​​graus corresponderia a 24 horas completas de rotação. Isso poderia, em princípio, ser devido à rotação dos céus ou à rotação da Terra; apenas uma observação independente poderia discernir entre as duas explicações. (Crédito: ESO/B. Tafreshi (twanight.org))

Principais conclusões

• De muitas maneiras, a astronomia e a física são duas das ciências mais antigas que existem, com histórias registradas que remontam a milhares de anos.
• No entanto, a astrofísica, que aplica as leis físicas que governam a realidade a tudo o que vemos além da Terra, só se tornou uma ciência madura no século 20.
• Quase tudo o que entendemos sobre o Universo vem da astrofísica, que agora é um campo mais amplo e abrangente do que quase todo mundo imagina: até mesmo astrofísicos profissionais.

Sempre que você olha para o Universo e registra o que vê, está se engajando em uma das ciências mais antigas que existe: a astronomia. Da mesma forma, sempre que você investiga como um fenômeno físico no Universo funciona – em escalas quântica, clássica ou cósmica – inclusive decifrando ou aplicando as leis que o governam, você está se envolvendo na ciência da física. Cada um desses campos, com milhares de anos por direito próprio, foi considerado por muito tempo independente um do outro. Enquanto a física se aplicava apenas às observações e experimentos mundanos que podemos realizar na Terra, a astronomia explorou o reino do celestial.

Hoje, no entanto, geralmente reconhecemos que as regras que governam o Universo não mudam de um local para outro; eles são os mesmos na Terra como eles são em todos os lugares, assim como todos os quando , no universo. De todas as maneiras que as medimos, as leis da natureza parecem ser idênticas em todos os pontos no tempo e no espaço, e não parecem mudar.

A astrofísica, então, é a sobreposição da astronomia com a física: onde estudamos todo o Universo, e tudo dentro dele, com todo o poder das leis da física aplicadas a eles. De certa forma, é a principal maneira pela qual nós – criaturas que ganharam vida neste Universo – somos capazes de estudar e saber de onde todos viemos. Aqui está a história do que é a astrofísica.

Um dos grandes quebra-cabeças dos anos 1500 era como os planetas se moviam de maneira aparentemente retrógrada. Isso pode ser explicado através do modelo geocêntrico de Ptolomeu (L), ou heliocêntrico de Copérnico (R). No entanto, obter os detalhes com precisão arbitrária era algo que nenhum dos dois podia fazer. ( Crédito : E. Siegel/Além da Galáxia)

Por milênios, os humanos observaram os céus, tentando rastrear os vários objetos, seus movimentos diários e anuais (e além), enquanto procuravam padrões nos quais pudessem se encaixar. No entanto, não havia conexão com as leis físicas que estávamos descobrindo aqui na Terra, dos babilônios aos gregos antigos, aos persas, romanos, otomanos e além. Mesmo Galileu, famoso por seus experimentos físicos e suas observações astronômicas, nunca conseguiu ligar os dois. Quando se tratava dos movimentos de objetos celestes, era amplamente considerado uma preocupação filosófica, teológica ou ideológica, e não científica.

Johannes Kepler chegou perto, ao chegar à descrição mais precisa e exata do movimento dos corpos dentro do nosso Sistema Solar. As três leis de Kepler, que:

1. planetas orbitavam o Sol em elipses, com o Sol em um foco,
2. se você sombreasse a área traçada por um planeta em órbita ao redor do Sol, sempre traçava áreas iguais em tempos iguais,
3. e que o período da órbita de um planeta, ao quadrado, era proporcional ao seu semi-eixo maior, ao cubo,

foram derivadas empiricamente, o que significa que foram obtidas com base apenas em observações, em vez de ter um significado mais profundo por trás delas. Apesar de seu sucesso em descrever o movimento planetário, os avanços de Kepler não estavam enraizados nas leis físicas que governam o Universo.

Tycho Brahe conduziu algumas das melhores observações de Marte antes da invenção do telescópio, e o trabalho de Kepler alavancou amplamente esses dados. Aqui, as observações de Brahe da órbita de Marte, particularmente durante episódios retrógrados, forneceram uma excelente confirmação da teoria da órbita elíptica de Kepler. ( Crédito : Wayne Pafko)

Não foi até Isaac Newton aparecer que a astrofísica, como ciência, nasceu. O movimento dos objetos na Terra, sob a influência da gravidade que causa a aceleração do nosso planeta, foi estudado por cerca de um século quando Newton ganhou destaque. O tremendo avanço que Newton fez, no entanto, distinguiu-o notavelmente de todos os seus contemporâneos e antecessores: a regra que ele formulou sobre como os objetos se atraíam – a lei da gravitação universal de Newton – não se aplicava simplesmente aos objetos na Terra. Em vez disso, eles se aplicaram a todos os objetos, independentemente das propriedades do objeto, universalmente.

Quando Edmond Halley se aproximou de Newton e perguntou sobre o tipo de órbita que seria traçada por um objeto que obedecesse a uma lei de força do inverso do quadrado, ele ficou chocado ao descobrir que Newton sabia a resposta – uma elipse – de cabeça. . Newton havia obtido a resposta metodicamente e meticulosamente ao longo de vários anos, inventando o cálculo ao longo do caminho como uma ferramenta matemática para ajudar na resolução de problemas. Seus resultados levaram Halley a entender a natureza periódica dos cometas, permitindo-lhe prever seu retorno. A ciência da astrofísica nunca pareceu tão promissora.

Este lapso de tempo de 20 anos de estrelas perto do centro de nossa galáxia vem do ESO, publicado em 2018. Observe como a resolução e a sensibilidade dos recursos aumentam e melhoram no final, todos orbitando o preto supermassivo central (invisível) de nossa galáxia orifício. A mesma física que mantém os planetas e cometas orbitando o Sol também mantém as estrelas em órbita ao redor do centro galáctico. ( Crédito : ESO/MPE)

Dois cientistas contemporâneos de Newton, Christiaan Huygens e Ole Romer , ajudou a mostrar o poder inicial de aplicar as leis da física ao universo maior. Huygens, curioso sobre a distância das estrelas, fez uma suposição que outros antes dele haviam feito: que as estrelas no céu eram semelhantes ao nosso próprio Sol, mas estavam simplesmente muito distantes. Huygens, que era famoso tanto por suas proezas como relojoeiro quanto por seus experimentos com luz e ondas, sabia que, se uma fonte de luz fosse colocada ao dobro da distância em que estava anteriormente, ela pareceria apenas um quarto do brilho.

Huygens tentou descobrir a distância das estrelas perfurando uma série de furos em um disco de latão e segurando o disco contra o Sol durante o dia. Se ele reduzisse o brilho de forma significativa o suficiente, ele raciocinou, a luz permitida seria tão brilhante quanto uma estrela no céu. No entanto, não importa o quão pequeno ele perfurasse seus buracos, a minúscula pontinha de luz do sol que passava por ela superava em muito até mesmo a estrela mais brilhante. Foi só quando ele inseriu uma conta de vidro bloqueadora de luz no menor dos buracos perfurados que ele conseguiu igualar o brilho reduzido do Sol à estrela mais brilhante do céu noturno: Sirius. Foi necessária uma redução total no brilho do Sol de um fator de 800 milhões para reproduzir o que ele viu quando olhou para Sirius.

O Sol, ele concluiu, se fosse colocado ~28.000 vezes mais longe do que está atualmente (cerca de meio ano-luz), pareceria tão brilhante quanto Sirius. Centenas de anos depois, agora sabemos que Sirius é cerca de 20 vezes mais distante do que isso, mas também que Sirius é cerca de 25 vezes intrinsecamente mais brilhante que o Sol. Huygens, que não tinha como saber disso, havia realmente conseguido algo notável.

Quando uma das luas de Júpiter passa por trás do maior planeta do nosso Sistema Solar, ela cai na sombra do planeta, tornando-se escura. Quando a luz do sol começa a atingir a lua novamente, não a vemos instantaneamente, mas muitos minutos depois: o tempo que leva para a luz viajar dessa lua até nossos olhos. Aqui, Io ressurge atrás de Júpiter, o mesmo fenômeno que Ole Rømer usou para medir pela primeira vez a velocidade da luz. ( Crédito : Robert J. Modic)

Enquanto isso, Ole Rømer reconheceu que poderia usar as grandes distâncias entre o Sol, os planetas e suas luas para medir a velocidade da luz. À medida que as luas galileanas de Júpiter circulavam atrás do planeta gigante, elas entravam e saíam da sombra de Júpiter. Como a Terra faz sua própria órbita, podemos ver essas luas entrando ou saindo da sombra de Júpiter em vários momentos do ano. Ao medir as mudanças na quantidade de tempo que a luz leva para viajar:

• do sol,
• para uma das luas de Júpiter,
• e depois daquela lua de volta à Terra,

Rømer foi capaz, com a melhor precisão de suas medidas, de inferir pela primeira vez a velocidade da luz. A astrofísica não se trata exclusivamente de aplicar as leis da natureza que descobrimos na Terra ao Universo em geral, mas também de usar as observações disponíveis no laboratório do Universo para nos ensinar sobre as próprias leis e propriedades da natureza. em si.

As estrelas mais próximas da Terra parecerão mudar periodicamente em relação às estrelas mais distantes à medida que a Terra se move pelo espaço em órbita ao redor do Sol. Apesar do fato de que as pessoas procuravam uma paralaxe estelar há séculos, não foi até a década de 1830 que a primeira paralaxe foi medida. ( Crédito : Medialab ESA/ATG)

No entanto, levaria séculos para a astrofísica avançar além das ideias do final dos anos 1600. De fato, essas ideias e aplicações encapsularam toda a astrofísica pelos próximos 200 anos, até meados do século XIX. Nesse ponto, dois avanços adicionais ocorreram: a descoberta de uma paralaxe astronômica, dando-nos a distância de uma estrela além do Sol, e a descoberta de um paradoxo astronômico, indicando um problema com a idade do Sol e da Terra.

A ideia de uma paralaxe é simples: à medida que a Terra se move em sua órbita ao redor do Sol, os objetos mais próximos de nós parecerão mudar, com o tempo, em relação ao fundo, objetos mais distantes. Quando você mantém o polegar no comprimento do braço e fecha um olho, você vê o polegar em uma determinada posição em relação aos objetos no fundo. Quando você abre esse olho e fecha o outro, seu polegar parece se mover. Paralaxe é precisamente o mesmo conceito, exceto:

• a Terra, em duas posições diferentes ao longo do ano, substitui cada um de seus dois olhos,
• a estrela próxima que você está medindo a paralaxe toma o lugar do seu polegar,
• o pano de fundo de objetos astronômicos mais distantes substitui qualquer plano de fundo que você estava vendo,
• e a quantidade de deslocamento da estrela é minúscula em comparação com a quantidade de deslocamento de seu polegar, exigindo ferramentas astronômicas tremendamente avançadas.

É apenas porque há uma distância tão grande das estrelas – melhor medida em anos-luz – que foi tão difícil descobrir observacionalmente esse fenômeno.

Uma seção transversal do Wealden Dome, no sul da Inglaterra, que levou centenas de milhões de anos para ser erodida. Os depósitos de giz de ambos os lados, ausentes no centro, fornecem evidências de uma escala de tempo geológica incrivelmente longa necessária para produzir essa estrutura. ( Crédito : ClemRutter/Wikimedia Commons)

Mas na verdade foi um paradoxo que realmente abriu as portas para a astrofísica moderna. No final de 1800, a idade da Terra foi estimada em pelo menos centenas de milhões de anos e, mais provavelmente, bilhões de anos, para explicar várias formações geológicas e a evolução e diversidade da vida na Terra. Por exemplo, Charles Darwin, ele próprio mais naturalista do que consideramos um biólogo moderno, calculou que o desgaste do Weald, um depósito de giz bilateral no sul da Inglaterra, exigiu pelo menos 300 milhões de anos para o processo de erosão. , sozinho, ocorra.

No entanto, um físico chamado William Thomson, que mais tarde se tornaria conhecido por seu nome titular, Lord Kelvin, declarou que as conclusões de Darwin eram absurdas. Afinal, agora sabíamos a massa do Sol pela mecânica orbital e podíamos medir a produção de energia do Sol. Assumindo que a produção de energia do Sol era uma constante ao longo da história da Terra, Kelvin calculou as várias maneiras pelas quais o Sol poderia ter produzido energia. Ele considerou a combustão de combustível; ele considerou se alimentar de cometas e asteróides; ele considerou a contração gravitacional. Mas mesmo com essa última opção, o tempo de vida mais longo para o Sol que ele podia imaginar era de apenas 20 a 40 milhões de anos.

A ciência da astrofísica revelou um paradoxo: ou nossas idades para objetos cósmicos estavam completamente erradas, ou havia uma fonte para o poder do Sol que era completamente desconhecida para Kelvin na época.

Este corte mostra as várias regiões da superfície e do interior do Sol, incluindo o núcleo, que é onde ocorre a fusão nuclear. Com o passar do tempo, a região do núcleo onde ocorre a fusão nuclear se expande, fazendo com que a produção de energia do Sol aumente. Um processo semelhante ocorre no interior de todas as estrelas. ( Crédito : Wikimedia Commons/KelvinSong)

Claro, agora sabemos que há muito mais do que gravitação e combustão em jogo no Universo. Há reações nucleares ocorrendo, incluindo eventos de fusão e fissão, em todo o Universo, inclusive nos núcleos das estrelas. Existem transições e interações atômicas e até subatômicas que ocorrem em regiões de formação de estrelas, em gases e plasmas interestelares e nos discos protoplanetários onde os sistemas estelares se montam pela primeira vez. Existem fenômenos eletromagnéticos, incluindo cargas líquidas, correntes elétricas e campos magnéticos fortes, em todas as profundezas do espaço. E sob as condições mais extremas, existem até mesmo lasers naturais e partículas aceleradas a 99,999999999999%+ da velocidade da luz.

Onde quer que você tenha um sistema físico no espaço, onde quer que um fenômeno físico dê origem a uma assinatura potencialmente observável, ou onde quer que você possa fazer uma observação que esclareça as propriedades físicas de algum aspecto do Universo, você tem o potencial de fazer astrofísica com isto. Nem toda física é astrofísica, e nem toda astronomia é astrofísica, mas onde quer que esses dois campos se cruzem – a ciência observacional da astronomia e a ciência laboratorial da física – você pode fazer astrofísica com ela.

Esta animação mostra um buraco negro de massa menor perfurando o disco de acreção gerado em torno de um buraco negro supermassivo maior. Quando o buraco negro menor atravessa o disco, surge uma chama. ( Crédito : NASA/JPL-Caltech)

Hoje, existem quatro ramos principais da astrofísica moderna, todos trabalhando juntos, em conjunto, para nos ensinar verdades fundamentais sobre o Universo.

1. Existe a astrofísica teórica, onde pegamos as leis estabelecidas da natureza e as aplicamos às condições encontradas em vários lugares do Universo, permitindo-nos calcular as assinaturas observáveis ​​que esperamos que surjam.
2. Existe a astrofísica observacional, onde fazemos observações de vários objetos encontrados no Universo para registrar suas propriedades, em uma variedade de comprimentos de onda de luz e – quando aplicável – por outros meios, como a detecção de partículas cósmicas e/ou ondas gravitacionais.
3. Existe a astrofísica instrumental, onde construímos, otimizamos e utilizamos uma variedade de ferramentas para medir o Universo, de telescópios a câmeras, detectores de partículas, calorímetros de medição de energia, interferômetros e muito mais.
4. E nas últimas décadas, um quarto campo também surgiu: a astrofísica computacional. De simulações astrofísicas ao manuseio de grandes conjuntos de dados a ferramentas mais recentes, como aprendizado de máquina e inteligência artificial, a astrofísica computacional geralmente pode ajudar a preencher a lacuna entre teoria e observação, principalmente quando nossos métodos tradicionais de análise não nos servem mais.

O Universo em expansão, cheio de galáxias e a estrutura complexa que observamos hoje, surgiu de um estado menor, mais quente, mais denso e mais uniforme. Mas mesmo esse estado inicial teve suas origens, com a inflação cósmica como o principal candidato de onde tudo isso veio. ( Crédito : C.-A. Faucher-Giguere, A. Lidz e L. Hernquist, Ciência, 2008)

Perguntas que antes se pensava estarem além do domínio da investigação científica agora caíram no domínio da astrofísica e, em muitos casos, até descobrimos as respostas. Por milhares e milhares de anos, nossos ancestrais se maravilharam com a vastidão do Universo, levantando quebra-cabeças que não conseguiam resolver.

• O Universo é eterno ou surgiu em algum momento? Se sim, quantos anos tem?
• O espaço é realmente infinito, ou existe um limite para o quão longe podemos ir, o que determina esse limite?
• O que compõe o Universo e quantas estrelas e galáxias poderíamos ver?
• De onde veio o Universo, como é hoje, como chegou a ser assim e qual é o seu destino final?

Por gerações e gerações de humanos, essas foram perguntas para filósofos, teólogos e poetas; eram ideias para pensar, sem respostas à vista. Hoje, todas essas perguntas foram respondidas pela ciência da astrofísica e abriram questões ainda mais profundas que esperamos responder da única maneira que os astrofísicos sabem como respondê-las: colocando a questão ao próprio Universo. Examinando o laboratório do espaço profundo com as ferramentas certas e os métodos adequados, podemos, pela primeira vez na história, compreender nosso lugar no cosmos.

Neste artigo Espaço e Astrofísica

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