Copyright©GilesSparrow,2016Copyright©EditoraPlanetadoBrasil,2018Títulooriginal:50astronomyideasyoureallyneedtoknow

Preparação:AndressaVeronesiRevisão:OlíviaTavareseJulianadeA.RodriguesDiagramação:VivianOliveiraCapa:CompañíaAdaptaçãoparaeBook:Hondana

CIP-BRASIL.CATALOGAÇÃO-NA-FONTESINDICATONACIONALDOSEDITORESDELIVROS,RJ

S73cSparrow,Gilles50ideiasdeastronomiaquevocêprecisaconhecer/GillesSparrow;

traduçãoHelenaLondres.-1.ed.-SãoPaulo:Planeta,2018.Traduçãode:50astronomyideasyoureallyneedtoknowISBN978-85-422-1224-2

1.Astronomia-Obrapopulares.2.Curiosidadesemaravilhas.I.Londres,Helena.II.Título:50ideiasdeastronomiaquevocêprecisaconhecer.III.Série.

17-46481CDD:523CDU:523RuaPadreJoãoManuel,100–21oandarEdifícioHorsaII–CerqueiraCésar01411-000–SãoPaulo–SPwww.planetadelivros.com.br

2018TodososdireitosdestaediçãoreservadosàEDITORAPLANETADOBRASILLTDA.

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SumárioIntrodução

01NossolugarnoUniverso02Observandooscéus03OreinodoSol04Onascimentodosistemasolar05Migraçãoplanetária06OnascimentodaLua07ÁguaemMarte08Gigantesdegásegelo09Luasoceânicas10Planetas-anões11Asteroidesecometas12Vidanosistemasolar?13NossoSol–umaestrelavistadeperto14Medindoasestrelas15Químicaestelar16OdiagramadeHertzsprung-Russell17Aestruturadasestrelas18Afontedeenergiadasestrelas19Ociclodevidadasestrelas20Nebulosaseaglomeradosdeestrelas21Onascimentodeestrelas22Estrelasanãs23Estrelasbináriasemúltiplas24Embuscadeexoplanetas25Outrossistemassolares26ZonasdeGoldilocks27Gigantesvermelhas28Estrelaspulsantes29Supergigantes30Supernovas31Remanescentesestelares32Estrelasbináriasextremas33Buracosnegros

34AgaláxiadaViaLáctea35OcoraçãodaViaLáctea36Tiposdegaláxias37Galáxiasemcolisãoeemevolução38Quasaresegaláxiasativas39OUniversoemlargaescala40Ocosmosemexpansão41OBigBang42Nucleossínteseeaevoluçãocósmica43Estrelasmonstrosegaláxiasprimitivas44AmargemdoUniverso45Amatériaescura46Energiaescura47Relatividadeeondasgravitacionais48VidanoUniverso49Omultiverso50OdestinodoUniverso

GlossárioÍndice

IntroduçãoConsiderando que raramente o comportamento dos objetos no céu noturnoparece ter um impacto direto sobre a vida humana, pode soar estranho aastronomiaalegarseramaisantigadasciências.Defato,asraízesdaastronomiasãoanterioresàhistória registrada–omapadeestrelasmaisantigoconhecidofoipintadonasparedesdeumacavernaemLascaux,naFrança,emmeadosdaúltimaIdadedoGelo,háuns17.300anos.Àprimeiravistaésimplesmenteumalinda representação de um touro arremetendo, mas um exame mais próximorevela um aglomerado de pontos atrás do lombo do animal: uma inequívocarepresentaçãodoagrupamentodeestrelasPlêiades,naconstelaçãomodernadoTouro.

Paraosantigos,osmovimentosdoSol,daLuaedasestrelasrealmentetinhamconexãovitalcomoseventosnaTerra:atecnologiapodeterdiminuídoanossaexposiçãoàmudançadasestações,masparanossosancestrais,eraumaquestãode vida ou morte. Na IdadeModerna, a astronomia exerce sua influência deoutros modos, muitas vezes por meio da inovação científica que ela inspira(como a câmeraCCD– Dispositivo de Carga Acoplada – em seus smartphonesatesta). Mas talvez o verdadeiro fascínio da astronomia em nossos confusostempos modernos está no fato de que ela toca os mistérios do infinito, e seaproxima,maisdoquequalqueroutraciência,deexplicardeondenósviemos.Este livroéumacelebraçãodasmaiores ideiasdaastronomiaedasbrilhantes,perceptivas e algumas vezes iconoclastas mentes que lhes deram forma. Pormeiode50temas,esperoabrangertudo;dosplanetasvariadoseoutrosmundosnanossa soleiracelestial, atravésdasvidasemortesdasestrelas, àestruturaeorigem do próprio Universo. Algumas das teorias discutidas adiante já têmséculos, enquanto outras são espantosamentemodernas, e algumas ainda estãoemprocessodeformação–umadasgrandesbelezasdaastronomiacomociênciaéque, comoopróprioUniverso, elanunca se aquieta. Inevitavelmente,minhaseleçãodetemasépessoal,moldadapelosmeusprópriosinteressesediscussõescomnumerosos astrônomos em atividade,mas espero que haja algo aqui parafascinare,talvez,atéinspirar,atodos.

GilesSparrow

01NossolugarnoUniversoNa história da astronomia, a compreensão do nosso lugar noUniversoavançaenquantoanossasignificânciadentrodocosmos,aospoucos,diminui.Umaveznocentrodacriação,nossomundoagoraévistocomoumapartículanavastidãodocosmos.

Ahumanidade temsidoobcecadaporestrelasao longodahistória,nãoapenascontando casos a respeito delas e enchendo-as de significado,mas também asutilizando para objetivos práticos, comomarcar o tempo. Os antigos egípciospreviam a chegada da estação de cheia noNilo quando Sirius, a estrelamaisbrilhantedocéu,surgia logodepoisdamadrugada.Masoutra linhaimportantedopensamentoantigo,aastrologia,produziuasprimeirastentativasdemodelarnossolugarnocosmos.AntigosastrólogoseramlevadospelaideiadequeoscéuseramumespelhodaTerra:osmovimentosdoSol,daLuaedosplanetaserrantesentreospadrõesdasestrelas fixas, chamadas constelações, não necessariamente influenciavam oseventosnaTerra,masosrefletiam.Dessemodo,seumagrandefomeseabatessequandoMarteeJúpiterestivessememconjunção(próximosumaooutronocéu)em Touro, então você poderia prever um evento semelhante quando essesplanetas se aproximassem outra vez do alinhamento dessa constelação. Maisainda, os movimentos dos planetas não eram inteiramente imprevisíveis, demodo que se você conseguisse prevê-los, poderia predizer futuros eventos na

Terra.

OUniversogeocêntricoOgrandedesafio, então, eradesenvolverummodelodosmovimentos planetários que fosse suficientemente acurado.Amaior partedos astrônomos antigos ficou paralisada pela ideia do senso comum de que aTerraestávafixanoespaço(afinaldecontas,nãosentimosseumovimento).Semqualquerideiadaescaladocosmos,elesassumiramqueaLua,oSol,osplanetase as estrelas seguiam rotas circulares em velocidades variadas, demodo tal aproduziramovimentosaparentesvistanocéu(verboxenapágina8).

“...Ovastouniversoemqueestamosembutidoscomoumgrãodeareiaemumoceanocósmico.”CarlSagan

Infelizmente, esse modelo geocêntrico (centrado na Terra), apesar de suaatraente simplicidade, não gerava previsões acuradas. Os planetas mudavamrapidamentesuasrotasprevistasatravésdocéu,eosastrônomosacrescentavamdiversastolicesparacorrigiressefato.OmodeloatingiuoaugenoséculoIId.C.,pormeiodotrabalhodoastrônomogrego-egípcioPtolomeudeAlexandria.Suagrande obra, oAlmagesto, descrevia planetas semovendo em rotas circulares,chamadas epiciclos, cujos centros por sua vez orbitavam a Terra. EndossadotantopeloImpérioRomanocomoporseussucessorescristãosemuçulmanos,omodelodePtolomeureinousupremodurantemaisdeummilênio.Astrônomoscontemporâneossepreocupavammuitoemrefinarasmedidasdosmovimentosplanetários comoobjetivo, eles esperavam,de adaptarosdiversosparâmetrosdomodeloemelhorarsuasprevisões.

O Sol no centro Com a aurora do Renascimento europeu, a visão há muitosustentadadequeasabedoriaantigaeraimpecávelcomeçouasoçobrarentreospensadores em diversos campos, e alguns astrônomos passaram a pensar se omodelogeocêntricodePtolomeunãoseriafundamentalmentefalho.Em1514,opadrepolonêsNicolauCopérnicofezcircularumlivretonoqualalegavaqueosmovimentosqueseobservavamnocéupoderiamsermelhorexplicadosporummodelo com o Sol no centro, ou heliocêntrico. Em seu conceito, a Terra eraapenas um entre diversos planetas em rotas circulares em torno do Sol e, naverdade, sóaLuaorbitavaaTerra (uma teoriaquede fato tinhasidopropostapordiversosfilósofosgregosantigos).AideiadeCopérnicocomeçouaganharterrenocomapublicaçãopóstumadesuaobra-prima,Darevoluçãodeesferascelestes, em 1543, mas essas órbitas circulares trouxeram seus própriosproblemas,quandose tratoude fazerprevisõesacuradas.Sóem1608,quando

umastrônomoalemão,JohannesKepler,apresentouumnovomodelonoqualasórbitas eramelipses alongadas, foi queomistério dosmovimentosplanetáriosficou finalmente resolvido. Nosso mundo foi destituído de sua posição nocoraçãodacriação.

MovimentosplanetáriosOsplanetasnoscéusdaTerrasão,grossomodo,divididosemdoisgrupos–osplanetas“inferiores”,MercúrioeVênusfazemalçasemtornodaposiçãodoSolno céu,mas nunca se afastam dele, demodo que sempre aparecem no oeste,depois do pôr do sol, ou no leste, antes do nascer do Sol. Em contraste, osplanetas “superiores” – Marte, Júpiter, Saturno, Urano e Netuno – seguemórbitasqueoslevamaoredordocéuinteiro,epodemaparecernoladoopostodocéu em relação ao Sol. Mas o movimento deles é complicado pelas laçadasretrógradas, períodos em que temporariamente e com velocidade mais lentaretrocedemseudesvioparalestecontraasestrelas,antesdeacabaremseguindoseus caminhos.Omovimento retrógrado era omaior desafio para osmodelosgeocêntricos do sistema solar, e Ptolomeu a explicou colocando os planetassuperiores em órbitas dentro de órbitas, conhecidas como epiciclos. Em umsistema heliocêntrico, no entanto, o movimento retrógrado é bastante fácil deexplicarcomoumefeitodemudançadepontosdeobservação,quandoaTerra,quevaimaisrápido,ultrapassaumplanetasuperior.

LogoosastrônomosperceberamqueaRevoluçãoCopernicanadiminuíaaindamaisnossolugarnoUniverso.SeaTerraestavaandandodeumladoparaoutroem uma órbita vasta, curva, então certamente o efeito de paralaxe (o desvioaparentedeobjetospróximosquandovistodepontosdeobservaçãodiferentes)deveria afetar a posição das estrelas?O fato de que a paralaxe não podia servista,mesmocomoauxíliodenovosrecursosnaobservação,comootelescópio(verpágina10),implicavaemqueasestrelasestavaminimaginavelmentelonge– não uma esfera de luzes em torno do sistema solar, mas elas mesmas sóisdistantes.Emaisainda,ostelescópiosrevelaraminúmerasestrelasanteriormenteinvisíveis, e mostraram que a faixa clara na Via Láctea era feita de densasnuvensdeestrelas.

OUniversomaisamploLápelofimdoséculoXVIII,osastrônomoscomeçaramamapear a estrutura da nossa galáxia, o plano achatado das estrelas (quemaistarde se mostrou ser um disco, depois uma espiral – ver página 138) que sepensavacontertodaacriação.Noinício,aTerrafoimaisumavezprivilegiadaaosercolocadapertodocentrodagaláxia,esónoséculoXXéquefoiconfirmadaaverdadeiraposiçãodonossosistemasolar–auns26milanos-luzpara fora,em uma parte bastante insignificante da Via Láctea. A essa altura, o

desenvolvimentodanossacompreensãodasestrelas,inclusivemedidasacuradasdesuasdistâncias(verpágina58)tinhammostradoqueatéonossoSolnãotinhanada de especial. Na verdade, uma estrela amarela anã bastante apagada,obscurecidapormuitasdas200bilhõesoumaisdeestrelasnanossagaláxia.

Umgrandeavançofinalnanossaperspectivacósmicasurgiuem1924,quandooastrônomonorte-americanoEdwinHubblemostrouquenebulosasespiraisvistasemdiversaspartesdocéueram,naverdade,umconjuntodesistemasestelaresadistâncias inimagináveis. A Via Láctea, da qual somos uma parte tãoinsignificante, não passa de uma entre inúmeras galáxias (ver página 146) –talvezemmesmonúmeroqueas estrelasdanossagaláxia, espalhadasporumUniversoemconstanteexpansão(verpágina162).Eatémesmoessepodenãoser o final da história: há cada vez mais evidências de que o nosso próprioUniverso pode ser apenas um entre um número infinito de outros, naimensurávelestruturaconhecidacomomultiverso(verpágina198).

Umaamplagamadediferentestécnicaséusadaparamedirdistânciasdeobjetosastronômicos próximos e distantes. Ao longo da história da astronomia, oestabelecimentodeumdegraunessaescadadedistânciamuitasvezesdáindíciosdecomopodemserencontradosobjetosnodegrauseguinte.

A ideia condensada: Cada novadescoberta diminui o nosso lugar noUniverso02ObservandooscéusOs telescópios transformaram o modo como entendemos oUniverso.Osatuaisobservatóriosnosoloeemórbitaconseguemespiar até a fronteira do espaço e resolver detalhes a enormesdistâncias, enquanto outros instrumentos sofisticados usamradiaçãoinvisívelparadescobriraspectosocultosdocosmos.

Antesdainvençãodotelescópio,osinstrumentosmaisimportantesàdisposiçãodosastrônomoseramosastrolábios,quadranteseoutrosdispositivosusadosparamedir a posição de objetos no céu e os ângulos entre eles. Semajuda, o olhohumanoimpunhalimitesnaturais,tantonobrilhodeobjetosqueconseguiamseravistados,comonaquantidadededetalhesquepodiamserdistinguidos.Então,em1608,umfabricanteholandêsdeóculoschamadoHansLippersheydepositouumapatentedeumdispositivoengenhosoqueusavaduas lentes (umaobjetivaconvexaeumaocularcôncava)paracriarumaimagemampliadaemcercade3vezes.Essefoioprimeirotelescópio.

UmavisãomelhorAnotíciada invençãoholandesa espalhou-se rapidamente,chegandoaGalileuGalilei,emVeneza,emjunhode1609.Trabalhandosozinhoosprincípios,Galileuconstruiudiversosinstrumentos,culminandocomumquedava a ampliação sem precedentes de 33 vezes. Em 1610 ele fez inúmerasdescobertas importantes com esse telescópio, inclusive os quatro brilhantessatélites de Júpiter,manchas no Sol e as fases deVênus. Essas descobertas oconvenceram de que o Universo heliocêntrico de Copérnico, com o Sol nocentro, estava correto, e o fez entrar em conflito com as autoridadesconservadorasdaIgrejaCatólica.

Em 1611, Johannes Kepler calculou como, em princípio, um telescópio comduas lentes convexas poderia produzir ampliações muito maiores, e lá pormeados do séculoXVII, esse tinha se tornado o tipo de telescópio mais popular,levando a várias novas descobertas. Um fabricante de instrumentosespecialmente bem-sucedido foi o cientista holandês Christiaan Huygens, queusou telescópios cada vez mais longos para fazer novos descobrimentos,inclusive a lua de Saturno, Titã, e o formato verdadeiro dos anéis de Saturno(queGalileutinhaidentificadocomoumaestranhadistorção).

“Nosso conhecimentodas estrelas e damatéria interestelar deveser baseado principalmente na radiação eletromagnética quechegaaténós.”LymanSpitzer

Entretanto,o finaldosanos1600viuum tipo inteiramentenovode telescópioganhar grande apreço.O projeto do refletor usava um espelho primário curvoparacoletarefocalizaraluzeumsecundário,menor,paradefleti-lanadireçãoda ocular.O primeiro telescópio prático dessemodelo foi finalizado por IsaacNewton em 1668, e gerou muitas variantes. Os telescópios oferecem aosastrônomos maior alcance de luz e melhoram o poder de resolução. A lenteobjetivadeumtelescópio,ouespelhoprimário,ofereceumasuperfíciedecoletamuitomaior para a fraca luz das estrelas do que o pequeno diâmetro de umapupilahumana,entãoostelescópiosemgeralconseguemverobjetosmuitomaisesmaecidos.Aomesmotempo,opoderdeampliaçãooferecidopelaocularnospermiteresolverdetalhesesepararobjetosmuitopróximos.

Esquema dos dois tipos básicos de telescópio. Em um refrator (topo) a luzcoletadaporumalenteobjetivaédesviadaparaumfoco,edepoisumaimagemampliada é criada pela lente ocular.Emum refletor newtoniano (inferior), umespelho primário curvo coleta a luz e a reflete de volta para um espelhosecundário,queentãoadefleteparaumalenteocular.

AlargandooslimitesA última geração de grandes telescópios astronômicos emprega controle porcomputador emateriaismodernos para criar superfíciesmaiores do que nuncaparacoletara luz.Osmaiores instrumentosdesóumespelhosãoosmonstrosgêmeos de 8,4 metros no Observatório Internacional de Mount Graham, noArizona, seguido de perto pelos quatro espelhos de 8,2metros doVeryLargeTelescope(VLT)doObservatórioEuropeudoSul,noChile.Osdoisinstrumentosusamóticaativa–umarededemotorescomputadorizados,chamadosatuadores,quesustentamoespelhoecontrabalançamdistorçõesprovocadasporseuprópriopeso.Outrosistema,chamadodeóticaadaptativa,medeadistorçãodaluzvindade objetos-alvos enquanto ela atravessa a atmosfera e ajusta constantemente oespelhoparacontrabalançaressadistorção, resultandoemimagenscujanitidezpoderivalizarcomasdoTelescópioEspacialHubble.

Os telescópios de múltiplos espelhos podem ficar ainda maiores. O GranTelescopio Canarias, em La Palma, nas Ilhas Canárias, tem 36 espelhosentrelaçados formandoumasuperfície equivalenteaumúnicoespelhode10,4metros. Projetos ainda mais ambiciosos estão sendo planejados com aconstrução,noChile,doEuropeanExtremelyLargeTelescope(E-ELT),cujoenormeespelhoprimáriode39,3metrosconsisteem798segmentosindividuais.

TelescópiosmodernosOsdoistiposdetelescópiotêmseusprósecontras,masemgeralosproblemaspráticosdefundiremontarpesadaslentesconvexas,maisas enormes quantidades de preciosa luz estelar que eles absorvem, limitamosrefratores com bases em lentes a cerca de 1metro. O tamanho do telescópiorefletor,enquanto isso,empacounoníveldecercade5metrosdurantegrandeparte do século XX. Entretanto, novosmateriais (espelhos feitos em formato defavos de mel interlaçados) e, acima de tudo, controle computadorizado, lhespermitiramcrescerrapidamentea10metrosemais(verboxeacima).

Éclaro,ostelescópiosmaismodernosnãosãoconstruídospensando-senoolhohumano,edesdemeadosdoséculoXIXafotografiavemdesempenhandoumpapelimportante na astronomia. As fotografias não apenas capturam vistas para aposteridade, mas também aumentam ainda mais a captação da luz de umtelescópio. Desde que o telescópio seja corretamente orientado e giradolentamenteparamanteropassocomoefeitodarotaçãodaTerra,umaimagemde longa exposição pode “integrar” muitas horas de luz estelar distante. A

fotografia astronômica é agora dominada por Dispositivo de Carga Acoplada(CCDS) eletrônicos, que conseguem até seguir o número exato de fótons queatingem um pixel individual de um semicondutor. Muitas vezes a luz de umobjetodistanteépassadaatravésdeumespectroscópio (umdispositivodotadoderetículofinodedifraçãoquefuncionacomoumprisma),separandoessaluzem um espectro, feito um arco-íris, dentro do qual a intensidade de coresespecíficas pode sermedida comoparte de umapesquisa espectroscópica (verpágina62).

Radiações invisíveis O espectro de luz visível vinda do espaço que atinge aTerranãopassadeumapartepequenadoespectroeletromagnético.Asradiaçõeseletromagnéticasconsistemempacotesdeondasoscilantes,chamadasfótons,enossosolhosevoluíramparaveraluzporqueela,poracaso,éumadaspoucasbandasderadiaçãoqueatravessamaatmosferaterrestreatéasuperfície.Outrasformas de radiação incluem o infravermelho (“radiação de calor” com ondasligeiramentemaislongasdoqueasdeluzvermelha),erádio(comondasaindamais longas). A radiação infravermelha do espaço tende a ser inundada pelocalor de nossa própria atmosfera (ou até aquela que emana dos instrumentosusadosparadetectá-la),demodoque,emgeral,elaéobservadacomousodetelescópiosem toposdemontanhas, especialmente resfriados,ouobservatóriosmontadosemsatélitesemórbita.Oslongoscomprimentosdeondadasondasderádio,enquantoisso,apresentamdesafiospráticosparasuadetecção–emgeral,são coletados usando-se enormes antenas parabólicas que funcionamdemodoparecidocomostelescópiosdereflexão.

Os raios ultravioleta, ao contrário, têm comprimentos de ondamais curtos doquealuzvioleta,eenergiamaisalta,enquantoosraiosXeraiosgamasãoaindamaiscurtoseenergéticos.Essastrêsformasderadiaçãoeletromagnéticapodemserperigosasparaostecidosvivose,porsorte,amaiorparteébloqueadapelaatmosferaterrestre.Aeradaastronomiadealtaenergiasósurgiucomousodetelescópios estabelecidos no espaço, e os instrumentos para coletar e detectarraios X e gama têm pouca semelhança com os conhecidos projetos detelescópiosdeGalileueNewton.

A ideia condensada: Os telescópiosrevelamossegredosocultosdoUniverso03OreinodoSolNosso sistema solar consiste do Sol, de todos os objetos queorbitamemtornodeleedaregiãodoespaçodiretamentesobsuainfluência. Abrange 8 planetas principais, 5 planetas-anõesconhecidoseumamultidãodeluaseincontáveisobjetosmenores,comcomposiçõestantorochosasquantodegelo.

Duranteamaiorpartedahistóriaregistrada,osistemasolarconsistiaemapenas8 objetos conhecidos – a Terra, a Lua, o Sol e 5 planetas visíveis a olho nu:Mercúrio,Vênus,Marte,JúpitereSaturno.Cadaumseguiaseuprópriocaminhocomplexo pelo céu, contra um fundo aparentemente fixo de estrelas maisdistantes.FoisónoséculoXVIqueaTerrafoiamplamentereconhecidacomosendoapenaso terceirode6planetasorbitandoemtornodoSol,eomovimentodosplanetascomeçouafazersentido(verpágina8).

Agora ficou claro que o Sol era o corpo dominante no nosso sistema solar,exercendo uma força quemantém todos os planetas em órbita elíptica ao seuredor. Em 1687, a explicação dada por Isaac Newton foi que isso seria uma

extensão da mesma força gravitacional que faz com que objetos caiam nadireçãodocentrodaTerra.Umavezestabelecidoessemodelo,os astrônomospuderam usar técnicas geométricas, com precisão melhorada pelo telescópio,recentemente inventado, para medir a verdadeira escala do sistema solar (verboxe,napágina16).

UmamedidafundamentaleraadistânciamédiadaTerraaoSol,queresultouemcerca de 150milhões de quilômetros. Essa se tornou uma unidade demedidaconveniente em si só, conhecida hoje como unidade astronômica (AU). Oestabelecimento da escala do sistema solar também revelou a escala de seusplanetasindividualmente–VênusacaboutendocercadomesmotamanhoqueaTerra, Mercúrio e Marte são significativamente menores, enquanto Júpiter eSaturnoeramgigantes,emcomparação.

Novosmundos Enquanto os astrônomos do século XVII começavam a descobrirluasatéentãoinvisíveisemtornodeJúpitereSaturno,eofantásticosistemadeanéisdeSaturno,pensava-sequeosúnicosobjetosnãoplanetáriosemórbitaemtornodopróprioSoleramcometas,comoaquelecujaórbitafoicalculadapeloamigo de Newton, Edmond Halley, em 1705. Esses se mostravam comovisitantes ocasionais ao sistema solar interior. Então, em 1781, quando oastrônomoalemãoWilliamHerschelavistouumpequenopontoazul-esverdeadoenquantofaziaumlevantamentodeestrelas,emsuacasa,nacidade inglesadeBath,elenaturalmentesupôsqueeraumcometa.Observaçõessubsequentes,noentanto, revelaram a verdade: omovimento lento do objeto contra as estrelasindicavaumadistânciadecercade20AU,sugerindoquenãoeraumcometa,masumplanetasubstancialemsimesmo–omundoagoraoconhececomoUrano.

“Osistemasolardeveriaservistocomonossoquintal,nãocomouma sequência de destinos que percorremos, um de cada vez.”NeildeGrasseTyson

A descoberta deHerschel deflagrou umamania de caçar planetas, commuitointeresseconcentradoemumintervalopercebidonaordemdosplanetasentreasórbitas de Marte e Júpiter. Em 1801, isso levou à descoberta de Ceres (verpágina42),umpequenomundoquenãoserevelouumplanetacompleto,masoprimeiroeomaiordemuitosasteroides–corposrochososemórbitaportodoosistemasolar,masqueficamconcentradosprincipalmenteemumlargocinturãoentreMarteeJúpiter.

EmboraUranoeosasteroidestenhamsidodescobertosporumfelizacidente,foiamatemáticapuraquelevouàdescobertadeoutroplanetaprincipal,em1846.Nesse caso, o matemático francês Urbain Le Verrier executou uma análiseminuciosadasirregularidadesnaórbitadeUrano,identificandocomprecisãootamanhoeolocaldeummundomaisdistante(agoraconhecidocomoNetuno),quefoi logoavistadopeloastrônomoalemãoJohannGallenoObservatóriodeBerlim.

A caça ao planeta x Na esteira do triunfo de Le Verrier, muitos astrônomosficaram enfeitiçados pela ideia de encontrar novos planetas por meio damatemática.OpróprioLeVerrier fracassouaopredizeroutroplanetachamadoVulcano,orbitandooSoldentrodaórbitadeMercúrio,enquantooutrosfaziamprevisõesregularesdeumPlanetaxemórbitaalémdeNetuno.Omaisdedicadodesses caçadores de planetas era o rico amador Percival Lowell (tambémentusiastadoschamadoscanaisdeMarte–verpágina30),queinstalouseupróprioobservatórioemFlagstaff,Arizona,elegoufundosparaqueapesquisacontinuassedepoisdesuamorte,em1916.FoiemFlagstaff,em1930,queClydeTombaugh,umjovempesquisadorcontratadopara realizarumanovae abrangentepesquisa embuscadoplanetadeLowell,avistou em duas placas fotográficas gravadas em diferentes dias um pontominúsculosemovendocontraasestrelas.EssemundodistantefoilogochamadodePlutãoeanunciadocomoononoplanetadosistemasolar.

AristarcomedeosistemasolarNo terceiro século antes da era cristã, o astrônomo gregoAristarco de Samosusou um método engenhoso para calcular as distâncias da Lua e do Sol. AoperceberqueasfasesdaLuaeramcausadaspelavariaçãodailuminaçãosolar,elemediuoânguloentreoSoleaLuanoprimeiroquarto,quandoexatamentemetadedodiscolunarestáiluminado,edepoisusouageometriaparacalcularadistância entre esses dois corpos. Por conta dos erros de medidas, SamoscalculouqueoSolestava20vezesmaisdistantedoqueaLua(eque,portanto,era 20 vezes maior). O número real é 400 vezes, mas a diferença ainda erasuficienteparaconvencê-lodequeoSol,enãoaTerra,deveriaestarnocentrodo sistema solar. Entretanto, o tamanho e a massa de Plutão se mostraramdecepcionantemente pequenos, e desde o início alguns astrônomos duvidaramquerealmentesedevesseclassificá-locomoumplaneta,domesmomodoqueosoutros.Muitossuspeitavamque,comoCeres,elefosseoprimeirodeumaclasseinteiramente nova de objetos – pequenos mundos de gelo em órbita além deNetuno,noqueagorachamamosdeCinturãodeKuiper– KBO, em inglês– (verpágina 49). Foi só em 1992 que o Telescópio EspacialHubble finalmente foiatrás de outro objeto doCinturão deKuiper,mas o número deles desde entãoaumentouvertiginosamente,atualmentecommaisde1.000identificados.Dadaessataxadedescoberta,erainevitávelqueostatusplanetáriodePlutãopudesseserquestionadoe,em2006,aUniãoAstronômicaInternacional(IAU,eminglês)introduziu uma nova classificação, a de planetasanões, que abrange Plutão,Ceresediversosoutrosobjetos(verpágina43).

Será que existem ainda outros mundos substanciais esperando para seremdescobertos nas profundezas do sistema solar exterior? Modelos atuais donascimento e evolução do sistema solar podem fazer parecer que isso éimprovável (verpáginas18-23),mas alguns astrônomosalegamque asórbitasdedeterminadosKBOSpodemserinfluenciadasporplanetasmaioresdesconhecidos.Em 2016, Konstantin Batygin e Mike Brown, astrônomos do Instituo deTecnologia da Califórnia (Caltech), fizeram a alegação mais definitiva emrelaçãoàexistênciadeum“nonoplaneta”,comamassade10Terrasemumalongaórbitaelíptica.Atéagora,noentanto,osúnicosobjetosnãovistosdecujaexistênciapodemostercertezasãoostrilhõesdecometasdaNuvemdeOort.AexistênciadessevastohaloesféricodecometasrodeandooSolatéumadistânciadecercade1ano-luzé reveladapelasórbitasdecometasquecaemdentrodo

sistemasolarinterior.

AheliosferaAodiscutiroslimitesdosistemasolar,algunsastrônomospreferemnãoutilizaro alcance gravitacional do Sol,mas a heliosfera, região em que o vento solardomina acima da influência de outras estrelas. O vento solar é um fluxo departículas eletricamente carregadas sopradas da superfície do Sol, e queestendemseucampomagnéticoaolongodosistemasolar.Eleéresponsávelporfenômenos comoas auroras (luzes nonorte e no sul) emdiversos planetas.Ovento viaja sem obstáculos em velocidades supersônicas além da órbita dePlutão, mas aí diminui, numa região de turbulência subsônica, ao encontrarpressõescadavezmaioresvindasdomeiointerestelarquearodeia(verpágina172).Amargem exterior da heliosfera, onde o fluxo para fora do vento solarpara,éconhecidacomoheliopausa,eéolimiteaquesereferem,emgeral,oscientistas quando falam em sair do sistema solar. A sonda daNASAVoyager 1atravessouaheliopausaacercade121audoSolemagostode2012.

A ideia condensada: O tamanho e acomplexidade do nosso sistema solarcontinuamcrescendo04OnascimentodosistemasolarComo surgiram o Sol e o heterogêneo sistema de planetas epequenoscorposemtornodele?Durantemaisdedoisséculos,oscientistas vêm discutindo diversas teorias, mas agora uma novaideia chamadade acreçãode seixospromete finalmente resolverasquestõesnãorespondidas.

O sistema solar tem3 zonas bastante diferentes. Perto doSol há um reino deplanetasrochososeasteroidesdominadopormateriais“refratários”compontosdefusãorelativamentealtos,comoosmetais.Mais longe,alémdocinturãodeasteroides, ficam os planetas gigantes e suas luas de gelo, compostasprincipalmenteporsubstânciasquímicasvoláteisquederretememtemperaturasmais baixas.Mais distante de tudo estão oCinturão deKuiper e aNuvemdeOortdepequenoscorposdegelo.

Aprimeirateoriacientíficadasorigensplanetárias,quebuscavaapenasexplicar

adiferençaentreplanetas rochososeosgigantesmaisdistantes,eraconhecidacomoahipótesenebular.Em1755,ofilósofoalemãoImmanuelKantpropôsqueoSoleosplanetastinhamseformadoaoladounsdosoutrosduranteocolapsodeumagrandenuvemdegásepoeira.Obrilhantematemático francêsPierre-Simon Laplace concebeu, independentemente, um modelo similar em 1796.Laplace mostrou como colisões dentro da nuvem de gás e a conservação domomento angular iriam naturalmente fazer com que o disco formador dosplanetas se achatasse e girassemais rapidamente na direção de seu centro, aomesmotempoqueobrigavaosplanetasresultantesapercorreremórbitasmaisoumenoscirculares.

UmamultidãodeteoriasEmmeadosdoséculoXIX,algunsastrônomosdiscutiamque a nebulosa em espiral visível nos telescópios maiores e nas primeirasimagens fotográficas poderiam ser sistemas solares em formação (ver página148).Outros,noentanto,expressavamdúvidassignificativas,emparticularemrelação ao período lento de rotação do Sol (c.25-dia) – já que nossa estrelaconcentra 99,9% da massa do sistema solar no seu centro, certamente nãodeveriagirarmuitomaisrapidamente?

“Sobre uma leve conjectura... aventurei-me numa viagemperigosa, e já percebo os contrafortes de novas terras. Aquelesquetêmacoragemdecontinuar...irãoapearnelas.”ImmanuelKant

Àmedidaqueessaspreocupações seenraizavam,ahipótesenebular foi sendoabandonadaemfavordenovasteorias.Talvezosplanetasseformassemapartirde uma longa faixa de luz da atmosfera solar, rasgada por uma estrela depassagem? Talvez fossem criados do material capturado quando o Sol fez omesmo com outra estrela? Ou talvez tivessem sido varridos a partir de umanuvemde“protoplanetas”doespaçoexterior?

Foi somente nos anos 1970 que os astrônomos começaram a considerar ahipótese nebular, graças, em grande parte, ao trabalho do astrônomo soviéticoViktorSafronov.Novoselementosintroduzidosàteoriapermitiamqueplanetasse formassem com muito menos massa no disco original, reduzindo anecessidade de um Sol em rápida rotação. Fundamental para o modelo deSafronov,deumanebulosasolaremdisco,foiaideiadeacreçãoporcolisões–um processo no qual objetos individuais crescem desde grãos de poeira até

protoplanetasdotamanhodeMartepassoapasso,apartirdecolisõesefusões.

AcreçãoporcolisõesQuandoasideiasdeSafronovsetornaramconhecidasforada União Soviética, astrônomos já tinham aprendido muito mais acerca daevolução inicial das próprias estrelas, e essas duas linhas se uniram paraconstruirumcenáriocoerente.Quandoumaprotoestrelajovem,quenteeinstávelcomeça a brilhar (ver página 86), ela produz violentos ventos estelares quesoprampelanebulosaaoseuredor,juntocomradiaçõesfortesqueaumentamatemperatura das regiões internas da nebulosa. Isso tem o efeito de provocar aevaporaçãodematerialgelado,volátil, próximoà estrela, edepois soprarparafora, deixando para trás omaterial refratável poeirento. Colisões aleatórias aolongo de algunsmilhões de anos veem essas partículas cresceremde poeira aseixos, a pequenos asteroides.Umavez que estejamgrandes o suficiente paraexerceremumagravidademoderada,oprocessovaicrescendocomoumabolade neve em um efeito conhecido como crescente de fuga. Os corpos emcrescimento,conhecidoscomoplanetesimais,atraemcadavezmaismaterialemsuadireção,limpandoamaiorpartedoespaçoaoredoratéquerestemalgumasdúzias de mundos, talvez do tamanho da nossa Lua. As colisões entre essesprotoplanetasdãoorigemaumnúmeromenordeplanetasrochosos,enquantoocalor liberado pelos impactos faz com que derretam, permitindo que seusinterioressediferenciemesuascrostassesolidifiquemnumaformaesférica.

Embora os detalhes precisos da formação do sistema solar ainda não sejamdefinitivamente conhecidos, a história em geral é clara: uma nuvem de gás epoeira começa a desabar sob sua própria gravidade (1), achatando-se em umdiscocomumcentro abaulado (2).OSol se formanocentro, comosnúcleos

sólidosdeprotoplanetasemórbitaaoseuredor(3).Essesmateriaisvarridosdeseusentornosproduzemosplanetasprincipaisatuais(4).

Quanto mais distante do centro do sistema estelar, mais frio fica. Os gelosvoláteis se mantêm congelados e o gás tende a permanecer, liberando maismaterialparaaformaçãodeplanetas.Oprocessodeformaçãodeplanetassedámaisoumenosdomesmomodo,emumaescalabemmaisgrandiosa,resultandoem planetas com núcleos sólidosmaiores, que então atraem para si o gás emtorno para formar profundas atmosferas ricas em hidrogênio. Nas margensexterioresdazonadeformaçãodeplanetas,omaterialseespalhadeformamuitotênue para constituir planetas grandes, resultando em um proto-Cinturão deKuiperdemundosanõesgelados.

A teoria deSafronov tem semantido pormais de quatro décadas.Respaldadapela descoberta de discos de formação de planetas em torno demuitas outrasestrelas, é amplamente aceita como acurada, quando se trata da visão maior.Entretanto, recentemente, alguns astrônomos começaram a suspeitar que essanão é a história completa. Em particular, há dúvidas a respeito domodelo decolisão de dois corpos de Safronov, e há evidências crescentes de quemuitosmundosnosistemasolarnãopassarampelotipodefusãocompletaexigidapelasrepetidas colisões planetesimais defendidas pelo astrônomo. Tão importantequanto, cientistas perceberamqueháuma falhana cadeiade crescimento.Emumaescalamenor,minúsculascargasdeeletricidadeestáticanosgrãosdepoeirafariamcomqueelesseatraíssem,enquantoaatraçãogravitacionalmútuafariacom que objetos em grande escala se unissem. Mas como é que objetos dotamanho de grandes pedras esféricas se fixam à medida que crescem de umestágioaoutro?Asoluçãoparaessesproblemaspodeestaremumanotávelnovateoria chamada de acreção de seixos (ver boxe acima), que envolve grandesnúmerosdeobjetospequenosqueseaglutinamaomesmotempo.

AcreçãodeseixosRecentemente, especialistas na formação de planetas aprimoraram uma novateoriaparaexplicardiversosmistériosnotáveisnesseprocesso:nãoapenascomocorpos em acreção atravessam o limiar do tamanho de escala pequena paragrande, mas também como os gigantes de gás cresceram seus núcleos emvelocidade suficiente para reter gases que desaparecem rápido, e por que osplanetas terrestres parecem ter sido formados em tempos consideravelmentediferentes. A acreção de seixos sugere que o sistema solar inicial expandiurapidamente enormes conjuntos de pequenos fragmentos sólidos, lentos ecapturadosporseumovimentoatravésdogáscircundante.EmapenasumpardemilhõesdeanosdaformaçãodoSol,essesconjuntoscresceramosuficienteparase tornaremgravitacionalmente instáveis,desabandopara formarplanetesimaisdo tamanho de Plutão em questão de meses ou anos. A gravidade dessesmundos, então, atraiu rapidamente os seixos restantes em seus arredores,deixando talvezalgumasdúziasdemundosdo tamanhodeMarte.Osplanetasgigantesforam,portanto,capazesdecomeçaraacumularseusenvelopesdegásegelodesdeoinício,enquantoMartejátinhacrescidointeiramente.Apenasosmaioresplanetas terrestres,TerraeVênus,exigiramumafase finaldecolisõesdoestiloSafronov,durante as centenasdemilhõesde anos seguintes,maisoumenos,paraalcançarseutamanhoatual.

Aideiacondensada:Osplanetascrescempormeiodafusãodeobjetospequenos05MigraçãoplanetáriaAté recentemente, amaiorpartedos astrônomos acreditavaqueos planetas do nosso sistema solar seguiam órbitas estáveis aolongo de sua história. Mas novos avanços nos modeloscomputacionais sugerem que os dias iniciais do sistema solarenvolviam um vasto jogo de pinball planetário cujasconsequênciasaindapodemservistashoje.

Antesdadescobertadosprimeirosexoplanetasemmeadosde1990(verpágina98),osastrônomostendiamaacreditarquesistemassolaresalienígenaspodiamser mais ou menos como o nosso, com planetas que seguiam órbitas quasecirculares,estáveis,emtornodesuasestrelas.Entretanto,domesmomodocomoasúltimasduasdécadasdepesquisasdemonstraramquesistemasplanetáriossãomuito mais variados do que se pensava, avanços na simulação e modelagembaseadosnomodelodeacreçãoporcolisãonaformaçãodonossosistemasolarsugeriramqueomaterialparaformaçãodeplanetasteriadiminuídoemtornodaórbita deSaturno.Então, de onde vieramUrano eNetuno?Numesforço para

responder a essas e outras questões, em 2005 um grupo de astrônomosapresentouumanotávelteorianova,adequeasprimeirascentenasdemilhõesde anos da vida do nosso sistema solar assistiu a mudanças radicais nadistribuiçãodosplanetas.

MundosemmovimentoTeoriasdeplanetasquemudamdeórbitastêmpassadopor períodos de popularidade desde o século XIX, embora fossem redondamentedesdenhadas como bobagem pseudocientífica pelas autoridades astronômicas.Defato,asideiasde“estudiososindependentes”comoImmanuelVelikovsky–que colocou planetas ricocheteando em torno do sistema solar em temposrelativamenterecentescomoumaexplicaçãoparamuitoseventosmitológicosehistóricos –, são facilmente abandonadas. Mas o chamado Modelo de Nice,batizado em homenagem à cidade francesa onde muitos dos que odesenvolveram trabalhavam no Observatório Côte d’Azur, é uma prospectivamuito diferente. OModelo de Nice é um conjunto de propostas interligadas,baseadas em uma modelagem de computador das evoluções no sistema solarinicial comoobjetivode resolver algunsmistérios existenteshámuito tempo.Empoucomaisdeumadécada,essemodeloabriuumcampodepesquisanovoeanimadornonegligenciadocampodadinâmicadesistemassolares.

OModelodeNiceOmodelopostulaquepoucotempodepoisdesuaformação,o sistema solar exterior era muito diferente de seu estado atual. Todos os 4planetas gigantes estavammuitomais próximos, com órbitas quase circularesdentro da atual órbita de Urano (cerca de 20AU do Sol). Além disso, Netuno,agoraoplanetamaisexterior,orbitavamaispróximodoSoldoqueUrano.Alémdos planetas principais ficava um proto-Cinturão de Kuiper – um disco deobjetos de gelo cujosmaioresmundos tinhammais oumenos o tamanho dosplanetas-anõesdehoje,equeficavamcontidosdentrodaatualórbitadeNetuno.

“Foi um evento muito violento, de vida curta, durando apenasalgumasdezenasdemilhõesdeanos.”HalLevison

Simulações em computadores indicam que um arranjo dos planetas gigantesdessetipoteriapermanecidoestáveldurantecercade500milhõesdeanos,antesque uma série de contatos imediatos entre Urano e Netuno perturbasse suasórbitaseospuxasseparatrajetosemelipsesalongadas.Essasórbitasexcêntricaslogooslevaramparamaispertodosplanetasmuitomaiores,JúpitereSaturno,cuja forte gravidade os arremessou para trajetos muito mais longos, emboraainda elípticos, em torno do Sol, e jogou Netuno para além de Urano pela

primeira vez. Foi provavelmente durante esse evento, também, que Uranoadquiriu seu notável atual eixo inclinado, que faz com que o planeta de gásgigante gire de lado, como uma bola rolando, em vez de um movimento de“pião”comoosoutrosplanetas.

DeslocamentodoCinturãodeKuiperAsnovasórbitasdeUranoeNetuno,noentanto, os mandaram ao Cinturão de Kuiper, onde outros encontros compequenosmundosgeladosajudaramatornarcircularesasórbitasdosgigantesdegelo mais distantes do Sol.Muitos dos mundos menores foram ejetados paramais longe, numa região conhecida como disco espalhado, enquanto outrosforam mergulhados na direção do sistema solar interior, onde provocaram oevento cataclísmico conhecido como o Intenso Bombardeio Tardio (ver boxeacima).

OIntensoBombardeioTardioGraças à datação radiométrica de rochas lunares trazidas pelos astronautas daApollo, muitos astrônomos acreditam que o sistema solar interior atravessouumafasetraumáticaháuns3,9bilhõesdeanos,duranteaqualmundoscomoaLua sofreram um intenso bombardeio de grandes planetesimais. Na Lua, ascraterasdeixadasporessesimpactosforammaistardepreenchidascomlavadeerupções vulcânicas, criando os escuros “mares” lunares, uniformes, quedominamoladopróximodaLuahoje.

Reconhecidopelaprimeiraveznofinaldosanos1970,esseIntensoBombardeioTardio foi durantemuito tempo considerado como sendo apenas uma fase deabsorçãono finaldaacreçãoplanetária,masevidênciasmais recentessugeremqueafaseprincipaldaformaçãodosplanetasacaboumuitoantes.Aocontrário,perturbaçõescriadasquandoosplanetasgigantesmudaramdeórbitanoModelodeNice são agora a explicaçãopreferida.Entretanto, alguns céticos sugeriramqueobombardeionuncaaconteceunaescalaquealgunsimaginam,discutindo,em vez disso, que todas as amostras fundidas pelo impacto coletadas pelosastronautas da Apollo, na verdade, se originaram de um único evento deimpacto.O Modelo de Nice é intrigante não apenas por suas promessas de resolvermistérioscomoa inclinaçãodeUrano,o localdosgigantesdegáseo IntensoBombardeioTardio,mas tambémpor fornecermecanismospara a captura dosasteroidestroianosquecompartilhamumaórbitacomJúpiter,UranoeNetuno.Mas o modelo não é perfeito: ele tem dificuldades em explicar como Júpiteracabou capturando sua atual grande família de luas, a influência gravitacionalcombinada de Júpiter e Saturno, quando eles passam por um período deressonânciaorbital(comaproximaçõesfrequentes),epodetambémtercausadoproblemas. De fato, algumas simulações mostram efeitos violentos, como aejeçãocompletadeMarteeadesestabilizaçãodeoutrosplanetas–questõesquesãograndesosuficienteparaqueomodelosejasubstancialmenterefinado.Domesmo modo, a frequência com que os encontros modelados entre Júpiter,UranoouNetunoterminamcomomundomenorsendochutadocompletamenteparaforadosistemasolar levoualgunsastrônomosadiscutirumsistemasolarinicialcontendotrêsgigantesdegelo.

Apesar desses problemas, oModelo de Nice, ou algo semelhante, permanece

como uma parte essencial das ideias atuais a respeito da história do nossosistemasolar.Eoutrosastrônomosestãoaplicando ideias semelhantesaoutrasquestões. Por exemplo, por queMarte nunca cresceu até ficar do tamanho daTerra,edeondevemaáguaabundantedonossoplaneta?AsrespostasaessasduasquestõespodemestarnaGrandTak,umtrajetohipotéticotomadoporumrecém-formado Júpiter no ambiente rico em gás da nebulosa solar inicial (verpágina21).Deacordocomessateoria,ainteraçãocomanebulosafezcomqueaórbita de Júpiter flutuasse primeiramente para dentro e depois para fora. Noprocesso, a gravidade do planeta gigante teria perturbado (e roubado) grandeparte do material de formação de planetas em torno da órbita de Marte, eposteriormenteenriquecidoocinturãodeasteroidesexteriorcomcorposdegelovindos de regiões mais de fora no sistema solar. Uma vez deslocados, elespoderiam ter chovido sobreaTerra, trazendoaáguaque fazcomqueonossoplanetasejahojehabitável.

Há4,5bilhõesdeanos,osplanetasgiganteseramcontidosdentrodaatualórbitadeSaturno,rodeadosporumgrandeproto-CinturãodeKuiper.

Há4,1-3,8bilhõesdeanos,NetunoeUranoalcançamaexcentricidademáximaemudamsuaordemapartirdoSol.ObjetosdoCinturãodeKuipersãoatiradosemtodasasdireções,bombardeandoosistema

solarinterior.

Há4,1bilhõesdeanosainfluênciadeJúpitereSaturnochutaNetunoeUranoparaórbitaselípticasquecomeçamaperturbaroproto-Cinturão

deKuiper.

Hácercade3,5bilhõesdeanosasórbitasdeUranoeNetunosetornarammaisoumenoscirculareseosistemasolarchegaàsuaconfiguraçãoatual.

A ideia condensada: Os planetas nemsempreseguiramasmesmasórbitas06OnascimentodaLuaSecomparadaàmaiorpartedossatélitesdonossosistemasolar,aLuadaTerraémuitodiferente.Seutamanhoenorme,equiparadoaonossopróprioplaneta,sugerequeeladevetertidoumaorigemmuito incomum. Mas a verdade a respeito dessa origem só setornou clara a partir dos anos 1980, e algumas questões aindapermanecemsemresposta.

ALuadaTerraéenorme–temcercadeumquartododiâmetrodaTerraeédelonge o maior satélite de um planeta grande, se comparada com seu planetagenitor.Mas sua natureza estranha só se tornou clara aos poucos, nos séculosquese seguiramà invençãodo telescópio.Teorias sobreasorigensdosistemasolar (ver página 18) poderiam perfeitamente explicar as famílias de luas deplanetas gigantes como sobras de detritos que se aglutinaram em órbita (umaversãoemmenorescaladonascimentodoprópriosistemasolar),maslogoficouclaro que essemodelo de “coacúmulo” fracassou ao se tratar daTerra. Fora aquestão básica de por que só aTerra temmaterial em excesso suficiente parafazer um satélite com muita massa, ficou claro que o momento angular dosistemacombinadoTerra-Luaémuitoalto, comparadoaodosdemaisplanetasterrestres, algo que não seria de se esperar caso aLua tivesse sido formada a

partirdeumdiscoemrotaçãolenta.

TeoriasiniciaisNabuscaderespostas,osastrônomosdoséculoXIXapresentaramduas teorias – captura e fissão. O modelo de captura sugere que a Lua foiformada em algumoutro lugar no sistema solar e depois capturada pelaTerradurante uma aproximação. Faltou explicar por que a densidade da Lua ésignificativamentemaisbaixaqueadaTerra,noentanto,eexigiuumcenáriodecontato de aproximação altamente improvável. É muito mais difícil para umpequenoplanetadoqueparaumplanetagigantecapturarumsatélitegrande(emesmo assim só sabemos de um satélite grande capturado no sistema solarexterior–aluadegeloTritão,deNetuno).

A hipótese de fissão, enquanto isso, foi apresentada pela primeira vez peloastrônomo inglêsGeorgeDarwin (filhodeCharles).Darwin estudou as forçasdasmarésentreaTerraeaLuaemostrouqueaórbitadonossosatéliteestáindocerca de 4 centímetros por ano lentamente para fora numa espiral, enquanto avelocidade de rotação da Terra está aos poucos diminuindo. Darwin concluiucorretamente que a Terra e a Lua já estiveram muito mais próximas, eargumentouqueelasseoriginaramcomoumúnicocorpoemrápidarotação:omaterial que formou a Lua foi atirado do equador protuberante da Terraprimordialantesdeseaglutinaremórbita.DarwinchegouaalegarqueabaciadooceanoPacíficomarcavaacicatrizaindavisíveldessaseparaçãoviolenta.AteoriagozoudeváriasdécadasdepopularidadenoiníciodoséculoXX,antesqueestudossubsequentesdasforçasenvolvidasconcluíssem,porvoltade1930,queessecenárioeraessencialmenteimpossível.

Nosanos1970novasevidênciasfinalmentechegaramsobaformadeamostrasderochas trazidaspelasmissõesApollo.Elasmostraramqueasrochas lunareseram extremamente secas – não apenas a água está ausente nas camadassuperiores da crosta, mas também estão ausentes os minerais hidratadosencontrados na Terra. As rochas eram também severamente desprovidas deelementosvoláteis(debaixopontodefusão)comopotássio,chumboerubídio,se comparadas tanto com a Terra, quanto com modelos de nebulosa solarprimordiallocal.Aocontrário,aLuasemostroumaisricaemóxidodeferrodoqueoprópriomantoterrestre,apesardeterapenasumpequenonúcleodeferro.

O grande impacto Essas descobertas inspiraram um interesse renovado emrelação a uma teoria negligenciada, apresentada pelo geólogo canadenseReginaldAldworthDaly ainda em1946: a hipótesedogrande impacto.Nessa

versãomodificada da teoria da fissão, grande parte domaterial para formar aLua veio da Terra, ejetada, não por rotação rápida, mas por uma colisãointerplanetáriacomumcorpodotamanhodeumplaneta.

WilliamK.HartmanneDonaldR.DavisdoInstitutodeCiênciaPlanetária,emTucson, Arizona, mostraram a plausibilidade de outros corpos se formarempróximoàTerraprimordial, enquantoA.G.W.CameroneWilliamWard, emHarvard, modelaram o próprio impacto, mostrando que ele provavelmenteenvolveu um corpo do tamanho deMarte atingindo aTerra pela tangente.Talevento resultaria em grandes quantidades do impactante, junto com umsubstancialnacodomantodaTerra,sendoderretidoseejetadosemórbita,masamaior parte do núcleo de ferro do impactante seria absorvida pela Terra. Ointensocalordoimpactoexplicariaafaltadeáguaeoutrassubstânciasvoláteisnarochalunar.

AmodelagemdeTheiaÀmedidaqueaumentaramasevidênciasdequeaLuafoiformadapormateriaisessencialmenteparecidoscomosdaTerra,asorigensdoplanetaqueprovocouoimpacto, Theia, se tornaram cada vezmais restritas.Como a taxa de isótoposelementaresatravésdanebulosasolareratãosensívelàsuadistânciaemrelaçãoaoSol(verpágina20),éclaroqueTheiadevetersidoformadomuitopróximo,essencialmente a partir da mesma mistura de materiais. Entretanto, a própriagravidadedaTerrapoderiaterinterrompidoaformaçãodequaisquerobjetosnoespaço vizinho; então, de onde Theia teria vindo?Uma teoria é que Theia seformounospontosdeLagrangeL4ouL5–pontosgravitacionaisespecíficosnamesmaórbitaqueaTerra,mas60ºà frenteouatrásdoplanetagrande,ondeainfluênciadaTerraeraminimizada.Aqui,Theiapodetercrescidocercade10%damassadaTerraantesquesuaórbitaestávelacabassesendointerrompidaeelacaíssenumarotadecolisãoinevitável.Issopoderiaexplicarasimilaridadeentreas matérias-primas nos dois mundos (embora alguns duvidem que até essaexplicaçãosejasuficiente).Emais,comoosdoismundosestavamsemovendoemórbitasmuitosemelhantes,aenergiadacolisãoteriasidomuitomenor,talvezexplicandoasobrevivênciadoselementosvoláteisremanescentesnaLuahoje.

Uma simulação por computadormostra a formação de uma proto-Lua poucashoras depois da colisão entre um planeta do tamanho deMarte e uma jovemTerracomaproximadamente90%desuamassaatual.

Perguntas importantes Os cientistas planetários aceitaram amplamente ahipótese do impacto gigante a partir dos anos 1980. Acha-se que a colisãoocorreu por volta de 4,45 bilhões de anos atrás, com a Lua aglutinando-serapidamenteemquestãodehorasapósacolisão.Oplanetaimpactanterecebeu

atéumnomenãooficial,Theia,emhomenagemàmãedadeusadaLua,Selene,namitologiagrega.Entretanto,aindaháperguntassignificativassemrespostas.Umestudomaisminuciosodasamostrasderochaslunaresmostrouqueelasnãosãoassimtãodesprovidasdesubstânciasvoláteiscomodeveriamserdepoisdeumacolisãotãoviolenta.Defato,parecequeastemperaturasnãosubiramacimade 950ºC. Enquanto isso, amistura de isótopos (átomos domesmo elemento,mas com pesos diferentes, cuja abundância relativa é um indicadorextremamente sensível da proveniência de matérias-primas na nebulosa solar)mostrou uma equiparação extremamente próxima à da Terra – tão próxima apontodesugerirquenãohouvequalquercontribuiçãodeTheia.

“TheiaestavacompletamentemisturadatantonaTerracomonaLua,eigualmentedispersaentreelas.”EdwardYoung

Comoobjetivodeabordaressesproblemas,foramapresentadasdiversasteorias,sendotalvezamaisradicalaqueenvolveaTerraeaLuaaglutinando-seapartirdeumacolisãoinicialentredoiscorposmuitomaiores,cadaumcercade5vezesotamanhodeMarte.Enquantoisso,em2016,umaequipelideradaporEdwardYoung, da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, apresentou novasevidências,apartirdecomparaçõesquímicas,dequeTheiaeaTerracolidiramdefrente,numacolisãoquemisturoumuitobemseusmateriais.ParececlaroqueaorigemdaLua–etalvezdaprópriaTerra–foimaisconfusaemaiscomplexadoqueasimpleshipótesedoimpactogigantescopoderiasugerir.

A ideia condensada: Nosso satélitenasceudeumacolisãointerplanetária07ÁguaemMarteUma série de descobertas transformou nosso conhecimento arespeito do famoso Planeta Vermelho, Marte. Durante muitotempovistocomoumdesertofrioeárido,agoraparececlaroquehá água logo abaixo de sua superfície, não apenas como geloabundante,mastambémnaformalíquida.Emais,épossívelqueaáguaacabesetornandomuitomaisdisseminada.

Astrônomos têm ficado fascinados pela possibilidade de água fluindo nasuperfíciedeMartedesdequeoitalianoGiovanniSchiaparellirelatoutervistocanais estreitos (canali) unindo as áreasmais escuras da superfície, em 1877.Mal interpretados como canais artificiais no mundo de língua inglesa, canaissemelhantesforamrelatadospormuitosoutrosobservadoresedespertaramumaondadeespeculaçãosobreapossibilidadedevidainteligenteemMarte.Mesmoquando observações e experimentações melhoradas, no início dos anos 1900,mostraramqueoscanaisnãopassavamdeumailusãodeótica,aideiadeMartecomo um mundo aquecido, com uma atmosfera razoavelmente densa e águasuperficial,persistiuporgrandepartedoséculoXX.Sóemmeadosdosanos1960,

quando as sondas espaciais Mariner, da NASA, passaram pelo planeta é que averdadefoirevelada:aatmosferaesparsadeMartepareciaterfeitocomqueelenãofossemaisdoqueummundofrio,parecidocomaLua,cheiodecrateraseinfindávelpoeiravermelha.

Umpassadomolhado–eopresente?Entretanto,depoisdabaixanofinaldosanos1960,missõessucessivasaoPlanetaVermelhooviramrecuperarpartedeseu glamour antigo, revelando um número cada vez maior de característicasparecidascomasdaTerra.AMariner9,quechegouaMarteemnovembrode1971, iniciou essa tendência – embora tenha tido que esperar doismeses paraqueumaenormetempestadedepoeiraqueseabateusobreoplaneta inteirosedissipasse,antesquepudessecomeçarseuprimeiromapeamentoapartirdesuaórbita. Mais famosa por identificar os enormes vulcões marcianos e o vastocâniondoVallesMarineris,reveloutambémgrandepartedasuperfíciemarcianacomumnúmeromuitomenordecraterasemostrousinaisdepossívelaçãodaáguanopassadodistante.Entre essesestavamvales sinuosos,parecendovalesderiosnaTerra,escablands(planaltosrochosos,semterra,cruzadosporcursosdeáguasecos)achatados,aparentementecriadosduranteenchentescatastróficas.

Parece que Marte realmente teve água em determinada época, mas e agora?Embora as Viking em órbita emmeados dos anos 1970 tivessem amparado aevidênciadeumpassadomarcianocomágua,esuascompanheiraspousadasnasuperfícieencontraramsinaisdequeasrochassuperficiaistinhamsidoexpostasà umidade, ou até mesmo ficado submersas, no passado distante, há poucaevidência de água sobrevivente até o presente, exceto, talvez, profundamentecongeladanascalotasmarcianasdegelo.

“Hoje há água líquida na superfície de Marte.” MichaelMayer,NASA,2015

Essaimagemcomeçouamudarrapidamenteapartirdofinaldosanos1990.OMarsGlobalSurveyor–MGS(PesquisadorGlobaldeMarte),umsatéliteemórbitacapazdefotografaroplanetaemmuitomaisdetalhesdoqueasViking,detectousinaisdegelonosubsoloemlatitudesmaisbaixas,longedascalotaspolares,eem2002,asondaMarsOdysseydaNASArevelouevidênciadeenormesdepósitosdegelonosolodeMarte.Tantoqueemlatitudesacimade55ºemcadahemisférioacha-seque1quilodesolocontémcercade500gramasdeágua.Em2008,asondaPhoenixdaNASApousoupróximaàcalotapolarnorteeconfirmouapresençadegelonosolo.

MasseráquehojefluiáguanasuperfíciedeMarte?Parecepoucoprovável–aomesmotempoqueasuperfíciedeMartepodealcançartemperaturasdeaté20ºC,elas se mantêm principalmente abaixo de zero, ao passo que uma atmosferatênue de dióxido de carbono, exercendo apenas 1% de pressão atmosféricaterrestre,fariacomquequalqueráguaexpostaseevaporasserapidamente.

SulcosmisteriososUmadescobertaimportantedoMarsGlobalSurveyorabriuo debate mais uma vez: fotografias de novos aspectos, parecidos com sulcoscavados por água nas encostas de um vale chamado Gorgonum Chaos, naslatitudes do centro-sul do planeta. Aparentemente originados de uma camadalogoabaixodasuperfície,muitospensavamsenãoseriamsinaisdeágualíquidaminandodeumaquíferoenterradoeesculpindoumcanalatravésdapoeiradasuperfície,antesdeevaporar.CaracterísticassemelhantesnaTerraeramtrabalhode fluxo de água, mas vozes mais cuidadosas apresentaram outras causaspotenciais,comoaevaporaçãoexplosivadegelodedióxidodecarbonoexpostoemumacamadasubterrânea.

CiclosmarcianosdeMilankovitchNoiníciodosanos1920,ocientistasérvioMilutinMilankovitchapresentouumapropostanotávelparaajudarnaexplicaçãodosciclosclimáticosdelongotermoduranteamaisrecenteEraGlacialdaTerra.Elesugeriuqueaquantidadedeluzsolarque aqueceonossoplaneta é alteradade forma lentamas significativa àmedida que diversos parâmetros orbitais da Terra variam ao longo do tempo,devido à influência de outros planetas. Agora, cientistas planetários estãocomeçando a pensar se ciclos deMilankovitch semelhantes não poderiam serresponsáveis por mudanças de longo prazo no clima deMarte. As mudançasespecíficasemquestãosão:

Umavariaçãode124milanosna inclinaçãodoplanetaentreângulosde15ºe35º,afetandoaintensidadedasestações.

Umaoscilaçãode175milanos,ou“precessão”nadireçãodoeixoinclinadodoplaneta,alterandooquantocadahemisférioéafetadopormudançassazonais.

Ciclosde100mile2,2milhõesdeanosnaexcentricidadedaórbitadeMarte,que vai de um círculo quase perfeito para uma elipse marcante, tendendo aexagerarouabafaroefeitodasestações.

Astrônomos que estudam as camadas anuais de gelo das calotas polaresmarcianasachamqueencontraramsinaisdevariaçãoquepoderiamoferecerumaboacombinaçãocomalgunsdessesciclos.

O mistério se intensificou em 2006, quando o recémchegado MarsReconnaissanceOrbiter(MRO)daNASAdescobriusulcosemáreasquenãotinhamtaiscaracterísticas nas imagens do MGSfeitas poucos anos antes. Claramente, aformação de sulcos é um processo ativo e contínuo. Os novos sulcos foramformados em latitudes semelhantes ao Gorgonun Chaos, principalmente emencostas íngremes voltadas para o sul. Uma teoria é que a neve tende a seacumular em tais áreas (que recebempouco sol no inverno) e os sulcos sãooresultadodeumdesgelodeprimavera.Provasdefinitivasdequeossulcossãoformadosporáguapermanecemimprecisas,masfocarnaslatitudesmédiasemqueelesestãoconcentradosrendeuresultadosmaisconclusivos.Em2011,a NASA

anunciou a descoberta de linhas de inclinação recorrentes (RSLS) emmuitos dosmesmoslocais–longasriscasescurasquedescemasinclinaçõescomoparedes

de craterasduranteoverãomarciano edesaparecemno inverno.Emcontrastecomossulcos,asRSLSseconcentramnasinclinaçõesvoltadasparaoequador,querecebem amaior parte da luz do Sol durante o ano e são relativamentemaisaquecidas,comtemperaturasemtornode-23ºC.

Aquecimentoglobal?EvidênciasrecentesfornecidasporsondasespaciaissugeremqueMartepoderiaestarpassandodecondiçõesfriasesecasparaoutrasmaisquenteseúmidasbemdebaixo do nosso nariz. Comparações entre temperaturas médias globaismedidaspelosorbitadoresVikingdosanos1970easregistradasemmeadosdosanos2000mostramumaumentode0,5ºCaolongodetrêsdécadas,coincidindocomo encolhimento do gelo nas calotas polares (retratadas abaixo).Um fatorimportante é que esse aparente aquecimento global pode ser a liberação deenormes plumas de metano, descobertas em 2009 acima das áreas maisaquecidasdoplaneta,equeseacreditavaestaremescapandodegelosubterrâneoemprocessodederretimento.Emboradevidacurtanaatmosfera,ometanoéumpotentegásdeefeitoestufaepoderiaagirparaacelerarataxadeaquecimento.

EmborainicialmentesepensassequeasRSLSfossemprovocadasporáguasalobra(água comuma quantidade significativa de sal, que abaixa o ponto de fusão),elasnãosãosimplesmenteáreasúmidasnosolo.Aocontrário,parecemseráreasacidentadasquedealgummodosealisamedesaparecemduranteaestaçãofria.Prova decisiva de que a água é realmente a causa foi encontrada em 2015,quandoinstrumentosabordodoMROconfirmaramqueoespalhamentodaslinhaséacompanhadopelaformaçãodesaismineraishidratados.Onovoconsensoédequeaslinhassãocriadasporáguasalobraqueescorrelogoabaixodasuperfície,desarranjandoosolosoltoemcima.Marte,aoqueparece,nãoéodesertosecoqueachamospreviamente,eissolevantaquestõesintrigantesarespeitodevidamarciana(verpágina50).

Aideiacondensada:Martepodeserumdeserto,masnãoécompletamenteseco08GigantesdegásegeloÉrecenteadescobertafeitapelosastrônomosdequehádoistiposde planetas gigantes no sistema solar exterior – os enormesgigantes de gás, Júpiter e Saturno, com baixa densidade; e osgigantesmenores, Urano e Netuno,menos densos, de gelo.Mascomo,exatamente,essesmundosse formaram,eporqueosdoistipossãotãodiferentes?

Até os anos 1990, as expressões “gigante de gás” e “planeta gigante” eramsinônimos. Supunha-se que osmundosmaiores do sistema solar tinham todosuma estrutura semelhante, um núcleo sólido (talvez do tamanho da Terra)rodeadoporumaatmosferaprofunda,compostaprincipalmentepeloselementoshidrogênio e hélio, de baixo peso. As cores distintas vistas nas atmosferassuperioresdosplanetasestavamligadasaquantidadesrelativamentepequenasdeoutroscompostosquímicos,enquantoamaisoumenos1.000quilômetrosabaixoda superfície visível, os elementos gasosos eram transformados por pressões

crescentesemumoceanodehidrogêniolíquido.

Descoberta dos gigantes de gelo A imagem começou a mudar quandopesquisadoresanalisaramdadosdaspassagensdasondaespacialVoyager2porUranoeNetuno(em1986e1989,respectivamente).Umapeçafundamentaldaevidência de uma grande diferença interna veio dos campos magnéticosexteriores dos planetas. Eles eram relativamente fracos, acentuadamenteinclinados em relação aos eixos de rotação e deslocados de seus centros. Emtotal contraste, os campos em torno de Júpiter e Saturno eram muito maispotentes, centrados dentro de cada planeta e intimamente alinhados com seuspolosderotação.

Omagnetismo de Júpiter e Saturno já poderia ser explicado por um efeito dedínamo,produzidoporumacamadafortementeagitadadehidrogêniometálicoemformalíquidaemtornodonúcleosólidodecadaplaneta.Sobtemperaturaepressãoextremas,asmoléculasnogásliquefeitosepartemeseseparamcriandoumoceanodeíonseletricamentecarregados.Ofatodeissonãoestarocorrendoem Urano e Netuno sugere que o hidrogênio líquido simplesmente não estápresenteemgrandesquantidadesemgrandesprofundezas.

“Nãoédesurpreenderquequímicacomoessaaconteçadentrodeplanetas,sóqueamaiorpartedaspessoasnãotratoudasreaçõesquímicasquepodemocorrer.”LauraRobinBenedetti

Ao contrário, os cientistas logo concluíram que os interiores dos gigantesexternoseramprovavelmentedominados,assimcomoumapartetãograndedosistema solar exterior, por água e outros gelos químicos voláteis. Camadasexternasricasemhidrogêniodãolugar,algunsmilharesdequilômetrosabaixo,auma manta de compostos relativamente pesados – predominantemente água,amôniaemetano.Dessemodo,emborahidrogênioehéliorespondampormaisde90%damassadeJúpitereSaturno,sócontribuemcomapenas20%damassadeUranoeNetuno.

Apesar do nome, no entanto, seria um erro pensar nos gigantes de gelo comobolascongeladasdematéria sólida.Nessecaso,geloéapenasumaabreviaçãopara uma mistura de compostos voláteis – água, metano e amônia unidos,formando um oceano líquido violentamente agitado embaixo da atmosfera dehidrogênio exterior. Acredita-se que correntes elétricas fracas nessa zona derevestimentosãoresponsáveispelocuriosomagnetismodoplaneta.

OrigensgigantescasAquestãodecomoessesestranhosmundosintermediáriosse formaram, no entanto, é um enigma para os cientistas planetários. Otradicionalmodelodeacreçãoparaaformaçãodeplanetas(verpágina18) temdificuldadesemexplicarqualquercoisaformadatãolonge,nosistemasolar(asórbitasdeUranoacercade19AUdoSol,Netunoacercade30AU).Umproblemaéqueosplanetesimais(opassointermediário,detamanhomédio,naformaçãodoplaneta), ao orbitarem tão longe do Sol, só precisariam de um pequeno chutegravitacionalparaseremcompletamenteejetadosparaforadosistemasolar.Defato, graças à gravidade de Júpiter e Saturno, em órbitas mais próximas ao

centro,elesteriamumaprobabilidademuitomaiordereceberessechutedoquedecolidireacresceremgrandesnúmeros.

Uma solução possível baseia-se na assim chamada instabilidade de disco, ummodelo no qual os planetas gigantes não crescem pelo acúmulo, mas aocontrário,colapsammuitorepentinamenteporcausaderedemoinhosdegrandeescala na nebulosa solar.Desse jeito, argumentam os proponentes domodelo,um planeta poderia se aglutinar em parcos mil anos. A alternativa é que osgigantes todos se formaramemcondiçõesmenosperigosas,mais próximos aoSol, mas Urano e Netuno mais tarde passaram por um período de mudançaorbital que fez com que fossem desviados para suas órbitas atuais (a base doModelodeNicedemigraçãoplanetária–verpágina22).Nessasituação,novosmodelos mostram que seus núcleos poderiam ter sido formados bemrapidamente pormeio da acreçãode seixos (ver página21), fazendo com queadquirissemgravidadesuficienteparaatrairgásdeseusarredoresduranteos10milhõesdeanos,maisoumenos,antesdeseremcompletamenteassopradospelaradiaçãovindadoSolemprocessodeaumentodebrilho.

Nenhummodelo,noentanto,ofereceumaboaexplicaçãoparaosmotivospelosquaisosgigantesdegásedegelotinhamdesertãodiferentes.Foramsugeridosdiversosmecanismos:por exemplo, omodeloda instabilidadededisco afirmaque os planetas gigantes todos começaram a vida muito maiores, antes deperderemamaiorpartedeseusenvelopesatmosféricossoboataquederadiaçãoultravioletaferozvindadeoutrasestrelasnasimediações(umprocessochamadode fotoevaporação que tem sido visto em torno das estrelas recém-nascidasatuais – ver página 88).Quantomaismaciços Júpiter e Saturno fossem,maiscapazes seriam de suportar essa prova, e portanto reter mais hidrogênio,enquantoqueUranoeNetunoforamdesnudadosdamaiorpartedessaatmosfera.

Trabalhosrecentessobreacreçãodeseixosfornecemoutrapossibilidade,naqualumapequenavariação inicialentreosnúcleosdeplanetasemcrescimentocriauma grande diferença entre os eventuais planetas. Esse modelo de “massainicial” sugere que o crescimento rápido dos núcleos planetários a partir deseixos na escala de centímetros gera calor que não deixa o gás desabar paradentrodonúcleo.Seelealcançardeterminadamassa,noentanto,agravidadedonúcleo esculpe uma falha no disco de seixos em órbita, cortando seu própriosuprimentodealimentação.Àmedidaqueonúcleoagoracomeçaaesfriar,elerapidamenteacumulagásdeseusarredores,crescendoatéformarumgigantedegás.Osgigantesdegelo,enquantoisso,sãoplanetascujosnúcleos,formadossó

ligeiramentemaisadiantenanebulosa,nuncaatingiramolimiar,ouoatingiramtarde demais para se agarrar muito à grande parte do hidrogênio em rápidodesaparecimentodo sistema solar bebê.Eles, portanto, retêmumacomposiçãoquedevemuitoaosseixosdegelooriginaisdanebulosasolarexterior.

Chuvasdediamantes?Uma das teorias mais notáveis que emergiram de estudos recentes sobre aestruturadegigantesdegásedegeloéqueosdoistiposdeplanetapodemcriarchuvasdecarbonocristalino(diamantes),dentrodesuasprofundezas.Em1999,uma equipe de pesquisadores da Universidade da Califórnia, em Berkeley,comprimiumetanolíquido,encontradoemgrandesquantidadesdentrotantodeUranoquantodeNetuno,amaisde100milvezesapressãoatmosféricaterrestreenquantoaomesmotempooaqueciamacercade2.500ºC.Oresultadofoiumapoeiradepartículasmicroscópicasdediamantes suspensasemumamisturadehidrocarbonetos químicos oleosos. Como as condições dentro dos gigantes degelo não se aquecem o suficiente para fundir diamantes, quaisquer partículasproduzidas seriam lentamente peneiradas pelas camadas internas líquidas dosplanetasparasedepositarememseunúcleosólido.

Em2013, cientistas doLaboratório dePropulsão a Jato da NASA calcularamquepoderia haver acontecimento ainda mais impressionante nas atmosferas dosgigantes de gás maiores. Aqui, poderosos raios poderiam fazer com que ometanosedesintegrasseemfuligemdecarbononoaltodaatmosferae,àmedidaqueafuligemfossecaindo,aospoucoselapoderiasercomprimidaparaformardiamantesdotamanhodapontadeumdedo.Aocontráriodosgigantesdegelo,no entanto, esses diamantes não sobreviveriam à descida através do planeta.Abaixodeprofundidadesdecercade30milquilômetros,astemperaturasficamtãoextremasqueelesderreteriam,talvezatéformandoumacamadadecarbonolíquidocomdiamondbergs(icebergsdediamante)degeloflutuandonela.

Aideiacondensada:Planetasgigantesdegás e de gelo têm composições muitodiferentes09LuasoceânicasCadaumdosplanetasgigantesnosistemasolarexteriortememórbita uma grande família de satélites de gelo, muitos delesformados ao mesmo tempo e com o mesmo material que ospróprios planetas.Mas há evidências crescentes de que diversasdessas luasnãosãotãocongeladascomoparecemseràprimeiravista.

As luas maiores no sistema solar exterior foram descobertas logo depois dainvençãodotelescópio,noiníciodoséculoXVII–os4grandessatélitesemtornodeJúpiterem1610ealuagigantedeSaturno,Titã,em1655.Desdeentão,muitasoutrasluasforamencontradasemtornodessesdoisplanetas,eUranoeNetunotambémprovaramtersuasprópriasfamíliasdesatélites.MasanaturezadessasluaspermaneceudesconhecidaatémeadosdoséculoXX,quandoaespectroscopia(ver página 62), usando telescópios avançados com base no solo, encontrouevidências de grandes quantidades de gelo de água em muitas de suassuperfícies.Como regra geral, o conteúdo rochoso de uma lua diminui com a

distância doSol,mas o gelo é um componente importante emquase todos osprincipais satélites. Isso é de se esperar, já que todos essesmundos nasceramalémda linha de neve no sistema solar inicial, emuma região emque o gelodominavaasmatérias-primasdeformaçãodeplanetas.

Teorias iniciaisEm1971, poucos anos antes de as primeiras sondas espaciaischegarem a Júpiter, o cientista planetário dos EstadosUnidos, John S. Lewis,publicouaprimeiraanálisedetalhadadoquepoderiamesperarencontrarentreasluas jovianas. Ele argumentou que a lenta decadência de materiais, como ourânio radioativo, dentro do componente rochoso dessas luas poderia gerarquantidades significativas de calor – talvez o suficiente para fundir omaterialgeladoemtornodeumnúcleorochosoecriarumoceanoglobalcobertoporumacrosta congelada. A ideia começou a ganhar popularidade quando imagensvindasdosPioneers 10 e 11 confirmaramque as 3 grandes luas exteriores deJúpiter–Europa,GanímedeseCalisto–compartilhavamumaaparênciageladageral(emborahouvessediferençasnotáveis).Entretanto,a luamais interna,Io,parecia completamente diferente, sem qualquer sinal de água em suacomposição. Io apresentou um problema evidente e foram apontadas diversasexplicaçõesparasuaimpressionantediferençaduranteosanos1970.

Então,em1979,poucosdiasantesdapassagemdasondaVoyager1porJúpiter–queforaplanejadaparaincluirpassagensmuitomaispróximasdasluasjovianas–apareceuumanovaexplicaçãoousadaparaasdiferenças.StantonJ.Peale,daUniversidade da Califórnia, em Santa Barbara, argumentou com dois colegasbaseadosnaNASAqueafortegravidadedeJúpiterexerceumefeitodeaquecimentopormarés sobre seus satélitesmais internos.Embora suasórbitas sejamquasecirculares, ligeirasdiferençasnasdistânciasfazemcomqueoformatodas luasinteriores(notavelmenteIoeEuropa)securvecomcadaórbita.Issogeraatritodentrodesuasrochaseasaquecemuitomaisdoquesóodecaimentoradioativopoderiafazer.

“Nãoédesurpreenderquequímicacomoessaaconteçadentrodeplanetas,sóqueamaiorpartedaspessoasnãotratoudasreaçõesquímicas que podem ocorrer.” Arthur C. Clarke, 2010: UmaodisseianoespaçoII

Mais importante, Peale sugeriu que Io deveria mostrar sinais de atividadevulcânica em sua superfície, uma previsão que nasceu quando o Voyager 1

enviou fotosde fluxosde lava eumaenormeplumade compostosde enxofrederretidosemerupçãonoespaçoacimadaLua.PareciaclaroquequalqueráguaqueIopudessealgumaveztercontidojátinhaevaporadohámuitotempo.

ÁguaemJúpiter A descoberta de forte aquecimento pormarés revolucionouideias acerca dos ambientes no sistema solar exterior, com implicaçõessignificativas para a Europa. Imagens da Voyager confirmaram a presença deuma grossa crosta de gelo, mas mostraram também que a superfície estavaclaramente sendo renovada e rearranjada em uma curta escala de tempo (emtermos geológicos). A crosta de Europa, manchada com impurezasaparentemente borbulhando de baixo, parecia mais como um pacote de gelocomprimidodoquecomumaconchaglaciallisa.Amelhorexplicaçãoparaessascaracterísticaséqueerupçõesvulcânicasabaixodacrostaliberamcalor,criandoumoceanoglobaldeágualíquida,sobreoqualacrostasólidalentamentemudaeseagita.

Umadascaracterísticasfundamentaisdomodelodeaquecimentopormarés,noentanto,équeseuefeitodiminuirapidamentecomadistânciadoplanetagenitor,demodoquepareceupoucoprovávelqueafetasseGanímedesouCalisto,maisdistantes. De fato, imagens da Voyager sugeriram que Ganímedes pode terpassadoporumafase igualaEuropaemsuahistória inicial,antesdecongelaratéficarsólida,enquantoointeriordeCalistoprovavelmentenuncasederreteutotalmente. Foi, portanto, uma surpresa quando a missão Galileu a Júpiterencontrou evidênciamagnética de oceanos abaixo da superfície nas duas luas(verboxeabaixo).

DescobertasaindamaisassombrosasesperavamanaveespacialCassini,quandoelaentrounaórbitaemtornodeSaturnoem2004.Umdosprincipaisalvosdamissão era a lua gigante de Saturno, Titã, um mundo congelado no qual ometanoparecedesempenharumpapelsemelhanteaodaáguanaTerra.Mesmoassim,aLuapodeesconderummantoenterradodeáguaeamônialíquidasbemabaixodesuasuperfície(verboxenapágina41).

EvidênciamagnéticaFora procurar atividade superficial ou traços de água da história geológica, oscientistas planetários podem buscar diretamente oceanos subterrâneos peloestudodoscamposmagnéticosdasdiversasluas.Seumsatélitetemumacamadadematerial móvel, eletricamente condutivo abaixo de sua superfície, então, àmedida que ele se movimenta através do campo magnético de seu planetagenitor,movimentoschamadosdecorrentesdeFoucaultsãogeradosnacamadacondutiva. As correntes, por sua vez, criam um campo magnético induzidodistintoemtornodalua,quepodeserdetectadopormagnetômetroscarregadospor sondas espaciais de passagem. O campo induzido é bastante distinto dequalquercampomagnéticointrínseco,comoosdevidosaumnúcleodeferro,esua forma e intensidade podem revelar a profundidade e as propriedadeselétricas da camada condutiva. Foram encontrados campos induzidos, nãoapenas em torno de Europa e Encélado, mas também em torno dos maioressatélitesdeJúpiter,GanímedeseCalisto,edagrandeluadeSaturno,Titã,tudoissoindicandooceanossalgados,altamentecondutivosadiversasprofundidades.

AsplumasdeEncéladoOinesperadodestaquedamissãoCassini,noentanto,acabou sendo a pequena lua, Encélado. Com um diâmetro de apenas 504quilômetros, esse satélite tem uma das superfícies mais brilhantes no sistemasolar, e um punhado de fotos das sondas Voyager deram a aparência de umapaisagem coberta por neve fresca. Mesmo assim foi uma surpresa quando,durante uma das primeiras passagens, a Cassini voou direto através de umagrandeplumadecristaisdegelodeáguaemerupçãopertodopolosulda lua.Parte do conteúdo da pluma escapou para o espaço formando um leve anelexterior em torno de Saturno,mas amaior parte caiu de volta para o próprioEncélado.

Jáforamatualmenteidentificadasmaisde100plumasindividuais,amaiorparteemerupção ao longode característicasparecidas comcordilheiras, conhecidascomo listrasde tigre.Essas sãoáreas fracasdacrosta,nasquaisas rachaduraspermitem que a água salgada líquida embaixo ferva para o espaço.Mais umavez,oaquecimentoporforçademaréspareceseracausa;nessecaso,ocalorégerado porque a órbita de Encélado é impedida de se tornar perfeitamentecircularpelaatraçãodaluapróxima,Dione.EmcontrastecomascondiçõesdeEuropa,ascondiçõesnessa luaparecempermitiráguanotavelmentepróximaà

superfície,fazendocomqueEncéladosejaumdoslocaisnonossosistemasolarmaispromissorparaseprocurarvida.

CriovulcanismoEncélado e Europa podem ser os únicos mundos com aquecimento de maréssuficiente para fundir água pura, mas muitas das outras luas oceânicas nosistemasolarexteriorpodemdeverseusambienteslíquidosàpresençadeoutrassubstâncias químicas. É um fato conhecido que o sal nos oceanos da Terraabaixa o grau de congelamento para cerca de -2ºC e há boa evidência de quemuitosoceanossubterrâneosextraterrestressãotãosalgadosquantoosdaTerra.Entretanto,apresençadeamôniatemumefeitoaindamaisdramático,abaixandoopontodecongelamentoem10graus–osuficienteparaqueaáguapermaneçalíquidamesmocomaquecimentomaisfracodemaréseparasevaporizarnumtipodegêiser–comoasplumasvistasemEncélado.Emais,comoamisturadeágua e amônia permanece lamacenta durante uma gamamuitomais ampla detemperaturas,oscientistasplanetáriosachamqueelapodeterdesempenhadoumpapel semelhante ao do magma vulcânico na Terra, liberado por erupção defissurasedandonovasuperfícieaáreasdemuitasluas.EmmundoscomoTitã,Plutão e o satélite de Saturno, Titã, esse “criovulcanismo” gelado pode aindaestaracontecendohoje.

A ideia condensada: Diversas luas nosistemasolarexteriorescondemoceanosprofundos10Planetas-anõesApenas recentemente reconhecidos como uma classe distinta deobjetos, os planetas-anões do nosso sistema solar mostram-sealguns dosmais estimulantes e surpreendentes novos territóriosparaaexploraçãoplanetária.Doisemparticular–CeresePlutão–foramvisitadosporsondasespaciais.

Na época em que a União Astronômica Internacional tomou sua decisãohistóricadereclassificarosplanetas,em2006(verboxenapágina43),otítulorecém-cunhadodeplaneta-anãosófoiconcedidoa5objetos:Ceres(omembromaior do cinturão de asteroides) e 4Objetos doCinturão deKuiper – Plutão,Haumea, Makemake e Éris (em ordem crescente de distância do Sol).Esperanças de que outro asteroide, Vesta, com 525 quilômetros pudesse seenquadrar nosmesmos critérios foram eliminadas quandomedidas feitas pelaespaçonave Dawn sugeriram que ele não tem gravidade suficiente para setransformarnumaesfera(mesmodescontandoaenormecraterade impactoemseupolosul).Haumea,MakemakeeÉrisorbitamnasprofundezasdoCinturão

de Kuiper, tão longe que os telescópios só conseguem revelar alguns fatosbásicos a respeito deles. Por sorte, no entanto, os outros dois planetas-anõesforamagoravisitadosporsondas.

Omaior asteroide Ceres foi o primeiro asteroide a ser descoberto, ainda em1801,peloastrônomoitalianoGiuseppePiazzi.Emórbitaentre2,6e3,0AUdoSol,ele fica aproximadamente entre Marte e Júpiter no meio do cinturão deasteroides, e observações espectroscópicas feitas por telescópios baseados naTerranoséculoXXsugeriramqueacomposiçãodesuasuperfícieésemelhanteàde asteroides menores, tipo c. Esses objetos rochosos são ricos em mineraiscarbonados e acredita-se que representam material essencialmente inalteradodesdeosdiasiniciaisdosistemasolar.

Entretanto, observações recentes revelam um lado de Ceres mais complexo.Imagens feitas pelo Telescópio Espacial Hubble e pelo Telescópio Keckmostraram manchas escuras na superfície – acreditava-se corresponderem acraterasdeimpacto–eumaregiãosurpreendentementebrilhantecujanaturezasetornariaummistériopersistente.Em2014,comamissãoDawnjáemcursoentre Vesta e Ceres, astrônomos, usando o infravermelho do ObservatórioEspacialHerschel,descobriramqueumafinaatmosferadevapordeáguaestavasendo reposta por alguma forma de emissão da superfície – provavelmente asublimação de gelo congelado da superfície diretamente para gás. Quando amissão Dawn se aproximou de Ceres no começo de 2015, revelou o maiorasteroideemdetalhessemprecedentes.Suasuperfíciemostrou-serelativamentelisa, apresentando um número de crateras em baixo-relevo. Isso sugere queCeres temumacrostamacia, ricaemgelodeágua,quese“cede”ao longodotempoparaaplainarcaracterísticassuperficiaiselevadasouemdepressão.

Definiçãodosplanetas-anõesQuandoPlutãofoidescobertoem1930,elefoinaturalmentedesignadocomoonono planeta do sistema solar. Mas logo surgiram dúvidas a respeito de seustatus,eastrônomoscomeçaramasuspeitardequeeraapenasoprimeiroemumhipotéticocinturãodeobjetosalémdeNetuno.MesmodepoisdadescobertadosObjetos doCinturão deKuiper nos anos 1990, Plutão se agarrou a seu statusplanetário – até a descoberta por um objeto designado como 2003UB313, emjaneiro de 2005. Esse objeto, apelidado de Xena e mais tarde oficialmentebatizadodeÉris,tinhaumdiâmetroestimadodecercade200quilômetrosamaisdo que Plutão, e foi promovido por seus descobridores a décimo planeta nosistemasolar.

Entretanto, aUniãoAstronômica Internacional, responsável pela nomenclaturaastronômicaoficial,tinhaoutrasideias.Frenteàpossibilidadedemuitosmundossemelhantes estarem à espreita no sistema solar exterior, eles nomearam umpainel de astrônomos para apresentar uma definição oficial de planeta. Desdeagosto de 2006, portanto, um planeta tem sido definido como ummundo emuma órbita independente em torno do Sol, com gravidade suficiente para seestabelecer num formato de esfera e, além disso, liberar substancialmente suaórbitadecorposmenores.Anovacategoriadeplanetaanãoseaplicaaobjetosquepreenchemosdoisprimeiroscritérios,masnãooúltimo.

Dawn descobriu também numerosas manchas brilhantes dentro de algumascrateras, uma das quais parece estar associada a uma névoa intermitente queapareceacimadela.Análisesquímicasdasmanchasnosmesesapósachegadade Dawn sugeriram que elas podem ser algum tipo de depósito de sais, masaindanãosesabecomoelesseacumulam–umateoriaéquepoderiamtersidodepositadosporsalmouraminandoparaasuperfícieapartirdeumacamadadeágualíquidasubterrânea.

AsluasdePlutãoConsiderando-se seu tamanho pequeno, Plutão tem um sistema de luasnotavelmente complexo. A maior, Caronte, tem apenas um pouco mais dametadedodiâmetrodopróprioPlutão,eorbitaseuplanetaemapenas6,4dias.Forças de marés garantem que cada mundo mantenha a mesma facepermanentemente voltada para o outro. Quatro corpos menores, batizados deStyx,Nix,CérberoeHidra,orbitamligeiramentealémdeCaronte.

Esquerdaparaadireita:PlutãocomsuasluasCaronte,Nixe

Hidra,comovistaspeloTelescópioEspacialHubble.

Planeta rebaixado Embora Dawn conseguisse entrar na órbita em torno deCereseestudá-loduranteváriosmeses,amissãoNovosHorizontesaoplaneta-anãomaisdistante,Plutão, ficou limitadaaumaespetacularpassagememaltavelocidade,emjulhode2015.DadaagrandedistânciadePlutão,oúnicomodofactíveldealcançá-loemumespaçode tempo razoável (poucomenosdeumadécada)eralançarumamissãoleve,dealtavelocidade,numaviagemsemvolta.Havia uma pressão especial para se alcançar Plutão depressa, enquantopermanecia perto da beirada interior de sua órbita elíptica de 248 anos –especialistas suspeitavam que ele pudesse desenvolver uma tênue atmosferaenquanto estava mais próximo ao Sol, que iria se congelar rapidamente nasuperfícieàmedidaqueeleretrocedessedavizinhançadaórbitadeNetunoparaasprofundezasdoCinturãodeKuiper(verpágina46).

Estudosespectroscópicosnosanos1990játinhammostradoqueasuperfíciedePlutãoédominadaporhidrogêniocongeladoatemperaturasporvoltade-229ºCcomtraçosdemetanoemonóxidodecarbono.Apresençadeumaatmosferafoi

provadaaindaem1985(detectadapormeiodemudançasminúsculasnaluzdeestrelas distantes antes que passassem atrás do próprio Plutão),mas a pressãoatmosférica é pouco mais do que um milionésimo da pressão na Terra. Nãosurpreende,dadoqueaatmosferaéformadaporgelosuperficialsublimado,queelasejatambémdominadapornitrogênio.

TentativasiniciaisdemapearPlutãonosanos1990e2000usaramoTelescópioEspacialHubbleparamonitorarumasériedeeclipsesmútuosentrePlutãoesualua gigante, Caronte. Era impossível resolver diretamente características dasuperfície, mas as variações em brilho e cor provocadas quando cada mundobloqueavapartedaluzdooutrorevelaramfortescontrastesnobrilhoenomatizdasuperfície.Emparticular,grandesmanchasvermelhoescurasquesepensavamsercausadasportolinas–moléculascomplexasdehidrocarbonetosformadaspormetanonaatmosferafinaquesedepositadevoltanasuperfície.

AgrandesurpresadocontatodaNovosHorizontes foiavariedadede terrenosemPlutão–nãoapenasemcor,mastambémemsuageologiageral.EnquantoCeresérazoavelmenteuniformenaaparência,Plutãotemdiferençasmarcantesqueindicamumpassadogeológicoturbulentoetalvezumpresenteativo.Umaáreabrilhante,comformatodecoração,chamadadeTombaughRegio(apelidadade Coração de Plutão), tem uma superfície lisa com muito poucas crateras,sendo, portanto, considerada relativamente jovem (talvez com 100milhões deanos). Parece estar coberta por diversos quilômetros de gelo de nitrogênio emostracaracterísticasquesãoinequivocamenteaaçãodegeleiras.AmaisescuraCthulhuRegio,emcontrastemarcante,éacidentadaecommuitascrateras,alémdemarcarumadasmanchasdetolinaidentificadasnasimagensdoHubble.

“Este mundo está vivo. Tem condições meteorológicas, temneblinas na atmosfera, geologia ativa.” Alan Stern, principalpesquisadordaNovosHorizontes

Em outros lugares foram encontrados traços de possíveis erupções de gás,semelhantesaosgêiseresaolongodeumpardemontanhasespecialmentealtas(c.5 quilômetros) que devem ser formadas em grande parte por gelo de água.Covascentraisprofundas,oucalderas,sugeremqueessespicos,WrightMonsePiccardMons,sãocriovulcões(verpágina41).Seforconfirmado,elesserãodelongeosmaioresexemplosdescobertosatéagoranosistemasolarexterior.

A ideia condensada: Os pequenosmundos do sistema solar podem sersurpreendentementecomplexos11AsteroidesecometasGrossomodo, os corposmenores que orbitam entre os planetaspodem ser divididos pela composição em asteroides rochosos ecometasde gelo, emboraadistinçãonão sejaum tão semclara.Ou então podem ser classificados por suas regiões orbitais. Issodefine grupos de asteroides, centauros de gelo, cometas deperíodos longosecurtos,alémdoCinturãodeKuiperedodiscodisperso.

Depois da formaçãodo sistema solar, háuns4,6bilhõesde anos, quantidadessubstanciais de material foram deixadas em órbita, entre e além dos planetasprincipais.AinfluênciagravitacionaldeJúpiterimpôsumaparadarepentinaaocrescimento deMarte e drenou material de formação de planetas das regiõespróximasàsuaórbita(verpágina25).Comissosobrouapenasumparcoaneldedetritosrochososqueformaramoatualcinturãodeasteroides.

Em contraste, além da linha de neve onde o gelo consegue persistir contra aradiação solar, números enormes de pequenos cometas de gelo se aglutinaramem órbitas que percorriam entre os planetas gigantes. Os encontros eramcontínuos, alterando as órbitas dos planetas um pouco a cada vez, masmostrando-se muito mais traumáticos para os corpos menores. Cometas eramfrequentemente atirados na direção do Sol, ou ejetados para órbitas longas,lentas, de até um ano-luz de distância. Trilhões de cometas ainda hojepermanecemnessaregião,formandoaNuvemdeOortnolimitemaisdistantedainfluênciagravitacionaldoSol.

Finalmente, quandoUranoeNetunomudarampara sua configuraçãoatual, hácerca de 4 bilhões de anos, romperam muitos dos mundos anões de gelo detamanhomoderadoquehaviamseformadoemtornodabeiradadosistemasolar.Os membros mais distantes desse protoCinturão de Kuiper se mantiveramimperturbados e formam o que hoje é chamado de “clássico” Cinturão deKuiper,masseusprimosnadireçãodoSol foramemsuamaiorparteejetadosem órbitas acentuadamente inclinadas e altamente elípticas, formando o discodisperso.

AsteroidesemevoluçãoComoocinturãodeasteroidesé,dessasregiões,amaispróximadaTerra,eleétambémoúnicograndereservatóriodecorpospequenosa ser descoberto por acaso. Depois da descoberta de Urano em 1781, muitosastrônomospassaramaacreditaremumpadrãonuméricochamadoLeideBode,que parecia prever as órbitas de planetas, mas também um mundo“desaparecido”entreMarteeJúpiter.Em1801,oastrônomoitalianoGiuseppePiazzi descobriu o maior e mais brilhante asteroide, Ceres, orbitando nessaregião,elogoseseguirammuitosmais.

“Comoseumovimentoé tão lentoebastanteuniforme,ocorreu-me várias vezes que [Ceres] pode ser algo melhor do que umcometa.”GiuseppePiazzi

Em 1866 já se conheciam asteroides suficientes para que o astrônomo norte-americanoDanielKirkwood identificasseumnúmerode falhasno cinturãodeasteroides. Essas regiões vazias ocorrem porque as órbitas de quaisquerasteroides dentro delas faziam com que as rochas espaciais entrassem emrepetidosencontroscomJúpiter.Asteroidesquecaemaoacasoem taisórbitasressonantessãologochutadosparafora,paratrajetóriasmaiselípticas.Em1898,oprimeiro refugiadodessas regiões, umchamadoAsteroidePróximodaTerra

catalogadocomo433Eros,foidescobertopeloastrônomoalemãoGustavWitt.Atualmentesãoconhecidasdiversasclassesdessesobjetos,earelaçãodelescomaórbitadaTerraémonitoradadeperto,comoumaameaçapotencial.

Cometascomperíodos longosecurtos Interaçõesgravitacionais semelhantescomosplanetasgigantestambémajudamavigiaroscorposdegelonosistemasolar exterior.Cometas que caemna direção doSol durante as partes internasrelativamentebrevesdesuaslongasórbitaspodemterseustrajetosradicalmenteencurtadosporumencontrocomumplanetagigante (particularmente Júpiter),deixando-oscomumaórbitamedidaemdécadasouséculos,emvezdemilharesdeanos,eumafélio(pontomaisafastadodoSol)emalgumlugardoCinturãodeKuiper. Esses cometas de período curto tornam-se visitantes frequentes eprevisíveisnosistemasolarinterior.

AmostrasdosprimórdiosdosistemasolarOsasteroidessãoimportantesparanossacompreensãodosistemasolarporqueretêm fragmentos de sobras de materiais deixados depois de seu nascimento.Combaseemestudosespectraisdesua luz,visõesemclosedeencontroscomsondasespaciaiseestudosdemeteoritos(fragmentosdeasteroidesquecaemnaTerra),elessãodivididosemdiversosgruposgerais:

Osasteroidescarbonáceosdegrupo-ctêmsuperfíciesescurasesãoconsideradosricosemmatérias-primasinalteradas.

Oscorposcomsilicatosourochososdogrupo-smostramsuperfíciesqueforamalteradasquimicamenteportemperaturasmaisaltaseprocessosgeológicos.

Ogrupo-xconsistedeobjetosmetálicos(principalmenteferroeníquel).

Osgrupossexprovavelmenteseoriginaramemcorposrelativamentegrandesqueseaqueceramduranteaformaçãoecujosinteriores,portanto,separaram-sedeacordocomadensidade.Essesobjetosdepoissequebraramemcolisõesqueespalharam seus fragmentos pelo cinturão de asteroides (o cinturão ocupa umvolumevastonoespaço,mascontémdezenasdemilhõesdeobjetos,demodoqueascolisõessãofrequentes,emumaescalaastronômica).Váriasfamíliasdeasteroides,unidasporsemelhançasnacomposiçãoouórbita,podemtraçarsuasorigensdevoltaaesseseventos.

AproximidadecomoSolencurtadramaticamenteaexpectativadevidadeumcometa – cada passagem em torno do Sol queima mais uma porção de sualimitada superfície de gelo e arrisca um encontro com Júpiter, o que poderiaencurtar aindamais sua órbita. Alguns cometas acabam em órbitasmais paraasteroides, levando apenas alguns anos para orbitar o Sol e queimandorapidamente seu gelo remanescente até que se deterioram em cascas escuras,ressecadas,quesãoemgeralindistinguíveisdeasteroides.

Observadoresdeestrelastêmvistocometasdesdeasépocaspré-históricas,eelessãofacilmenteidentificados.Suaaparênciacaracterísticaquandoestãopróximosao Sol é uma atmosfera estendida, ou coma, em torno de um núcleo sólido,relativamentepequeno,eumacaudaquesempreapontanadireçãoopostaàdoSol. O cientista inglês Edmond Halley foi, sabidamente, a primeira pessoa a

calcular o períodoorbital deumcometa, em1705, percebendoqueos objetosvistosem1531,1607e1682eram,defato,omesmocorpoemumaórbitade76anos em torno do Sol. O objeto em questão é agora conhecido como cometaHalley.

OrigensdistantesAs conclusões finais a respeito das origens dos cometas sóforam esclarecidas emmeados do séculoXX. O astrônomo estoniano ErnsÖpiktinhalançadopelaprimeiravez,em1932,ahipótesedadistanteNuvemdeOortpara explicar o fato de que cometas de período longo se aproximam da parteinteriordosistemasolarvindosdetodasasdireções,edepoisapresentadapeloholandêsJanOort,em1950,comoummeiodeexplicarcomocometaspoderiamtersubsistidoduranteavidadosistemasolarsemqueimartodososseusgeloseseexaurirem.

OCinturãodeKuiper, emcontraste, foipropostoporvários astrônomoscomoconsequência da descoberta de Plutão, em 1930. O astrônomo holandês-americanoGerardKuiper passou a ser ligado a ele por um acidente histórico,depoisque escreveu, em1951,umartigopropondoque esse cinturãodeve terexistidonosdiasiniciaisdosistemasolar.AocontráriodaNuvemdeOort,quepode ser deduzida a partir de diversas linhas de evidência, a existência doCinturãodeKuipersófoiconfirmadadepoisqueoTelescópioEspacialHubbledescobriuo1992QB1,oprimeirodemuitosnovosobjetosqueforamdesdeentãoencontradosnaregiãoalémdeNetuno.

ComposiçãodocometaOfilósofoalemãoImmanuelKantfoioprimeiroasugerir,aindaem1755,queos cometas eram em grande parte feitos de gelo volátil. Em 1866, entretanto,Giovanni Schiaparelli ligou o aparecimento anual de chuvas de meteoros(estrelas cadentes) com a passagemdaTerra através de órbitas de cometas.Aideiadequecometasdeixamumrastrodedetritospoeirentoslevouaummodelopopulardenúcleosdecometascomorecifesdecascalhoflutuando,unidosporgelo.Nocomeçodosanos1950,noentanto,oastrônomonorte-americanoFredWhipple apresentou uma teoria de “bola de neve suja”, na qual o gelo é ocomponente dominante. Investigações com sondas espaciais mais tardeampararam os princípios básicos essenciais do modelo de Whipple, emborahouvesse variações significativas de um cometa para outro. Em geral, elesparecemserumamisturadepoeiracarbonácea(incluindosubstânciasquímicasrelativamente complexas) e gelos voláteis – não apenas gelo de água, mastambémmonóxidoedióxidodecarbono,metanoeamôniacongelados.

A ideia condensada: Cometas easteroides são os detritos do nossosistemasolar12Vidanosistemasolar?Será que formas de vida primitivas, ou até relativamenteavançadas,podemestaràesperadeseremdescobertasemmeioàmiríadedemundosdonossopróprio sistemasolar?Descobertasrecentes revelaramnãoapenasumavariedade surpreendentedehábitatspotencialmente viáveismas tambémque aprópria vidapodesermaisrobustadoquesepensavaantes.

Pessoas têmespeculado,desde temposantigos,sobreaperspectivadevidaemoutros mundos do nosso sistema solar, mas até o fim do século XIX, quando oreporte de Giovanni Schiaparelli sobre os canali marcianos (ver página 30)inspirou a primeira investigação científica sobre o assunto, a vida alienígenapermaneceu amplamente na província dos satiristas e contadores de histórias.TraçandoparaleloscomaTerra,muitosastrônomosficarambastantesatisfeitosemaceitarqueVênuspoderiaserummundoúmido,tropical,porbaixodesuas

nuvens,equeomaisfrioemaisáridoMarteeraaindacapazdesustentarvidavegetal primitiva, se não os inteligentes alienígenas supostos por PercivalLowell.

A partir do início do século XX, no entanto, as perspectivas de vida em outrosmundos sofreram uma série de retrocessos. Em 1926, o astrônomo norte-americanoWalterSydneyAdamsmostrouqueoxigênioevaporde águaeramquase inteiramente ausentes na atmosfera marciana, e em 1929 Bernard LyotobservouqueaatmosferaeradramaticamentemaisrarefeitadoqueadaTerra.Juntas, essas descobertas indicavamummundo extremamente seco no qual astemperaturasraramentesubiamacimadopontodecongelamento,epassagensdesondasespaciaisnosanos1960desfecharamumgolpemortalnasesperançasdevida em Marte. As primeiras sondas enviadas a Vênus mandaram de voltaresultados igualmente sombrios – a superfície era uma fornalha tóxica quedestruiu até landers (veículos espaciais que pousam em algum corpo celeste)pesadamenteprotegidosdentrodeminutos.

O renascimento subsequente da perspectiva de vida no sistema solar (e além)emergiu de duas correntes de descobertas separadas, sendo que ambasavançaramrapidamenteapartirdosanos1970.Noespaço,assondasenviadasaplanetas distantes confirmaram que diversos mundos inesperados abrigamgrandescorposdeágualíquida,epoderiamseradequadosàvida(sendoqueosmaisimportantesseriamasluasEuropaeEncélado–vercapítulo9),enquantoestudosmaisminuciosos deMartemostraram que ele pode não ser assim tãoáridocomosepensavaanteriormente(vercapítulo7).

VidanosextremosIgualmenteimportante,noentanto,sãodescobertasfeitasnaTerra,ondeumasériedeavançosderrubaramideias tradicionaisa respeitodascondiçõesnasquaisavidaconseguesobrevivereflorescer.Essascomeçaramem1977, quando oceanógrafos, usando o submersível Alvin, descobriram vidaabundanteemtornodeaberturasvulcânicasemmarprofundonochãodooceanoPacífico. Sem luz do sol para realizar a fotossíntese (em geral, a base dapirâmidealimentarnaterraenosoceanos),essesorganismosdesenvolveramumecossistemabaseadoemmicro-organismosquesedesenvolvememtemperaturaspróximasàfervuraedigeremcompostosvulcânicossulfurosos.Essasbactériasexistem nos intestinos de longos vermes em forma de tubos e acabamsustentandooutrascriaturas, inclusivepeixese crustáceosquehámuito tempoficaramisoladosnessesoásisaquecidosnasprofundezasfriasdooceano.

“Acho que vamos ter fortes indicações de vida além da Terradentro de uma década.” Ellen Stofan, cientista chefe daNASA,2015

Nofimdosanos1970,omicrobiologistanorte-americanoCarlWoeseinvestigouoDNAdosmicróbiosnasfonteshidrotermaisdasprofundidadesefezadescobertanotável de que não se tratam simplesmente de bactérias adaptadas, mas demembros de um reino de vida inteiramente diferente, conhecido agora comoArquea(Archaea).Diferenciadasporprocessosúnicosnometabolismodesuascélulas, as arqueas acabaram se revelando surpreendentemente difundidas emambientesquevãodeoceanosesolosaocólonhumano.Maisimportanteaindana busca por vida extraterrestre, arqueas extremófilas também prosperam emumagamadeambientesinóspitos– não apenas em altas e baixas temperaturas, mas também em outrosextremamenteáridos,salgados,ácidos,alcalinosecondiçõestóxicas.

As afinidades evolutivas das arqueas ainda não estão estabelecidas – elas têmcaracterísticas comuns com ummonte de outros reinos de vida principais: asbactérias e os eucariontesmulticelulares. Alguns especialistas acham que elaspodem ser as formas de vida mais antigas na Terra, o que aumenta aprobabilidade de que tenham se desenvolvido no que hoje poderia serconsideradoumambienteextremo.AatmosferadaTerracertamentepassouporgrandesmudanças antes de chegar à sua composição atual, algumas das quaisforam impulsionadas pelo aparecimento e a evolução da própria vida. É certoqueascondiçõesnasquaisosorganismosprimitivosevoluíramseriaminimigasdamaior parte davidahoje.Dopontodevista arqueano,nós é que somososextremófilos.

PanspermiaAideiadequeavidapossatersidosemeadadoespaçoéantiga,massetornoupopular no séculoXIX, uma vez que os cientistas reconheceram que havia umaquedaregulardematerialsobreaTerrasobaformademeteoritos.Em1834,oquímicosuecoJönsJacobBerzelius identificoucarbonoemummeteoritopelaprimeira vez, emais tarde cientistas observaram o que achavam ser traços debactéria fossilizada dentro de meteoritos carbonáceos. Em 1903, outro sueco,SvanteArrhenius, sugeriu que poderia havermicróbios flutuandopelo espaço,levadospelapressãodeluzdasestrelas.

Maisrecentemente,estudosdebactériasextremófilasearqueanasmostraramquemicróbios podem sobreviver no espaço (especialmente se seladas dentro demeteoritos)por tempos relativamente longos.Adescobertademeteoritos tantoda Lua como deMarte reacendeu o interesse pela ideia de que poderia havertransferênciadevidaentreplanetasnosistemasolar.

AbuscaporvidaEmboraaschancesdequepossaterhavidoevoluçãodevidaemoutrosmundostenhamrecebidoumimpulsosignificativo,provarissoéumaoutraquestão.Atualmente,nossaexploraçãodeoutrosplanetasestá limitadaasondasrobóticas,eaidentificaçãodeassinaturasdevidapassadaoupresenteéuma tarefa tão especializada que poucasmissões foram, até agora, projetadascom esse objetivo; e a única lançada até agora, omódulo de pousoBeagle 2,tristemente fracassou durante seu pouso emMarte em 2003.Marte é o lugarmais acessível para se procurar vida, e aAgênciaEspacial Europeia voltará àlutaembrevenumamissão,chamadaExoMars,comumorbitadoreummódulode pouso com forcado duplo, projetado especificamente para procurar aschamadas bioassinaturas.A NASA, enquanto isso, está desenvolvendo ativamenteplanosparaumafuturamissãoEuropa,estudandotambémdiversosconceitosecomo focode interesse emEncélado.Asduas espaçonaves serãoorbitadores,mas no caso de Encélado pode ser que seja possível detectar diretamente asassinaturasdevidaemmaterialejetadopelasfamosasplumasdegelodalua.

Microfósseismarcianos?Em 1996, uma equipe da NASAchegou às manchetes com alegações de que ummeteorito deMarte, catalogado comoALH 84001, continha traços de antiga vidamarciana. Juntocommoléculasbiogênicas,quenaTerra seriamvistascomoaação de organismos vivos, a equipe encontrouminúsculas estruturas parecidascomvermes,parecendofósseis(imagemaolado).Apesardetodaaexcitaçãonaépoca,outroscientistaslogofizeramobjeções.Nãoapenasalgunsquestionaramse as moléculas biogênicas poderiam ter entrado no meteorito depois de suachegadanaTerra,masumaequipedemonstrou comoelespoderiam se formarsemanecessidadedevida.Osreferidosmicrofósseis,entretanto,sãomenoresdoquequalquermicro-organismoaceitonaTerra.Com tantasquestõesempauta,parece que a prova definitiva da vidamarciana vai ter que esperar por novasdescobertas.

Qualquerbusca robóticadevida fica inevitavelmente limitadaemextensão, secomparadaaoquepoderiaseralcançadoporgeólogosoubiólogoshumanos,demodo que o veredicto final sobre vida no sistema solar pode acabar tendo deesperarexploraçãotripulada.Aidentificaçãodemeteoritossabidoscomovindosde Marte (e potencialmente, de outros mundos) abre a possibilidade de umaresposta mais rápida, mas como mostra a controvérsia em relação aos“microfósseismarcianos”, tais evidências trazem complicações em si mesmas(verboxeacima).Realmente,ofatodequematerialpossasertransferidoentremundos levanta questões intrigantes a respeito das origens da vida no nossopróprioplaneta.

A ideia condensada: Existem hábitatsviáveis para vida em nossa soleiracósmica13NossoSol–umaestrelavistadepertoAestrelamaispróximaficaaapenas150milhõesdequilômetrosdaTerraedominaosistemasolar.AproximidadedoSolsignificaque podemos estudá-lo em detalhes e traçar processos quetambémacontecemnamaioriadasoutras estrelasque,deoutromodo,sãoimpossíveisdesever.

Odisconítido,incandescente,quedominaosnossoscéusduranteodia,pareceàprimeira vista ser o Sol inteiro.Mas até os primeiros astrônomos teriam vistoindícios de que esse não é o caso. Mais notavelmente, faixas de luzincandescentes, pálidas, mas extensas, são reveladas quando a Lua bloqueiaaquelediscofulguranteduranteumeclipsesolartotal.EssacamadaexteriordoSol é chamadacoroa, enquantoos arcosvermelhosecor-de-rosacomaparênciadechamas,quesecurvamlogoacimadodiscoescuroda Lua nos eclipses, são proeminências. Em torno de 1605, Johannes Keplersugeriu que a coroa era produzida por matéria rarefeita em torno do Sol,

refletindo fracamente sua luz, mas foi só em 1715 que Edmond HalleyargumentouqueoSoltinhasuaprópriaatmosfera.

ManchasdoSolEntretanto,foiadescobertadasmanchasescurasnodiscosolarporGalileu,em1612,quemudouparasemprenossacompreensãodaverdadeiranaturezadoSol.Asmanchas solaresmostraramqueoSolnãoeraumaesferaconstante,masumobjetofísicomutável,imperfeito.OmovimentodasmanchaspermitiuqueGalileumostrassequeoSolgiraemtornodeseueixoumavezacada25dias.

Nos anos 1760, o astrônomo escocês Alexander Wilson tinha feito umadescobertaquecolocouosastrônomosnumbecosemsaídaporquase1século.Seus estudos cuidadosos das manchas solares, à medida que elas ficavampróximasaolimbo(beiradavisível)doSol,mostravamqueelaseramdeprimidasemcomparaçãocomamaiorparteda superfícievisível. Issomais tarde levouWilliam Herschel, que era imensamente influente graças à sua descoberta deUranoeoutrosnumerososavanços,aconcluirqueasuperfíciebrilhantedoSolera, na verdade, uma camada de nuvens.Essas densas nuvens encobriamumasuperfície sólida muito mais fria, e Herschel especulou que poderia até serhabitada.Outroastrônomoalemão,JohannSchröter,cunhouotermo“fotosfera”paradescreveressasuperfícieincandescentevisível,eonomepegou.

“Umdosgrandesdesafiosnafísicasolaréentender,ebasicamenteprever,atividademagnéticasolar.”Dra.GiulianadeToma

Nosanos1870,entretanto,ateoriadeumSolsólidofoifinalmentedesacreditadapelo astrônomo amador inglês Richard Carrington. Por meio de medidascuidadosas, ele confirmou que as manchas solares giravam em velocidadesdiferentes em latitudes diferentes. Essa rotação diferencial, mais rápida noequador do que nos polos, demonstrava que o Sol era, na verdade, um corpofluido.

O ciclo solar A descoberta chave de que as manchas solares mudam em umcicloregularfoifeitaem1843,peloastrônomosuíçoHeinrichSchwabe,usandodezessete anos de registrosmeticulosamente acumulados.Manchas individuaisapareciam e morriam em uma questão de dias ou semanas, mas Schwabeidentificouumciclonosnúmerostotaisqueapareciamesumiamnoperíododecercade10anos.Hojeseconcordaqueesseciclosolar temumamédiade11anos.Em1858,Carringtontambémmostrouqueasmanchassolaresapareciam

maispróximasaoequadoràmedidaqueocicloprogredia.

OanoseguintetrouxeoprimeiroindíciodequeoseventosnoSolpoderiamterefeitos dramáticos na Terra, quando Carrington e outros monitoraram odesenvolvimentodeumpontobrilhantena fotosfera.Dentrodedias, o campomagnéticodaTerrafoiinterrompidoporumaenormetempestadegeomagnéticaqueafetoutudo,dasaurorasboreaisaosistemadetelégrafo.Essafoiaprimeiraexplosãosolar registrada–umaviolentaerupçãodematerial superquente logoacimada fotosfera – e estudos subsequentesmostraramque tais eventos estãoligadosaomesmociclodemanchassolares.ElasemanamtambémdasmesmasregiõesdoSol(verboxeacima).

CiclosemoutrasestrelasEmgeral,osciclosmagnéticosdeestrelasdistantes fazempoucadiferençaemsuaproduçãodeluzparaseremdetectáveisdaTerra,masháexceções.Estrelasvariáveis são pequenas e fracas anãs vermelhas quemesmo assim conseguemliberar explosõesmuitomais poderosas do que qualquer outra já vista do Sol(ver página 92). Diversas técnicas podem também ser usadas para medir otamanhoeaintensidadedegrandesmanchassolares(centenasdevezesmaioresdo que aquelas na superfície do Sol). A técnica mais simples é chamada deimagensporDopplereenvolvemedirligeirasvariaçõesnaliberaçãodeluzedecor durante sua rotação. Abordagens semelhantes nas estrelas binárias emeclipsantesouestrelas com trânsitode exoplanetas (verpáginas94-7) revelamvariaçõesnasuperfíciedeumaestrelaàmedidaqueavisãodepartesdiferentessãobloqueadas.

MétodosmaiscomplexospodemenvolverouoefeitoZeeman– uma modificação nas linhas de absorção no espectro de uma estrela (verpágina62)criadaporcamposmagnéticosintensos–,ou“arazãodeprofundidadedelinha”,umavariaçãonaintensidadedaslinhasque revelam diferenças de temperatura na superfície da estrela. Omonitoramentoprecisodeestrelascomgrandesmanchas revelouqueosciclosestelares são semelhantes aos do nosso Sol, mas alguns também sãocompletamentediferentes.Porexemplo,aclassedeestrelasvariáveisrsCanumVenaticorum temumciclo noqual a atividademudadeumhemisfério para ooutroedepoisretornanovamente.Uma explicação magnética Em 1908, o astrônomo norteamericano GeorgeElleryHaledescobriuqueasmanchassolaressãoregiõesdecamposmagnéticosintensos,eisso,juntoàdescobertadarotaçãodiferencialdeCarrington,provouserachaveparaaexplicaçãodociclosolar.OinteriorfluidodoSoléincapazdegerar um campo magnético permanente, mas uma camada interna de íons dehidrogêniocarregadoseletricamenteem rotaçãoproduzumcampo temporário.No início de um ciclo, o campo corre suavemente entre os polos norte e sulabaixo da superfície do Sol, mas cada rotação do Sol faz com que ele seenrosque em torno de seu equador. À medida que as linhas dos campos seembaralham,asalçasmagnéticascomeçamasairda fotosfera, criando regiõesdedensidademenorondeésuprimidoomecanismodeconvecçãodetransportede calor (ver página73).Como resultado, a temperatura emcada extremidade

dessasalçascoronaisficamaisbaixaeogásvisívelparecemaisescurodoqueseuentorno,formandoumamanchasolar.Inicialmente,asalçasmagnéticassãoempurradasparaforaemlatitudesrelativamentealtas,masociclocontinuaeocampose tornacadavezmaisembaralhado,onúmerodealçasaumentaeelassãogradualmentepuxadasnadireçãodoequador,coincidindocomumperíododemáximaatividadesolar.Onúmerodeexplosõessolarestemumpicomaisoumenosnessaaltura,disparadasquandoalçasdecamposmagnéticosentramemcurto-circuitopróximasàsuperfíciedoSolliberandoumaquantidadeenormedeenergia magnética que aquece o gás ao redor a temperaturas tremendas e oexplode pelo sistema solar, ainda levando junto um emaranhado de campomagnético.

Ocasionalmente,entretanto,àmedidaqueasmanchassolareschegammaispertodo equador, as polaridades opostas dos campos emaranhados começam a secancelar.As alças diminuememnúmero até que eventualmente todoo campomagnéticodoSoltenhaefetivamentedesaparecido.Depoisdeaproximadamente11 anos, issomarca o fim do ciclo visível damancha,mas é apenas o pontomédiodociclomagnético totaldoSol.Umnovocamposuaveé logorecriadoabaixodasuperfície,sóquedessavezsuapolaridadenorte-sulé revertida,eahistóriainteiraserepete.Sódepoisde22anoséqueoSolvoltaaoseuestadomagnéticooriginal.

No início de um ciclo solar [1] um campo magnético fraco corre abaixo dasuperfíciedoSoldeumpoloaoutro.Àmedidaqueocicloprogride,arotaçãodiferencialdoSolcomeçaaarrastarocampomagnéticoem

torno do equador [2]. À medida que o ciclo avança, o campo torna-se mais

emaranhado[3]easalçasmagnéticasformammanchaseexplosõessolares.

A ideia condensada: A variação domagnetismodoSolpodeproduzirefeitosespetaculares14MedindoasestrelasAtémesmoumolharfortuitoparaocéunoturnorevelavariaçãoentreasestrelas–maisnotavelmenteemrelaçãoabrilhoecor.Acompreensão de como essas diferenças na aparência refletemcaracterísticas físicas revela que as estrelas são ainda maisvariadasdoquesepoderiaimaginar.

As diferenças de brilho entre as estrelas são uma variação evidente que osastrônomostentaramcatalogaremedirdesdetemposprecoces.Porvoltadoano129 a.C. o astrônomo grego Hiparco separou as estrelas em 6 diferentesmagnitudes,Sirius,amaisbrilhante,comprimeiramagnitude,easmaispálidasaolhonunasextamagnitude.Achegadado telescópio imediatamente levouàdescoberta de inúmeras estrelas mais pálidas, e desse modo o sistema foiestendidoamagnitudesmaisdébeis,masfoisóem1856queNormanR.Pogson,doObservatórioMadras,agoraChennai,Índia,aplicouumrigorcientífico(verboxenapágina59).

Distância e luminosidade Será que diferenças na magnitude “aparente” deestrelas refletem variações em sua luminosidade inerente, em sua distância daTerra, ou uma mistura das duas coisas? William Herschel, em sua primeiratentativa paramapear aViaLáctea (ver página 138), erroneamente supôs quetodas as estrelas eram mais ou menos tão brilhantes umas quanto outras, demodoqueamagnitudeerauma indicaçãodaproximidadedaTerra.Aquestãopermaneceusemsoluçãoaté1838,quandooastrônomoalemãoFriedrichBesselmediu com sucesso a distância até uma das estrelas mais próximas, um parbinário chamado de 61Cygni, usando suamudança de paralaxe (ver boxe napágina 60): o resultado é que ela fica a aproximadamente 100 milhões demilhõesdequilômetrosdaTerra–umadistânciatãograndequeémaisfácilsereferir a ela de acordo com o tempo que sua luz leva para chegar até nós:portanto,10,3anos-luz.Aessadistância,asmagnitudesdesuasestrelas–5,2e6,05 – sugeriam que elas eram 1/6 e 1/11 tão luminosas quanto o Sol,respectivamente.

À medida que os avanços tecnológicos permitiam medidas diretas de maisdistâncias estelares, no final do séculoXIX, logo ficou claro que as estrelasvariavamextremamenteemtermosdebrilho.Sirius,porexemplo,ficananossasoleiracósmica,aapenas8,6anos-luzdedistância,eémaisoumenos25vezesmais luminosa do que o Sol. Calcula-se queCanopus, a segunda estrelamaisbrilhantenocéu,estáauns310anos-luzdedistância(muitolongeparasemedirusandoométododeBesselatérecentemente),edeve,portanto,seracimade15milvezesmaisluminosadoqueanossaprópriaestrela.

OsistemamodernodemagnitudeCom base em comparações cuidadosas entre as estrelas, o astrônomo doséculoXIX,NormanR. Pogson, calculou que uma estrela de primeiramagnitudeeracercade100vezesmaisbrilhantedoqueumadequintamagnitude,esugeriuapadronizaçãodessarelaçãodemodoquequalquerdiferençadeexatamente5magnitudes correspondesse a um fator de 100 na diferença em brilho (umadiferençademagnitudede1,0,portanto,correspondeaumadiferençadebrilhode 2,512 vezes, conhecida como a razão de Pogson). Pogson estabeleceu amagnitudedaestreladopolonortePolarisemexatamente2,0ecomoresultadoencontrou que a magnitude das estrelas mais brilhantes tinha sido empurradaparavaloresnegativos(demodoqueamagnitudedeSiriuséoficialmente-1,46). Depois da época de Pogson, astrônomos descobriram que Polaris eraligeiramentevariável,demodoqueopontomodernodereferênciaéabrilhanteestrelaVeja(AlfaLyrae),definidacomotendomagnitude0,0.

Mesmosemmedidasdiretasdedistância,noentanto,osastrônomospodemàsvezesadotarumatalhoparadeterminarluminosidadesestelaresrelativas.Issosebaseia na suposição de que as estrelas em clusters (aglomerados) compactos,comoasPlêiadesdoTouro(quesãoagrupadaspróximasdemaisparaquesejamum alinhamento estatístico eventual), estão todas efetivamente à mesmadistânciadonossosistemasolar.Diferençasemmagnitudesaparentes,portanto,refletemdiferençasemmagnitudes“absolutas”,ouluminosidade.Cor,temperaturaetamanhoMasaluminosidadenãoéahistóriatoda.Outraimportante propriedade estelar é a cor.Ocorre que as estrelas têm uma amplagamadetonalidades,dovermelhoelaranja,passandopeloamareloatéobrancoeoazul(embora,curiosamente,sóumaestrelanocéuégeralmenteconsideradacomosendoverde).Existeumelointuitivoentreessascoreseasemitidas,porexemplo, por umabarra de ferro aquecidanuma fornalha,mas a relação entretemperaturaecoresemgeralsófoiformalizadaporGustavKirchhoffem1869.Kirchhoff identificou uma curva de radiação característica que descreve aquantidadederadiaçãodediferentescomprimentosdeondaeascoresemitidaspor um corpo negro de uma dada temperatura (um corpo negro é um objetohipotético que absorve perfeitamente a luz,mas estrelasmostraram apresentarumcomportamentosemelhante).Eledescobriuquequantomaisquenteestiveroobjeto,maiscurtoéocomprimentodeondaemaisazula radiaçãogeral. Issosignificavaque,comodesenvolvimentodaespectroscopiaestelar,porvoltada

virada do séculoXX (ver página 62), ficou possível calcular a verdadeiratemperatura da superfície de uma estrela a partir de sua cor. Esse novoinstrumento foi surpreendentemente poderoso, já que permitiu aos astrônomospelaprimeiravezestimarotamanhodeestrelas.

OmétododeparalaxeAúnicamaneirademedirdireitoadistânciaatéumaestrelausaaparalaxe–odesvio na posição de um objeto próximo provocado quando o ponto deobservação do observador muda. Uma vez que se ficou sabendo que a Terraorbita em torno do Sol e a escala verdadeira do sistema solar foi avaliada, odesvio na posição da Terra de um lado de sua órbita para outro(aproximadamente300milhõesdequilômetros) proveuuma linhabásica idealparataismedidas,emboraapenasasestrelasmaispróximasmostrassemdesviode paralaxe suficiente para ser medido com a tecnologia do séculoXIX. Foramescolhidosalvospotenciaiscombaseemseusgrandesmovimentospróprios,oumovimentosatravésdocéu(verpágina67).Entretanto,muitosanosdeesforçosainda foram necessários para que Friedrich Bessel alcançasse sua medida deparalaxede61Cygni–ummero0,313segundodearco,ou1/11.500degrau.Hoje, satélites como oGaia, daAgência Espacial da Europa, conseguemedirângulos50milvezesmenoresdoqueisso.

Oprincípioportrásdessaestimativaérazoavelmentedireto.Primeiro,calculea

emissãodeenergianecessáriapara aquecer1metroquadradoda superfíciedaestrela à temperatura medida (usando uma equação simples chamada Lei deStefan-Boltzmann). Depois calcule a emissão total de energia da estrela, ouluminosidade(comparandosuadistânciaemagnitudeaparente).Asuperfíciedaestrelaéentãofacilmentecalculada,eela,porsuavez,dependedeseudiâmetro.

“Conseguir isso tem sido o objeto das mais altas aspirações detodos os astrônomos...” John Herschel, sobre as medidas deparalaxeestelardeBessel

Para dar um exemplo concreto, uma estrela amarela relativamente pequena,como o Sol, tem uma temperatura média de 5.800°C como resultado doaquecimento de sua superfície pela liberação de sua energia interna (de umaluminosidade solar).Emcontraste, a instável estrela amarelaRhoCassiopeiae,passa por fases emque temuma temperatura superficial semelhante à doSol,apesardeser incríveismeiomilhãodevezesmais luminosa(deduzidodeumadistância de cerca de 8.200 anos-luz e uma magnitude aparente de 6,2). Issosignificaqueseudiâmetrodevesercercade500vezesodoSol.Ela,defato,éuma supergigante amarela (ver Capítulo 29), uma estrela tão grande que,colocadanonossosistemasolar,seestenderiaalémdaórbitadeMarte.

PesandoestrelasUmapropriedadeestelar final é amassa,mascomosepodepesar uma estrela? Até recentemente, o único modo de medir diretamente asmassasestelarestinhasidocalculandoasórbitasdesistemasbinários(verpágina97). As estrelas nesses sistemas orbitam em torno de um centro de massacompartilhadochamadodebaricentro,adistânciasmédiasdeterminadasporsuasmassasrelativas(amaismassivaficamaispertodobaricentro).Dessemodo,omatemáticoeastrônomofrancêsFélixSavarycalculouaprimeiraórbitabináriaainda em 1827. Uma vez combinada com informações de bináriasespectroscópicasoumedidasdeparalaxe,épossívelencontrarparâmetrosmaisdetalhadosdasórbitasdedeterminadasbinárias.Então,podem-secalcularouasmassasexatasouolimitedemassasenvolvidas,masatéumconhecimentodasmassasrelativassemostrouvaliosoparaacompreensãodaevoluçãodasestrelas(verpágina78).

A ideiacondensada:Acoreobrilhodeuma estrela revelam sua distância etamanho15QuímicaestelarA espectroscopia é uma técnica para se descobrir a constituiçãoquímicademateriais apartirda luzque eles emitem.Temumavariedade enorme de aplicações em química e em física, mas éparticularmente importante para a astronomia, onde a luz deobjetosdistantesé,emgeral,onossoúnicomododeestudá-los.

Em1835, o filósofo francêsAugusteComte declarou que, quando se trata deestrelas,“nuncasaberemoscomoestudar,porquaisquermeios,suacomposiçãoquímica”. As décadas seguintes iriam provar que ele estava redondamenteenganado, mas parece injusto criticá-lo por falta de visão – muitos outrostambém desconsideraram evidências que tinham sido descobertas mais de 20anosantes.

De 1814 em diante, o ótico Joseph von Fraunhofer publicou detalhes dedescobertas com suas novas invenções óticas: o espectroscópio e a rede dedifração.Osdois instrumentospoderiamestudaro espectroda luzdo sol commuitomaiorprecisãodoquesimplesmentesepará-lacomumprismadevidro.Fraunhoferdescobriuqueoespectrosolar,longedeseroarco-íriscontínuoqueIsaacNewtontinhaidentificadomaisde1séculoantes,eranaverdadecrivadodelinhasestreitas,escuras,indicandoquecoresespecíficasdeluzestavamsendobloqueadas por substâncias desconhecidas. Fraunhofer mapeou cerca de 574linhasnoespectrosolar,eatéencontroulinhasescurasnosespectrosdeestrelasbrilhantes,comoSirius,BetelgeuseePólux.Alémdisso,mostrouquealgumaslinhasestelarescombinavamcomasdoSol,enquantooutraseramdiferentes.

ImpressõesdigitaiselementaresAorigemdaschamadaslinhasdeFraunhoferpermaneceram obscuras até 1859, quando os químicos alemães GustavKirchhoffeBunsenasligaramaátomosnaatmosferasolar.KirchhoffeBunsenestavam usando o espectroscópio para investigar as cores da luz produzidaquando diversas substâncias queimavam numa chama. Eles descobriram queessastendiamaserumamisturadealgumascoresespecíficas,ecadaelementoproduziaumaúnicalinhabrilhantenoespectro.Percebendoqueascoresdeluzemitida por substâncias incandescentes correspondiam a algumas das linhasescurasnoespectrosolar,elesinferiramqueelaseramcausadaspelaabsorçãodaluzpelosmesmoselementos.

A explicação completa para a origemdo que é agora chamadode espectro deabsorção e emissão teve de esperar até o início do séculoXX, quando o físicodinamarquês Niels Bohr descreveu como elas resultam da configuração departículas chamadas de elétrons em diferentes níveis de energia dentro de umátomo. Ao serem bombardeados por uma larga faixa de luz (um espectrocontínuo), como a emissão de corpo negro da superfície de uma estrela (verpágina60), os elétrons absorvemas frequências específicas que permitemquepulembrevementeparaníveisdeenergiamaisaltos.Comocadaelemento temumaconfiguraçãoeletrônicaúnica, issocriaumpadrãoespecíficode linhasdeabsorção.Osespectrosdeemissão, enquanto isso, sãocriadosquandoelétronsenergizados caem de volta a níveis de energia mais estáveis, mais baixos,livrando-se de seu excesso de energia como um pequeno pacote de luz (umfóton)comseuprópriocomprimentodeondaespecíficoe,portanto,cor.

NaesteiradadescobertadeKirchhoff eBunsen, os astrônomosolharamoutravezparaas linhasdeFraunhofereas ligaram,comsucesso,aelementoscomohidrogênio,oxigênio,sódioemagnésio,presentesnascamadasexternasdoSol.Em 1868, o astrônomo francês Jules Janssen e o britânico Norman Lockyer,independentemente, identificaramlinhasnoespectrosolarquenãoconseguiamligaraqualquerelementoconhecido.LockyerconcluiuqueoSolcontinhaumelementosignificativoatéagoradesconhecidonaTerra,eochamoudehélio,deHelios,odeusgregodoSol.ClassificaçãoespectralOutrosastrônomosfocaramnosespectrosdasestrelas,edoisdosmaisprodutivosforamWilliamHuggins,emLondres,eAngeloSecchi,em Roma. Secchi desenvolveu um sistema básico de classificação para osespectros, identificando 4 classes principais de estrelas: as que têm espectrossemelhantes ao do Sol; estrelas azulbrancas com espectros como o de Sirius;estrelas vermelhas com bandas largas de absorção como Betelgeuse; e aschamadas estrelas de carbono (também em geral vermelhas, mas com forteslinhasdeabsorçãodecarbono).

OefeitoDopplerApresençadelinhasdeabsorçãonaluzdasestrelasforneceumconjuntomuitoconveniente de marcadores para se medir seu movimento, graças ao efeitoDoppler. Esse é um desvio na frequência e no comprimento de ondas quechegamaumobservadorequedependedomovimentorelativodafontedaonda.FoipropostopelaprimeiravezpelofísicoaustríacoChristianDoppler,em1842,que esperavaque issopudesse explicar as diferentes cores da luzdas estrelas:luzes de estrelas que semoviam na nossa direção têm frequênciamais alta ecomprimentosdeondamaiscurtos,azulados,enquantoasluzesdeestrelasqueseafastamdenóstêmfrequênciamaisbaixa,comprimentosdeondamaioreseparecemavermelhadas.InfelizmenteparaDoppler,aaltavelocidadedaluzfazcomqueoefeito seja muitomais fraco do que ele antecipara (em praticamente todas ascircunstâncias, menos as mais extremas – ver página 162) – mas isso foiconfirmadoemondassonorasem1845.

O efeito Doppler não é a explicação para a cor das estrelas, mas “desviosvermelhos”e“desviosazuis”naslinhasdeabsorçãodesuasposiçõesesperadaspodemserusadosparamedircomprecisãoavelocidadedomovimentodeumobjeto vindo na direção ou se distanciando da Terra.WilliamHuggins estavaentreosprimeirosatentarissoparaasestrelas,masfoiAngeloSecchi,nosanos1870, que usou os desvios Doppler com sucesso nas linhas de absorção emdiferentespartesdoSolparademonstrarsuarotação.

Enquantoisso,Hugginsfoioprimeiroaperceberquealuzemitidapelosobjetosdifusosconhecidoscomonebulosasconsistiadeapenasalgumaslinhasprecisasde emissão, e corretamente concluiu que eram enormes nuvens de gásinterestelar quente, energizado. Huggins foi um pioneiro na astrofotografia epartiu para criar alguns dos primeiros catálogos fotográficos extensivos deespectrosestelares.Seutrabalho,noentanto,foieclipsadopelosesforços,emaistardelegados,deHenryDraper,ummédiconorteamericanoeastrônomoamadorque capturou as primeiras fotografias tanto dos espectros estelares comonebularesantesdesucumbiràpleurisiacomapenas45anos,em1882.Em1886,a viúva de Draper, Mary Anna, doou dinheiro e equipamentos para oObservatório do Harvard College para financiar o projeto astronômico maisambicioso da época: um catálogo fotográfico em grande escala de espectros

estelares.ConhecidocomooCatálogoHenryDraper,eledemorouquasequatrodécadasparasercompletado,eporfimdescreveuosespectrosdemaisde225milestrelas.

“O caminho está aberto para a determinação da composiçãoquímicadoSoledasestrelasfixas.”RobertBunsen

A força motriz por trás do catálogo foi o diretor do observatório, EdwardPickering, mas o grosso do trabalho foi feito por uma equipe de mulheres,conhecidas na história como as Computadoras de Harvard. A motivação dePickeringparacontratarumaequipedemulheresfoi,emparte,incentivadaporquestões orçamentárias: asmulheres trabalhariam por saláriosmais baixos doque os homens, de modo que ele teria recursos para uma equipe maior paraanalisar as enormes quantidades de dados gerados por esse levantamentofotográfico. Muitas em sua equipe, no entanto, provaram ter impressionantestalentoscientíficoseforamresponsáveispordiversasdescobertasimportantesnosentidodecompreenderaspropriedadesdasestrelas.

OgrossodotrabalhodecatalogaçãoinicialsobrouparaaprimeirarecrutadadePickering, suaantigaempregada,WilliaminaFleming,nascidanaEscócia.Elaestendeu o sistema de classificação de Secchi, atribuindo a cada estrela umasimplesletradeAaN,dependendodaintensidadedaslinhasdehidrogênioemseuespetro (O, P e Q eram aplicados a objetos com espectros pouco comuns). Essesistema,usadonoprimeiroCatálogoHenryDraper,publicadoem1890,sofreriagrandesmudançasantesdesetornaraclassificaçãoqueusamoshoje.

A ideia condensada: A luz das estrelastemasimpressõesdigitaisdacomposiçãoquímica16OdiagramadeHertzsprung-RussellTalvezadescobertamaisimportantenacompreensãodosciclosdevidadasestrelasocorreuquando,noiníciodoséculo XX,astrônomoscompararamostipos espectrais recém-catalogados com suas luminosidades. A resultantedemarcação das propriedades estelares, chamada de diagrama deHertzsprung-Russell(H-R),mudouaastronomiaparasempre.

Oprimeiro frutodoprojetodepesquisadeWilliamPickeringnoObservatóriodoHarvardCollege(verpágina65)foioCatálogoHenryDraperdosespectrosestelares, publicado em 1890. Compilado em sua maior parte porWilliaminaFleming,elecontinhaespectrosparaumas10.351estrelas.Enquantootrabalhocontinuava a acrescentar mais estrelas ao catálogo principal, Pickering e suaequipe de mulheres “computadoras” investigaram alguns espectros maisbrilhantesemmaiordetalhe.

Sistema de Maury Entre as mais talentosas das Computadoras de Harvardestava Antonia Maury, uma sobrinha de Henry Draper. Ela começou a notarcaracterísticas significativas nos espectros de estrelasmais brilhantes que não

tinhamsidopercebidasnasimplesclassificaçãoalfabéticadeFleming.Nãosóaslinhasespectraisvariavamdeestrelaparaestrela(indicandoelementosdiferentesem sua atmosfera), mas a intensidade e a largura das linhas variavam entreestrelas com químicas aparentemente idênticas. Acreditando que a largura dalinharepresentavaalgumacoisafundamentalarespeitodanaturezadasestrelas,Maurypropôsumareordenaçãodostiposespectraisquerefletisseaintensidadedeles. Pickering e Fleming, entretanto, acharam que o novo sistema declassificaçãoerademasiadamentecomplexoeMauryacabousaindodoprojeto.ApesardassolicitaçõesdePickering,noentanto,elaserecusouaabrirmãodeseutrabalhosobreaslargurasdaslinhasespectraiseinsistiunoreconhecimentooficial, quando seu catálogo de cerca de 600 estrelas foi finalmente publicadoem1897.

EmboraPickeringcontinuasseamenosprezaraimportânciadasideiasdeMaury,elas influenciaram sua sucessora. Annie Jump Cannon tinha entrado para ogrupodeHarvardparaestudarasestrelasdohemisfériosulqueestavamsendoacrescentadas ao catálogo.Ela introduziu seu próprio sistemade classificação,que combinava a simplicidade das letras de Fleming com a abordagem delarguradas linhasdeMaury.Deixarde foradiversas letrase reordená-laspararefletir cores espectrais de azul e vermelho resultou numa sequência de tiposespectraisO,B,

A,F,G,KeM.

OsespectrosformamachaveAlgunsanosmaistarde,omistériodasvariaçõesdelarguradelinhafoiadotadopeloastrônomodinamarquêsEjnarHertzsprung.Ele usou uma engenhosa regra prática para calcular a distância e, portanto, obrilho, de estrelas que não podiam ser medidas diretamente pelo método daparalaxe. Como regra geral, ele argumentou que as estrelas mais distantesexibiriammovimentosprópriosmenores(movimentosanuaispelocéu,causadospelo movimento relativo da estrela e do nosso sistema solar). O movimentopróprio poderia, portanto, ser usado como um substituto grosseiro para adistância – se duas estrelas mostrassem a mesma magnitude aparente,poderíamosadivinharqueaquelacomomenormovimentopróprioestariamaisdistantee,portanto,teriamaiorluminosidadeinerente.

“A classificação das estrelas ajudou materialmente em todos osestudosdaestruturadouniverso.”AnnieJumpCannon

Usandoessemétodo,Hertzsprung identificouumaampladivisãoentreestrelasdecoressemelhantes,separandogigantesluminosasdeanãsmaisnumerosas,emais pálidas, particularmente na extremidade mais fria do espectro. Eledescobriu que estrelas com linhas espectrais estreitas erammais luminosas doque aquelas com linhas mais largas, e amparou sua hipótese calculandolaboriosamente a distância até diversos grupos de estrelas. A razão para essadiferença na largura da linha acabou ficando aparente alguns anosmais tarde(verpágina121).

Em 1911, Hertzsprung publicou um mapa comparando as característicasespectraisdeestrelasnoaglomeradodasPlêiades(umrepresentantedarelaçãoentrea temperatura superficialeo tipoespectraldeAnnie JumpCannon)comsuas magnitudes aparentes (um reflexo de suas magnitudes absolutas, já quetodas as estrelas aglomeradas ficam à mesma distância). Emboranecessariamente limitado, porque as estrelas que representam são todasamplamente semelhantes, omapamostrouuma tendência inequívoca–quantomaisluminosaéumaestrela,maisquenteésuasuperfície.

ExpansãododiagramaAolongodos2anosseguintes,HenryNorrisRussell,trabalhando na Universidade de Princeton, desenvolveu o trabalho deHertzsprung comummapamuitomais ambiciosobaseadonamesma ideia.OdiagramadeRussellmostrouumagamamuitomaisampladeestrelas,inclusiveasdoaglomeradodeHyades(umgrupomaisantigoevariado),eaquelascujasluminosidadespodiamsercalculadasacuradamentepormedidasdeparalaxe.Odiagrama comparou o tipo espectral com a magnitude absoluta estimada,revelandopelaprimeiravezalgunspadrõesfundamentais.

Avastamaioriadasestrelasficanumafaixadiagonalquevaidefrioevermelhoaquenteeazul.Essabanda,previamenteidentificadaporHertzsprung,abrangiatodas as suas anãs e foi chamada de sequência principal. As gigantes esupergigantes,muitomenoscomuns,ficavamespalhadaspelotopodatabelaemtodas as cores e temperaturas, com uma forte concentração de vermelhasluminosasegiganteslaranjasemergindoemumramodasequênciaprincipal.

DistânciasediagramaH-RCom o estabelecimento do diagrama H-Rtornou possível obter uma ideiaaproximada da luminosidade intrínseca de uma estrela (e daí, sua distância)simplesmenteapartirdesuaspropriedadesespectrais.Masasequênciaprincipaleoutrasregiõespodemsertãolargasquederivaraluminosidadedeumaestrelaindividualmentesóporseutipoespectralenvolvecertograudeadivinhação.Porsorte,odiagramaH-Rtambémpermiteumamedidamuitomaisacuradadadistânciaem relação a aglomerados estelares – uma técnica chamada de ajuste dasequênciaprincipal.

Como todas as estrelas num dado aglomerado estão efetivamente à mesmadistância da Terra, diferenças em suas magnitudes aparentes são um reflexodiretodasdiferençasemsuasmagnitudesabsolutas.Issotornapossívelmapeá-las em um diagramaH-Rpara um aglomerado específico, que deveria mostrar amesma distribuição característica da sequência principal que a versãogeneralizada.Encontraradiferençaentrebrilhoobservadoebrilhointrínsecoéentãouma simplesquestãodecalcular a equivalência entreosdoisgráficose,comomuitasestrelasestãoenvolvidas,épossívelfazerissocomaltaprecisão.

É claro, como a maior parte das técnicas astronômicas, há alguns fatorescomplicando–porexemplo,aproporçãodeelementospesadosnasestrelasdeumaglomerado afeta, de algummodo, suadistribuição.Alémdisso, àmedidaqueumaglomeradoenvelhece, suasestrelasmaismassivascomeçamasairdasequência principal, de modo que é importante fixar as estrelas da sequênciaprincipalatualcomprecisãoeexcluiraserrantes.

OdiagramadeHertzsprung-Russellsemostrouimensamenteinfluente,eduranteasduasdécadasseguintesosastrônomoscontinuaramaaumentá-lo.Certostiposde estrelas variáveis (ver página 114) sempre caíram em áreas específicas domapa, ao mesmo tempo que foram descobertos novos tipos de estrelas quepreencheramasfalhas(verpágina126).Ofatodequeumnúmerogigantescodeestrelasestãonasequênciaprincipalmostrouqueéaíqueagrandemaioriadasestrelaspassaamaiorpartedesuasvidas.Aabordagemtodapoderiatambémserinvertida – a análise minuciosa do espectro de uma estrela isolada poderiarevelar seu lugar no diagrama, dando não apenas uma medida de seu tipoespectral e temperatura superficial,mas tambémuma ideia aproximadade sualuminosidadeintrínseca,eportantosuadistânciadaTerra.

A ideia condensada: A comparação dacor e do brilho revela os segredos dasestrelas17AestruturadasestrelasEntenderaestruturainternadasestrelaséachaveparaexplicaras diferenças entre elas. Entretanto, com o desenvolvimento dodiagrama de Hertzsprung-Russell no início do séculoXX, osastrofísicos começaram a avaliar adequadamente o quanto asestrelaspodemvariar.

ApesardasdescobertasnaespectroscopiaestelarporvoltadaviradadoséculoXX,eraespantosocomoosastrônomossabiampoucosobreacomposiçãointernadasestrelas. Eles supunham que as linhas espectrais explicavam apenas oscomponentes da atmosfera e a questão sobre o que fica abaixo da fotosferapermanecia sem resposta. Entretanto, o astrônomo inglês Arthur Eddingtonmostrou que era possível desenvolver um modelo sofisticado de interioresestelares sem referência aos elementos precisos presentes. Eddington tinhaganhado reputação internacional em 1919, quando apresentou uma provaexperimentalparaaTeoriadaRelatividadeGeraldeAlbertEinstein(verpágina193). Fora isso ele vinha investigando a estrutura das estrelas, e em 1926

publicouseu livro imensamente influente,The internalconstitutionofstars [Aconstituiçãointernadasestrelas].

CamadasequilibradasAabordagemdeEddington,combasenofatodequeatemperatura dentro do Sol era claramente quente o suficiente para derreterqualquer elemento conhecido, foi tratar o interior de uma estrela como umfluido,presoentreaatraçãodoladodedentrodagravidadeeaforçaexternadesuaprópriapressão.AstrônomoscomooalemãoKarlSchwarzschildjá tinhaminvestigadoessaideiausandomodelosquesupunhamqueapressãoparaforaeradevida inteiramente a fatores térmicos, mas tinham encontrado resultadoscontraditórios.Eddington,noentanto,achouque,alémdapressãoprovocadaporátomosquentes comquantidades imensasdeenergia cinética ricocheteandoaoredor, um efeito chamado pressão de radiação também tinha um papel adesempenhar. De acordo com sua teoria, a radiação estava sendo gerada nonúcleodaestrela(emvezdenatotalidadedesuasuperfície,comoamaiorpartedos astrônomos acreditava até então). Isso exercia por si só uma pressãosubstancial àmedida que seus fótons “ricocheteava” em partículas individuaisemdiferentesprofundidadesdentrodoSol.

“ÀprimeiravistapareceriaqueointeriorprofundodoSoledasestrelasémenosacessívela...investigaçãodoquequalqueroutraregiãodouniverso.”ArthurEddington

Eddingtonfoiobrigadoacalculargrandepartedesuateoriaapartirdeprimeirosprincípios,mas concluiu que as estrelas só poderiampermanecer estáveis se ageraçãodeenergiaocorresseinteiramentenonúcleo,atemperaturasdemilhõesde graus (até muito maior do que a superfície da estrela mais quente). Elemostrou que graças à diminuição de radiação a grandes distâncias do núcleo,qualquer camada arbitrária na estrela seriamantida em equilíbrio hidrostático.Emoutraspalavras, emcadapontoda estrela a radiaçãopara fora e apressãotérmicaeramonecessárioparacontrabalançaraforçaparadentrocausadapelagravidade.

A energia nas estrelas da sequência principal pode ser transportada do núcleoparaasuperfícieporconvecçãooupor radiação,masaprofundidadeeo localdasdiferenteszonasdetransportevariam,dependendodamassadaestrela.

Aestruturainternadeumaestrela,argumentouEddington,eragovernadapelasmudanças na opacidade de seus materiais. Outro astrônomo britânico, JamesJeans, tinha discutido que em temperaturas tão altas os átomos estariaminteiramenteionizados(destituídosdeseuselétronsereduzidosaomeronúcleoatômico),eEddingtonpercebeuquediferençasnograudeionização(emníveisdiferentes de temperatura e pressãodentro da estrela) afetariama condiçãodeopaco ou transparente do seu interior. A teoria dos interiores estelares deEddington mostrou-se bem-sucedida em predizer como as estrelas secomportariam: mais notavelmente, provia uma explicação para estrelas quepulsamemciclosperiódicos(verpágina114).

Descoberta do hidrogênio Deixar de lado a questão da química permitiu aEddington pensar a respeito da estrutura estelar em termos poderosamenteabstratos, mas esses detalhes seriam necessários para entender tanto como asestrelasbrilham,quantocomoelasevoluememudamdeestruturaaolongodotempo(verpáginas76e78).Porcoincidência,exatamentenamesmaépocaemqueEddingtonestavaescrevendoseulivroemCambridge,CeciliaPayneestavatrabalhandoemsua tesededoutoradoemHarvard.Lá,ela fezumadescobertafundamental, ligando a presença e a intensidade das linhas espectrais àtemperatura da fotosfera de uma estrela. Isso deu a chave para identificar acomposiçãoelementardoSol.

HeliosismologiaOmodomaisdiretodeestudaraestruturadoSoloudequalquerestrelaéusarasondas sonoras que passam constantemente através dela. Essas ondas sísmicassão análogas às que provocam terremotos no nosso planeta. Em 1962, físicossolares do Instituto de Tecnologia da Califórnia, ao usar espectroscopia paraestudar o Sol, descobriram um padrão de oscilação de células, cada uma emtornode30milquilômetrosdediâmetro,desviando-separacimaeparabaixoemumperíododeaproximadamente5minutos.Supunha-sequeascélulaseramum efeito de superfície até 1970, quando outro físico solar norte-americano,RogerUlrich,sugeriuquepoderiamserumpadrãoestabelecidoprovocadopelaoscilaçãodeondasparafrenteeparatrásnointeriordoSol.Algunsanosmaistarde, em 1975, Douglas Gough demonstrou como as ondas-p oscilatórias deUlrichpodiam ser usadaspara sondaro interior doSol.Pelomodo comoelasafetavam os padrões da superfície, Gough identificou limites dentro do Sol,comoosentreaszonasdeconvecçãoeasderadiação.

A intensidade das linhas espectrais havia sido antes explicada como umaindicação direta das abundâncias relativas de elementos na atmosfera de umaestrela, mas Payne mostrou que elas eram, de fato, principalmente devidas adiferenças na temperatura. Usando essa nova abordagem, ela calculou que asproporções de oxigênio, silício e carbono na atmosfera do Sol eram muitosemelhantes às da Terra, mas também descobriu que a nossa estrela continhaquantidadesdehélio, e especialmentedehidrogênio,muitomaioresdoque setinha suspeitado antes. Payne concluiu que esses 2 elementos constituíam acomposiçãodominantedoSol,edefato,detodasasestrelas.Levouváriosanosparaqueaideiafosseamplamenteaceita.

ZonasdetransportedeenergiaUmaáreacrucialemqueEddingtonerroufoinasuasuposiçãodequeo interiordeumaestrela seriahomogêneo,ela inteiraapresentandoamesmacomposiçãodeelementos.Eleachouqueaproduçãodeenergianaregiãocentralmaisquentefariacomqueaestrelainteiraseagitasse.Correntes de convecção levariammaterialmais quente para cima e omaterialmaisfrioafundaria,garantindoqueointeriorficasseinteiramentemisturado.

DeacordocomteoriasapresentadaspelaprimeiravezporErnstÖpikem1938,entretanto, o material em circulação no núcleo de uma estrela permanece ládurante toda a sua história. O núcleo é rodeado por uma profunda zona de

radiação,emquefótonsdealtaenergiaprovocamorebotedepartículas,gerandopressões enormes. Em estrelas como o Sol, isso é coberto ainda por outracamadadematerialdeconvecção,cujaexistênciafoiconfirmadapeloastrofísicoalemãoAlbrechtUnsöld, em1930.Essamudançanométodode transporte deenergiaécausadaporumatransiçãoemqueomaterialmaisfrioderepenteficaopaco.Notopodazona,oSolfica transparenteoutravez,masaspartículas lásãomuitomenoscomprimidas,demodoquearadiaçãoemitidaapartirdogásem ascensão pode simplesmente escapar para o espaço. É isso o que forma asuperfícieincandescentedaestrela,oufotosfera,quevemosdaTerra.

Aideiacondensada:Dentrodasestrelas,a gravidade e a pressão sãodelicadamenteequilibradas18AfontedeenergiadasestrelasAquestãodecomoexatamenteoSoleoutrasestrelasgeramsualuz e calor é ummistériomuito antigo na astronomia, que nãopode ser satisfatoriamente resolvido somente pela física clássica.O enigma da energia estelar só poderia ser resolvido com achegadadafísicanuclear,noséculoXX.

AsteoriasmaisantigastentandoexplicaroSolcomoumobjetofísicosupunhamque nossa estrela não era nada mais sofisticada do que uma enorme bola decarvão, ou alguma outra substância combustível, vividamente queimando noespaço.A química da combustão eramal compreendida, bem como a falta deoxigênionoespaço,demodoquesóem1843,oastrônomoescocêsJohnJamesWaterston,apresentouumaanáliseadequadadasimplicaçõesdisso.Elemostrouque, se o Sol brilhasse com sua intensidade atual ao longo da história, eleconteriamaterial suficienteparaqueimarapenasdurantecercade20milanos,

mesmoseareaçãoquímicafosseextremamenteeficiente.

Força gravitacional Os cientistas da época tinham pouca ideia da idadeverdadeiradaTerraedosistemasolar,masdescobertasgeológicase fósseis jáestavam começando a mostrar que uma idade demuitos milhões de anos eramais provável do que os poucosmilhares de anos amplamente inferidos pelaBíblia,demodoquecomeçouabuscaporumnovomecanismoparaenergizaroSol.OpróprioWaterstonsugeriuquepoderiahaverliberaçãodeenergiaporumconstantebombardeiodepequenosmeteorosnasuperfície,masumateoriamaisplausívelfoipropostaem1854pelofísicoalemãoHermannvonHelmholtz.Eleargumentou que a energia do Sol surgia de efeitos de sua própria gravidadefazendocomqueeleencolhesseeseaquecessecomotempo.Commodificaçõesfeitas pelo cientista britânico Lord Kelvin, esse “mecanismo deKelvinHelmholtz”ofereciaummeioparaoSolgerarenergiaemseunívelatualpor mais de 100 milhões de anos. Isso se encaixava bastante com ideias arespeitodaidadedaTerra,queosgeólogosacreditavampoderserdedezenasdemilhõesdeanos,jáque,docontrário,seuinteriorteriaesfriadoesolidificado.

“Provavelmenteahipótesemaissimples...éadequepodehaverumprocessolentodeaniquilaçãodamatéria.”ArthurEddington

AteoriagravitacionalcomeçouadesabaremtornodaviradadoséculoXX,quandoa descoberta de novos elementos radioativos revelou um jeito de manter ointerior da Terra aquecido por muito mais tempo. A Teoria da Evolução deDarwin,enquantoisso,sugeriaqueavariedadedavidaatualterialevadomuitascentenas de milhões, se não bilhões, de anos para surgir por seleção natural.Então, quando Arthur Eddington voltou sua atenção para o problema em suaobra-primade1926sobreaestruturaestelar(verpágina70),aquestãodafontedeenergiadoSolestavamaisumavezemaberto.

EnergiavindadamassaEddingtoncalculouqueacontraçãogravitacionalfariacomquealgumasestrelasmostrassemmudançasdramáticasnotipodasescalasdetempocomduraçãodeséculoscobertaspelosregistrosastronômicos.Comoessas mudanças não existiam, a fonte de energia deveria ter vida muito maislonga e ser mais estável. Além disso, pôs de lado a teoria do impacto demeteoros,jáqueissonãoseriacapazdeinfluenciarprocessosnocoraçãodeumaestrela. Em vez disso, argumentou que a única fonte plausível de energia dasestrelastinhanaturezasubatômica:quandoamassaeratransformadaemenergiapela famosa equação deEinsteinE=mc2, uma estrela como o Sol semostrava

contendomatériaemquantidademaisdoquesuficienteparabrilharduranteumciclodevidademuitosbilhõesdeanos.

Mascomoserialiberadaessaenergia?Eddingtonconsiderou3opçõesprincipais–odecaimentoradioativodenúcleosatômicospesados(fissão),acombinaçãode núcleos leves para formar núcleos pesados (fusão) e o hipotético“cancelamento” da matéria, quando elétrons e prótons, de cargas opostas, seencontram. Logo ele concluiu que a fusão era o mecanismo mais provável.Comodemonstração,Eddingtonchamouaatençãoparaofatodequeumnúcleodehéliotinha0,8%menosmassadoqueos4núcleosdehidrogênionecessáriospara criá-lo (um “defeito de massa” que representa a massa liberada comoenergia durante a fusão). Quando as ideias de Cecilia Payne a respeito dacomposição estelar (ver página 72) foram aceitas, a partir do final dos anos1920,osastrônomossederamcontadequehidrogênioehélioeramrealmenteoselementosdominantesentreasestrelas.

Acadeiapróton-prótonAcadeiapróton-prótonenvolveafusãodedoisnúcleosdehidrogênio(prótons),umdosquaissetransformaespontaneamenteemumnêutronparacriarumnúcleodedeutério (hidrogêniopesado),estável.Afusãocomoutronúcleocriaoutroisótopoestável,hélio-3,efinalmente dois núcleos de hélio-3 se fundem para criar o hélio-4, normal,liberando2prótons“emexcesso”duranteoprocesso.Aenergiaé liberadaemquantidades cada vezmaiores em cada estágio do processo.Bethe reconheceutambémoutrasramificaçõesquepodiamseradotadaspelareação,emgeralemestrelascominterioresmaisquentesdoqueoSol(vercicloCNO,aolado).

Construção domodelo de fusão Um grande problema na teoria da fusão deEddingtoneraqueas temperaturasnoSolnãopareciamaltaso suficienteparasustentá-la. Partículas positivamente carregadas se repelemmutuamente, entãoastemperaturasteriamdeserexcessivamentealtasparaqueprótonsindividuaiscolidissemesefundissem.Em1928,noentanto,ofísicorussoGeorgeGamowampliou a estranha nova ciência da mecânica quântica para mostrar comoprótons poderiam superar essa repulsa e se fundir. Em 1937, ele e seu colegaalemãoCarlFriedrichvonWeizsäckerconseguiramproporumacadeiapróton-próton na qual as colisões entre núcleos de hidrogênio gradualmente criavam

hélio–amesmaideiacomqueEddingtontinhabrincadoumadécadaantes.

A cadeia de Gamow e Weizsäcker tinha problemas próprios, ou seja, elaenvolviaumaproduçãodeisótoposaltamenteinstáveis(variantesatômicos)quese desintegrariam nomesmomomento em que eram formados, em vez de sesustentarem durante tempo suficiente para que se unissem a outros prótons ecriassemumhélioestável.Em1938,GamowconvidouumpequenogrupodosprincipaisfísicosnuclearesparaumaconferênciaemWashingtonparadiscutiroproblema, inclusive o emigrado alemão Hans Bethe. No começo, Bethe tinhapouco interesse no problema, mas intuitivamente viu uma solução possível erapidamentecalculouosdetalhescomCharlesCritchfield.Noanoseguinte,elepublicoudoisartigosdelineandonãoapenasoprocessodafusãodohidrogênioque domina as estrelas do tipo do Sol, mas também um processo alternativochamadode cicloCNO, que se dá principalmente nos interioresmais quentes dasestrelas mais massivas (ver boxe à ao lado). Ao analisar rigorosamente avelocidade emque os dois processos se dão emdiversas condições,Bethe foicapazdeexplicarnãoapenascomoasestrelasbrilham,mastambémcomoseusdiversos processos de fusão dão origem a uma variedade de elementosrelativamentepesados.

OcicloCNOEm condições mais quentes do que o núcleo do nosso Sol, o carbono podefuncionarcomoumcatalizador,acelerandoavelocidadecomqueohidrogênioéfundido emhélio aomesmo tempo emque semantém inalterado.Núcleos dehidrogênio(prótons)sefundemcomosnúcleosdecarbonoparacriarnitrogênioedepoisoxigênio.Finalmente,quandoumprótonamaistentasefundircomonúcleo de oxigênio, ele se desintegra liberando um núcleo de héliocompletamenteformadoerestaurandoocarbonooriginal.Maisumavez,energiaé liberadaem todososestágiosdoprocesso.Ociclo CNOse tornadominante emestrelas com mais de 1,3 massas solares, e é tão rápido e eficiente que suapresença ou ausência nas estrelas é um fator fundamental na determinação deseusperíodosdevida(verpágina79).

Aideiacondensada:Asestrelasbrilhamao fundirem núcleos atômicos paraliberarenergia19OciclodevidadasestrelasJuntos, o diagrama de Hertzsprung-Russell e descobertas noentendimento das fontes de energia finalmente ajudaram osastrônomos a compreender umdosmaioresmistérios científicosde todos – como as estrelas vivem e morrem. Entretanto, ajornada envolvia abandonar algumas teorias amplamentedivulgadas.

A apresentação deHenryNorris Russell, em 1912, do primeiro diagrama queplotava a luminosidade contra o tipo espectral de estrelas levantou enormesquestõesparaosastrofísicos.Onúmeroenormedeestrelasencontradasaolongoda sequência principal diagonal entre estrelas vermelhas pálidas e azuisbrilhantes claramente implicava que era ali que a vasta maioria das estrelaspassava amaior parte de suas vidas,mas como deveriam ser interpretados ospadrões?Ospioneirosdosdiagramastinhampontosdevistadivergentes,masosdois acreditavam que o gráfico refletia a evolução de uma estrela. Russell

suspeitava que as estrelas começavam a vida como gigantes vermelhas, secontraíam até se tornarem brilhantes azuis e depois se apagavam lentamente,movendo-se ao longo da sequência principal e esfriando à medida queenvelheciam.As ideiasdeEjnarHertzsprungerammenosespecíficas,maseleachava que a sequência principal e a banda horizontal de gigantes esupergigantes multicoloridas ao longo do topo do diagrama representavam 2trajetóriasevolutivasdiferentes.

Relaçãomassa–luminosidade Várias teorias competiam por uma posição atémeadosdosanos1920,emgeralenraizadasnaideiadequeasestrelasgeravamenergia por algum tipo de contração gravitacional (ver página74).O livro deArthurEddingtonpublicadoem1926sobreaestruturadasestrelas,noentanto,trouxeumanova abordagemparaos processos.Partindodessemodelo teóricodos interiores estelares, ele calculou que havia uma relação fundamental entremassa e luminosidade para quase todas as estrelas: quanto mais massiva aestrela,maisbrilhanteeladeveriaser.

OperíododevidadasestrelasAduraçãodavidadeumaestrelapodevariardramaticamente,dependendodesuamassa e composição. Estrelas pesadas podem ter várias vezes amassa doSol,mas brilharmilhares de vezes sua luminosidade e, portanto, queimar seucombustívelmuitomaisrapidamente.EnquantoonossoSolgastarácercade10bilhões de anos na sequência principal (fundindo hidrogênio em hélio em seunúcleo),ecentenasdemilhõesdeanosnosestágiosfinaisdesuaevolução,umaestrela com 8 massas solares poderá exaurir o suprimento de seu núcleo emapenaspoucosmilhõesdeanos, encurtandodramaticamenteosoutros estágiosdeseuciclodevida.

Amassaéofatormaisimportanteaafetaraduraçãodevidadeumaestrela.AstemperaturasmaisaltaseaspressõesnonúcleodeestrelasmassivaspermitemqueociclodefusãoCNO,muitomaiseficiente,setornedominante(verpágina77)enquantoqueemestrelasmenosmassivasacadeiaprótonprótonmaisreduzidagera a maior parte da energia. A composição também tem um papel adesempenhar: o cicloCNO sópode sedar seo carbono estiver presentepara agircomoumcatalizador,ecomooUniversosósetornouenriquecidocomcarbonoaolongodotempo(vercapítulo42),ocicloCNOémenossignificativonageraçãodeestrelasprimitivas.

Essa ideia não era nova, e o próprio Hertzsprung já tinha encontrado algumaprovadissonasestrelasbinárias(vercapítulo23).AabordagemdeEddington,no entanto, confirmou teoricamente que a massa aumentava tanto com aluminosidade quanto com a maior temperatura superficial. Supondo que asestrelas tinhammassa fixadurante seusperíodosdevida, seria impossívelqueelas modificassem seu equilíbrio de temperatura e brilho sem que mudançasimportantesocorressemnasuafonteinternadeenergia.AimplicaçãoeraqueasestrelasqueseguiamomodelodeestruturaestelardeEddingtonficassememumlocalnasequênciaprincipaldodiagramaH-Rduranteamaiorpartedesuasvidas–umlocaldeterminadononascimentopelamassacomqueelaseramformadas.

Essa nova interpretação revolucionária do diagrama H-Rfoi saudada comretumbante ceticismo entre os colegas deEddington, nãomenos por causa doperene problema das fontes de energia estelar. O próprio Eddington tinhaajudadoarefutarovelhomodelodecontraçãogravitacional,masasubstituiçãopreferida era ummodelo de hipotética “anulação dematéria” (ver página 76),

queproduziriaenergiaabundanteepermitiriaqueasestrelasbrilhassemdurantetrilhõesdeanos,masquetambémcausariaperdademassasignificativaduranteseutempodevida.Combasenessasuposição,aevoluçãonasequênciaprincipalabaixou,comasestrelasperdendomassaeapagandoàmedidaqueenvelheciam,pareciafazersentido.

“Estrelastêmumciclodevidamuitoparecidocomodosanimais.Elas nascem, crescem, passam por um desenvolvimento internodefinidoefinalmentemorrem.”HansBethe

Apenasnofinaldosanos1930,comotrabalhopioneirodeHansBethesobreacadeiadefusãopróton-próton(verpágina76),équetudocomeçouaseencaixar.Para liberar a produção de energia observada nas estrelas a fusão nuclearprecisava se dar em uma velocidade muito maior do que o processo deaniquilação, mas poderia ainda manter uma estrela como o Sol brilhandoestavelmentedurantebilhõesdeanos.Emais,haveriarelativamentepoucaperdademassaentreocomeçoeofimdevidadeumaestrela.

ExplicandoasgigantesOargumentodeEddingtondequeasestrelaspassavamamaiorpartedesuavidaemalgumpontonasequênciaprincipalfoisustentado,mas ainda havia grandes indagações a serem respondidas a respeito de comooutrostiposdeestrelasseencaixavamnateoria.Aconteceuque,nomesmoanoemqueBethepublicouseuspensamentossobreafusão,oastrônomoestonianoErnst Öpik apresentou uma nova visão de estrutura estelar que também tinhaimportantesimplicaçõesparaaevolução.

A suposição de Eddington de que o material dentro de uma estrela estavaconstantemente sendo remexido e misturado tinha sido amplamente aceita nacomunidadeastronômicae implicavaque todoessematerialestava,emúltimocaso,disponívelcomocombustível.Öpik,noentanto,defendeuummodeloemcamadas,noqualosprodutosdafusãopermaneciamnonúcleo.Issosignificavaqueosuprimentodecombustíveldaestrelaeramuitomais limitadoe tambémgarantiaqueonúcleoficavacadavezmaisdensoemaisquentecomotempo,jáqueseucombustívelhidrogênioerafundido,virandohélio.Onúcleoconvectivoemagitaçãoerarodeadoporumenvelopedehidrogêniomuitomaisprofundonoqualaenergiaera transportadaparaforafundamentalmenteporradiação.Todoessematerial, formando o enorme volume da estrela, normalmente não estavadisponível para agir como combustível de fusão, mas isso poderia mudar emestrelas mais velhas. Elaborando uma ideia sugerida pela primeira vez por

GeorgeGamow,Öpikargumentouqueaproximidadeaumnúcleocadavezmaisquente poderia aquecer o fundo da camada radiativa até que ela também setornasse capaz de sustentar reações de fusão. Isso também faria com que oenvelopeexpandisseenormementeemtamanho.

Umaestrelapassaamaiorpartedesuavida fundindohidrogênioemhélioemseunúcleo[1].Quandoosuprimentodonúcleoseexaure,a

fusãodohidrogêniopassaparaumacascaenvoltória[2].Porfim,onúcleoemcontração fica denso e quente o suficiente para sustentar a fusão do hélio [3].QueimadacascadehidrogênioReigniçãodonúcleo

OmodelodecamadasdeÖpiksemostrariaachaveparaexplicarospadrõesdeevolução, mas foram necessários alguns anos para que ele fosse amplamenteaceito. George Gamow liderou tentativas para modelar a estrutura de estrelasvermelhasgigantesesuaposiçãonasequênciaevolutiva,masfoirepetidamenteiludidopelacrençadequeasestrelastinhamdeser“bemmisturadas”.Foisóem1945queeleincorporouumaabordagemdecamadasemseumodeloemostrouque as gigantes vermelhas eram um estágio posterior na evolução de estrelasrelativamentenormais,noqualafusãodohidrogênioemumacascaemtornodonúcleo as faz ficar tanto mais brilhantes quanto muito maiores do que suasprecursorasnasequênciaprincipal.Gamowchegoua sedarcontadequeumagigante vermelha iria acabar soltando suas camadas exteriores e expondo seunúcleoexauridosobaformadeumaanãbrancaquente,maspoucobrilhante(verpágina126). Essas descobertas eram apenas os primeiros passos hesitantes nadireçãodeexplicaracomplicadahistóriadaevoluçãoapósasequênciaprincipal.

A ideia condensada: O ciclo de vida deuma estrela é determinado por suamassaaonascer20NebulosaseaglomeradosdeestrelasAs estrelas se originam do colapso de enormes nuvens de gásinterestelaresuaformaçãomuitasvezesacendeessegás,criandonebulosas espetaculares. Mas embora a associação entreaglomerados compactos de estrelas e nebulosas tenha sidoreconhecida no início dos anos 1800, levou tempo para sedescobrircomoumproduziaaoutra.

Apalavranebulaquerdizer“nuvem”emlatim,efoiusadaporobservadoresdeestrelastãoantigoscomoPtolomeudeAlexandriaparadescreveropunhadodeobjetos nebulosos no céu noturno, objetos esses que não eram obviamentecompostos por estrelas individuais. Foi só com o advento do telescópio, noentanto,queastrônomoscomeçaramadescobrirváriosdessesobjetos.Umdosprimeiros, e certamente o mais famoso catálogo de nebulosas, foi feito pelocaçador de cometas francês Charles Messier em 1771, ostensivamente paraajudaraevitarcasosde identidadeerrôneaaoesquadrinharocéuembuscadecometas.

Duasdécadasmais tarde,WilliamHerschelrevisitouosobjetosdocatálogodeMessier comum telescópiomais potente e conseguiudistinguir entre diversostiposdiferentesdenebulosas.Algumasseresolviamemgruposouaglomeradosdeestrelas–aomenos,comuminstrumentoaindamaispotente,pareciaqueelasfaziam isso – enquanto outras pareciam ser nuvens incandescentes de gás, emgeralincluindoestrelasouatéaglomeradosabertosdeestrelasembebidasdentrodelas.

LocaisdenascimentodeestrelasHerschelchamavaessasnuvensde“fluidasbrilhantes”eelasforamaprimeiraevidênciaconclusivadaexistênciadematérianoespaçoentreasestrelas.Ao longodasduasdécadas seguintes, elevoltouaestudá-las ocasionalmente, e em 1811 delineou uma teoria de que os fluidosbrilhantes eram os locais de formação das estrelas. Herschel acreditava queolhandopara diversas nebulosas ele seria capaz de traçar a condensaçãodelasem estrelas individuais e aglomerados de estrelas quase que passo a passo.Entretanto, cometeu um erro significativo ao supor que as estrelas estavam seformando individualmente e que depois eram atraídas pela gravidade paraformar os aglomerados: em outras palavras, os aglomerados mais compactoserammaisvelhosdoqueosmaissoltos.

“Podemos conceber que, talvez na progressão do tempo, essasnebulosas...poderãoestaraindamaiscondensadasdemodoa,defato,setornaremestrelas.”WilliamHerschel

OfinaldoséculoXIXassistiuaavançossignificativosnoestudotantodenebulosascomode aglomerados abertos.A partir de 1864,WilliamHuggins analisou osespectrosdasnebulosasemostrouquealuzdosfluidosbrilhantesdeHerschelconsistia de algumas poucas linhas estreitas de emissão de cores específicas,enquantoasdeoutrostiposdenebulosasmostravamlinhasdeabsorçãoescurascontra um largo contínuo de cores diferentes. Isso provava que as nebulosasformadorasdeestrelas (agorachamadasdenebulosasdeemissão) tinhamumanatureza principalmente gasosa e sugeria que muitas outras, com formato emespiral,combinavamaluzdeumgrandenúmerodeestrelas(verpágina148).

Enquanto isso, em 1888, o astrônomo dinamarquêsirlandês J. L. E. Dreyerpublicou o Novo Catálogo Geral (NGC), uma extensa listagem de objetos nãoestelaresnaqualeledistinguiudois tiposdeaglomeradosdeestrelas– ligadoscompactamente,bolasesféricascommilharesdeestrelasempacotadasegruposmais esparsos de dúzias ou centenas de membros. Os primeiros foram

subsequentementechamadosdeaglomeradosglobulares,masapenasosúltimos,apelidados de aglomerados abertos, foram encontrados em associação comnebulosasdeemissão.

A imagem de regiões de formação de estrelas ficou ainda mais complexa noiníciodo séculoXX, quando o pioneiro da astrofotografia norte-americano E. E.Barnardeseucolegaalemão,MaxWolf,mostraramqueelaserammuitasvezesassociadasaregiõesopacasdepoeiraqueabsorviamluz(“nebulosasescuras”).Enquanto isso, em 1912, Vesto Slipher descobriu ainda outro tipo de nuveminterestelar no aglomerado das Plêiades. Essa “nebulosa de reflexão” brilhavarefletindoaluzdeumaestrelanasproximidades.

AglomeradosglobularesAlém dos aglomerados abertos, Dreyer identificou um segundo tipo deaglomeradodeestrelas.Essesaglomeradosglobularestêmestruturamuitomaisconcentradaeorigemcompletamente diferente. Eles contêm centenas de milhares de estrelas cujasórbitas elípticas se sobrepõem em formas esféricas ou elípticas. Estrelasindividuaissãoseparadasdiasluzoumeses,emvezdeanos.Foramencontradosaglomeradosglobularespróximosaocentrodegaláxiasouemórbitanasregiõesde halos acima e abaixo delas (ver página 139) e são quase inteiramentecompostos de estrelas anãs de pouca massa com períodos de vida de muitosbilhõesdeanos.Evidênciasespectroscópicassugeremquefaltamoselementosmaispesadosencontradosemestrelasnascidasmaisrecentemente,demodoquepodem ter sido formadasmuito tempoantesdonossoSol,nosdias iniciaisdoUniverso.Naverdade,asideiasmaisrecentesligamsuaorigemacolisõesentregaláxias(verpágina152).

DataçãodeaglomeradosdeestrelasAomesmotempoquepareciaclaroqueasnebulosas de emissão eram os locais de nascimento das estrelas, a verdadeirasequência de eventos era frustrantemente pouco clara. Contudo, novasdescobertas na compreensão dos ciclos de vida estelares e na evolução dosaglomeradoscomeçariamadarsentidoàscoisas.Em1929,porexemplo,EjnarHertzsprung notou uma diferença significativa nas propriedades das estrelaslocalizadas nos famosos aglomerados abertos das Plêiades, Presépio eHíades.AsestrelasmaisbrilhantesdasPlêiadessãotodasquenteseazuis,enquantoquePresépio e especialmente Híades contêm mais estrelas laranjas e vermelhas.Alguns anos mais tarde ficou claro que as diferenças nas cores eram umaindicação das idades relativas dos aglomerados: as estrelas mais brilhantes emaismassivaserammaisquentesemaisazuisduranteasequênciaprincipalde

seus períodos de vida, mas envelheciam muito mais depressa, saindo dasequênciaprincipalpara se tornaremaindamaisbrilhantes, emboramais frias,gigantes com apenas alguns poucos milhões de anos. Portanto, quanto maisvelhoumaglomerado,maisgigantesvermelhasluminosaselecontém.Acapacidadedebotaraglomeradosemordemcronológicamostrouqueateoriade Herschel a respeito de os aglomerados ficarem mais densos ao longo dotempoprecisavaser revertida.Naverdade,osaglomeradosmaisdensossãoosmaisjovensevãoficandosucessivamentemaisesparsosaolongodemilhõesdeanos. Em 1947, o astrônomo armênio Viktor Ambartsumian fez mais umadescoberta quando identificou as primeiras associaçõesOB. Esses grupos deestrelas razoavelmente jovens, quentes, brilhantes, estão espalhadas por áreasmuitomais amplas do espaço,masmostrammovimentos próprios que podemacabarsendotraçadosdevoltaaomesmoponto.AdescobertadeAmbartsumianfoi a confirmação final de que estrelas nascem como aglomerados abertoscompactosdentrodenebulosasantesdelentamenteseespalharempeloespaço.Hoje sabemos que esse mecanismo de dispersão principal envolve passagenspróximasentreestrelasqueacabamsendocatapultadasparaforadoaglomeradoemdiferentesdireções–algumasvezesemvelocidadesmuitoaltas.

OgrupoemmovimentodaUrsaMaiorAlgumas vezes aglomerados abertos ficam juntos durante um temposurpreendentemente longo – por exemplo, diversas dúzias de estrelasamplamente dispersas, inclusive 5 membros da famosa Big Dipper, aindacompartilham um movimento comum, atravessando o céu, como o chamadoUrsaMajorMovingGroup(grupoemmovimentodaUrsaMaior).Essegrupo,cujosmembrosseformaramtodosnamesmanebulosahácercade300milhõesdeanos,foidescobertoporumastrônomoeescritoringlês,RichardA.Proctor,em1869.

Em meados do século XX já não havia mais dúvidas a respeito dos locais denascimento das estrelas,mas seria necessária uma revolução na tecnologia daobservaçãoparaqueosastrônomosrealmenteentendessemoprocessoenvolvido(ver página 86). Outra questão fundamental era exatamente o que detonava ocolapso inicial das nebulosas para que elas criassem aglomerados de estrelas?Diversos mecanismos foram apresentados, de forças de marés levantadas porestrelas de passagem a ondas de choques de explosões de supernovas, masembora eventos casuais desse tipo sem dúvida tivessem um papel adesempenhar, omecanismo principal logo semostraria estar associado com aestruturamaisampladanossagaláxiaedeoutras(verpágina140).

A ideia condensada: Nuvens de gás noespaço são o local de nascimento denovasestrelas21OnascimentodeestrelasEmmeadosdoséculoXX,asestrelaseramcompreendidascomoseoriginandoemdensosaglomerados, formadaspornuvensdegásqueentravamemcolapsonanebulosadeemissão.Entretanto,foinecessáriaachegadadaastronomiadaeraespacialpararevelarnovos detalhes dentro dessas nebulosas de emissão e explicar osprocessosespecíficosenvolvidosnaformaçãodaestrela.

As primeiras pistas para o mecanismo exato do nascimento das estrelasapareceram em 1947, quando o astrônomo Bart Bok enfatizou a presença denuvens opacas, relativamente pequenas, dentro das nebulosas que formavamestrelas.Boksugeriuqueessesglóbulos,comdiâmetrosdeaté1ano-luz,fossemcasulosdentrodosquaissistemasestelaresindividuaisestavamseformando.

Durante um longo tempo essa hipótese ficou sem ser provada simplesmente

porque os glóbulos de Bok eram de natureza opaca. Mas à medida que aastronomia combaseno espaço começou a se desenvolver nos anos1970, foifinalmente possível abordar tais problemas. Em particular, o SatéliteAstronômico Infravermelho (IRAS), uma colaboração internacional, lançado em1983,entregouumavisãocompletamentenovadocéu.OIRASsóficouoperacionaldurante 10 meses, mas nesse tempo mapeou 96% do céu em 4 diferentescomprimentos de ondas infravermelhas, gerando uma coleção de dados quemanteveosastrônomosocupadosduranteanos.

Luz na escuridão A radiação infravermelha, com comprimentos de ondamaioresemenosenergéticasdoquealuzvisível,éemitidaportodososobjetosno Universo e penetra através de poeira opaca, como a existente dentro dosglóbulos de Bok. Em 1990, os astrônomos João Lin Yun e Dan Clemensanunciaram quemuitos glóbulos coincidiam com fontes de infravermelho nosdados do IRAS, como se podia esperar, caso eles estivessem escondendo jovensestrelaspré-sequênciaprincipal.

Poucosanosmaistarde,em1995,oTelescópioEspacialHubbletirouafamosafoto Pilares da Criação. Aproximando uma região de formação de estrelaschamadaNebulosadaÁguia(Messier16)comumzoomsemprecedentesparaacaptação de detalhes, essa imagem revelou torres de gás e poeira opacos, dasquaissaíamestranhostroncosetentáculos.HalosreluzentesemtornodosPilaresmostravam que eles estavam evaporando sob torrentes de radiação vinda deestrelas massivas das imediações. Jeff Hester e Paul Scowen, que fizeram aimagem, interpretaramo formatodosPilarescomo regiõesmaisdensasdentroda nebulosa maior – e mais capazes de suportar os efeitos da radiação. Asformasparecidascomtroncosaparecemquandoumnódematerialemtornodeuma estrela que está se aglutinando (um glóbulo de Bok) permanece intacto,mesmoqueseusarredorestenhamsidoevaporados.

“Estrelas [TTauri] nasceram naquelas nuvens escuras... e nãohouvetemposuficienteparaqueelasseafastassemmuitodeseuslocaisdenascimento.”GeorgeHerbig

Desdequeaquela fotooriginal foi tirada foram também tomadasváriasoutrasvezesimagensdosPilaresedeoutrasregiõesdeformaçãodeestrelas,tantoemluz visível como em infravermelho, e a mesma história parece se repetirinúmeras vezes. A radiação intensa vinda de uma geração inicial de estrelasrecém-nascidas massivas e luminosas escava buracos na nebulosa ao redor.

Pilaresefilamentosemergemdesuasparedes,marcandolocaisondeaformaçãode estrelas ainda está em andamento. Os efeitos dessa radiação, levando paraforamaterialdanebulosa–juntocomasondasdechoquequandoessasestrelasprecocesexplodemcomosupernovas(vercapítulo30)–efetivamentelimitamocrescimento de seus irmãos mais novos no aglomerado. De acordo com umestudo de 2001, apenas um terço do gás na nebulosa original acaba sendoincorporadoemsuasestrelas,eoprocessode formaçãodeestreladuraapenasalgunspoucosmilhõesdeanos,nomáximo,antesdetodoogásserperdido.Nagrandemaioria dos casos, a perda de tantamassa faz com que o aglomeradonascente perca sua integridade gravitacional, sofrendo “mortalidade infantil”quando suas estrelas e protoestrelas componentes se separam. Apenas umaminoriasobreviveparasetornaraglomeradosdeestrelasabertos,maduros,quecontêm entre uma centena e poucos milhares de estrelas e podem se manterunidosdurantedezenasdemilhõesdeanos.

EstrelasbebêsUmúnicoglóbulodeBokpodeproduzirapenasumaestrela,ouum sistema binário oumúltiplo se ele se condensar em dois oumais núcleosdistintos. Modelagem computacional sugere que o colapso inicial é bastanterápido, com a formação de protoestrelas quentes, densas, em dezenas demilhares de anos. Elas permanecem embebidas em uma nuvemmais larga dematériaemrotação,que,noentanto,aospoucosseachataemumamplodiscodeacreção.Àmedidaqueagravidadedaprotoestrelaficamaisforte,elacontinuaaatrairmaismaterial,masradiaçãovindadonúcleocadavezmaisquenteretardaa velocidade de atração e camposmagnéticos afunilammaterial em jatos queescapam de cima e de baixo do disco. Acontece que essa combinação de umforte vento estelar e camposmagnéticos transferemomento angular ao disco,diminuindo a velocidade de rotação da estrela e acelerando a velocidade derotaçãodomaterialemtorno,resolvendoumvelhodilemaarespeitodasorigensdonossoprópriosistemasolar(verpágina18).

EstrelasbebêsmaciçasEm 1960 o astrônomo norte-americano George Herbig descobriu uma classediferente de variáveis azul-brancas imprevisíveis, agora chamadas estrelasHerbigAe/Be.ElasmostraramserumestágioprecocenonascimentodeestrelasmaispesadasdoqueoSol(pesandode2a8massassolares).DomesmomodoqueasestrelasTTauri,essasmonstruosasestrelasbebêssão rodeadaspordiscosdemateriais,partesdosquaisaindaestãoseacrescendoaelasenquantoamaiorparte do restante está sendo ejetado para o espaço interestelar. As pesquisassugeremqueessasjovensestrelasdegrandemassanãoseguemdejeitoalgumotrajeto verticalHayashi no diagramaH-R. Elas já são altamente luminosas ao setornaremvisíveisesimplesmenteencolhemcomotempo,movimentando-seaolongodotrajetoHenyeyhorizontalerapidamenteaumentandosua temperaturasuperficialparachegaràextremidadesuperiordasequênciaprincipal.Estágiosprecocesnaevoluçãodasestrelasmaismassivasde todas(pesandodezenasdemassassolares)nãosãotãobemcompreendidos,masparececertoquetambémelassemovemaolongodotrajetoHenyeynoiníciodesuascurtasvidas.

Uma estrela como o Sol pode passar 10milhões de anos oumais como umaprotoestrela, emitindo radiação infravermelha enquanto fica cada vez maisquenteemaisenergética.Elaacababrilhandoemluzvisível,motivopeloqualéditatersetornadoumaestrelaTTauri.Essesobjetossãograndes,avermelhadosemaisluminososdoqueasestrelasqueelavirãoaser.Comoadquiremamaiorparte de sua energia da contração gravitacional em vez de reações de fusãonuclear(verpágina74),elastêmumavariaçãoimprevisível.

UmatípicafaseTTauridura100milhõesdeanosoumais,sendoqueduranteessetempoaestrelaaospoucossecontraiehámudançanotransportedesuaenergiainterna.Em1961,oastrofísicoChushiroHayashimapeouoqueessasmudançassignificavam em termos do diagrama de Hertzsprung-Russell. Estrelas pré-sequênciaprincipalsetornammenosluminosasàmedidaqueficammaisdensas,inicialmente permitindo que elas retenham a mesma temperatura superficial.Estrelas com menos da metade da massa do Sol seguem essa “trajetóriaHayashi” até que seus núcleos estejamdensos o suficiente para que comece afusãopróton-próton,eelasseestabilizamcomoanãsvermelhas(verpágina90).EstrelascomatéodobrodamassadoSol,noentanto,mudamadireçãodesuaevoluçãoquandoseusinterioressetornamquentesosuficienteparadesenvolver

uma zona de radiação (ver página 74). Elas retêm a mesma luminosidadeenquanto continuam encolhendo, levando a um aumento na temperaturasuperficial(achamada“trajetóriadeHenyey”).Emambososcasos,oiníciodafusão próton-próton marca o ponto em que a estrela entra para a sequênciaprincipal,começandooperíodomaislongoemaisestáveldesuavida.

EstediagramaH-RmostraastrajetóriasHayashieHenyeydeestrelasrecém-nascidasseaproximandodasequênciaprincipal.

A ideia condensada: A astronomiainfravermelha mostra como nascem asestrelas22EstrelasanãsEstrelascommenosmassadoqueoSoldemonstrampropriedadesúnicas e algumas vezes impressionantes, inclusive atividadesurpreendentemente violenta. Nas massas muito menores, essasanãsvermelhasescurecemcomoanãsmarrons,chamadasestrelasfracassadas, cuja existência só foi confirmada a partir dos anos1990.

Falandodopontodevistatécnico,quasetodasasestrelassãoanãs,inclusiveonossoSol,eestrelasconsideravelmentemaismassivaseluminosas,comoSirius(verboxenapágina91).Entretanto,demodogeral,otermo“anã”éusadomaisespecificamente para descrever pequenas estrelas significativamente menosluminosasdoqueoSol.Mesmo issopodeconfundir, jáqueanãsbrancas,quesão resquícios estelares exauridos (ver página 126), são objetos distintamentediferentes das anãs vermelhas, que são apenas estrelas comuns da sequênciaprincipalcommassamuitobaixa.Asduas,porsuavez,sãodiferentesdeestrelas

anãsmarrons,quenemsequerseencaixamnadefiniçãousualdeumaestrela.

Aluminosidadedasestrelasvariamuitomaisamplamentedoquesuasmassas,edo mesmo modo como estrelas pesopesadas podem ser 100 mil vezes maisbrilhantesdoqueoSol,tambémasestrelasmenosmassivaspodemser100milvezes mais fracas. Uma estrela com metade da massa do Sol (em geral,consideradaolimitesuperiorparaumaanãvermelha)brilhacomapenas1/16desua luz, mas uma estrela com 0,2 da massa solar tem cerca de 1/200 daluminosidade do Sol. Isso significa que em sua grande maioria as anãsvermelhas são muito fracas. Durante muito tempo os únicos exemplosconhecidos eramaquelasnanossa soleira cósmica, comoaEstreladeBarnard(verpágina198)eaProximaCentauri,aestrelamaispróximadoSol.Emboraauma distância de apenas 4,25 anos-luz, essa anã com 0,12massa solar é 100vezesmais fracadoquea estrelamais fracaaolhonue só foidescoberta em1915.

A abundância de anãs vermelhas em nossa galáxia só se tornou clara com olançamentodosprimeirostelescópiosespaciaisdeinfravermelhonosanos1980.As assinaturas de calor dessas estrelas fracas sãomuitomais significativas doquesuaproduçãode luzvisível,emapasdocéu infravermelhomostraramqueanãsvermelhassuperamimensamenteonúmerodeoutrasestrelas,talvezdandocontade¾detodasasestrelasnaViaLáctea.

DefiniçãodeanãsDe acordo com a definição original de Ejnar Hertzsprung, uma anã ésimplesmenteumaestrelaqueobedecearelaçãoamplamentedisseminadaentretemperaturaestelare luminosidadeeque,portanto, ficana sequênciaprincipaldodiagramadeHertzsprung-Russell.Otermo“anã”originalmenteerausadoparadistinguiressasestrelasdasgigantes–asestrelasaltamente luminosas de todas as cores encontradas ao longo do topo dodiagramaH-R,mas,comotempo,aterminologiaficouconfusa.

E mais, à esquerda superior do diagrama, anãs azuis altamente luminosas egigantessãopraticamenteindistinguíveiscombasesónacorenaluminosidade– elas só podem ser separadas se informações adicionais confirmarem se umaestrelaestáaindafundindohidrogênioemseunúcleo.Ousodaexpressão“anãbranca”para remanescentesestelaresexauridosquenão ficamemlugaralgumpertodasequênciaprincipal(verpágina126)sóaumentaaconfusão.

EstruturadasanãsUmadiferença importanteentreanãsvermelhaseestrelasmaismassivas,equedefineumlimitesuperiordemassaparaessasestrelas,éofatodequeelasnão transportamenergia internamenteatravésderadiação.Emvezdisso,ointeriordelaséinteiramenteconvectivo,eomaterialqueelecontéméconstantementemisturadoereciclado.Essamisturatransportaosprodutosdehéliodafusãonuclearparaforadaregiãodonúcleoeosubstituicomhidrogêniofresco,garantindoquetodoomaterialdaestrelaestejadisponívelparausocomocombustívelparafusão.Issosomadoàvelocidadenaturalmentemaislentacomque a fusão ocorre, graças àmenor temperatura do núcleo, significa que anãsvermelhaspodemteoricamentesustentarafusãopróton-próton(epermanecernasequênciaprincipal)durantetrilhõesdeanos–muitomaisdoquequalqueroutraestrela.

OnúcleodeumaanãvermelhaemiteparaforamuitomenosradiaçãodoqueoSol, significando que hámenos pressão para fora para sustentar suas camadasexteriores. Portanto, essas estrelas são muito menores e mais densas do queapenassuamassapoderiasugerir.AProximaCentauriéapenas40%maiordoque Júpiter e cerca de 40% mais densa do que o Sol, em média. Essa altadensidade, junto com a estrutura convectiva da anã vermelha, pode ter efeitospoucocomuns.

Aprimeira evidênciadeque anãspoderiammostrar atividade espetacularveiodo astrônomo holandêsamericano Jacob Luyten, que nos anos 1940 descobriuuma estranha variação no espectro de diversas anãs próximas. Uma emparticular, a estrela mais brilhante em um par binário a uns 8,7 anos-luz naconstelaçãodeCetus,estavatambémpropensaaenormesaumentos,emboradecurta duração, no brilho. Em uma erupção, em 1952, por exemplo, essaestrelaUVCetiaumentouobrilho75vezesemumaquestãodesegundos.Lápelosanos1970,estavaclaroqueos rompantesdaestrelaocorreramnãoapenasemluz visível,mas também em ondas de rádio e raios x de alta energia, e erammuitosemelhantesàsexplosõessolares,emboranumaescalamuitomaior.Hojeos astrônomos percebem que muitas anãs vermelhas são também chamadasestrelas ativas. A densidade dessas estrelas e a agitação convectiva em seuinterior geram campos magnéticos muitos mais potentes e concentrados emmuitomaiornúmerodoqueosvistosemestrelascomooSol.Comoresultado,eventosde“reconexão”magnéticapodemliberaraté10milvezesmaisenergiadoqueaquelesquedetonamasexplosõesnoSol,comresultadosespetaculares.

“Estrelas com massa abaixo de determinada massa críticacontinuariam a se contrair até que se tornassem objetoscompletamentedegenerados.”ShivS.Kumar

AnãsmarronsDeacordocomamaiorpartedosmodelosdefusãonuclear,umaestreladeveterpelomenos0,08vezesamassadoSolparaqueastemperaturasepressõesemseunúcleosustentemumareaçãopróton-prótonemcadeia.Essaé,portanto,umalinhadecorteparaasestrelas,mashámuitosobjetosabaixodessamassa que se formaram do mesmo modo que as estrelas e ainda conseguembombearparaforaquantidadessubstanciaisderadiaçãoinfravermelhaevisível.Essas“estrelasfracassadas”,conhecidascomoanãsmarrons,continuamquentespela contração gravitacional e pela fusão nuclear do isótopo de hidrogêniopesado,deutério,decondiçõesmenosexigentes.Aexistênciadelasfoiteorizadanosanos1960peloastrônomoShivKumar(emboraonometenhasidocunhadoumpoucomaistarde).

Duranteosanos1980, foramdescobertosobjetosdiscutíveiscompropriedadeslimítrofes,masem1995foiencontradaaprimeiraanãmarrom.Localizadaporuma equipe espanhola liderada por Rafael Rebolo, Teide 1 era um objetominúsculo embebido no distante aglomerado de estrelas Plêiades. O indícioreveladordesuaidentidadefoiaevidênciadelítioemseuespectro,jáqueatéasestrelasverdadeirasmais levesnãosãoquentesosuficienteparadestruir todos

ostraçosdesseelementopormeiodefusãonuclear.

TemponaanãmarromExatamentecomoasestrelas,asanãsmarronspodemserclassificadaspelotipoespectraldeacordocomsuatemperaturaeaslinhasdeabsorçãoencontradasemsuasatmosferas.Asanãsmarronsmaisbrilhantes,bemcomoasanãsvermelhasmais fracas, têm classe espectralM(ver página 64),mas daqui os pesquisadoresacrescentaramasnovasclassesL, TeY.Àmedidaqueessasestrelasvãoesfriando,moléculas cada vez mais complexas podem persistir em suas atmosferas.Estudos recentes mostraram variações no infravermelho liberado por anãsmarrons fracas que parecem ter sido causadas por enormes estruturas comonuvens (do tamanho de planetas) movendo-se em suas atmosferas etemporariamentebloqueandooescapedecalorvindodedentro.Asnuvenssãoempurradasparaláeparacásobainfluênciadeventosextremos–comopodeser esperado, o tempo nas anãs marrons é ainda mais violento do que nasgigantesdegás,comoJúpiter.

MapadotemponaanãmarromLuhman16B

Desde então, outras anãs marrons foram encontradas, inclusive muitasembebidas em famosas nebulosas de formação de estrelas na nossa soleiracósmicaemuitasvezesemórbitaemtornodeoutrasestrelasanãs.Estimativasdesuasmassassugeremqueamenoranãmarrompode,naverdade,sermenosmassiva do que o maior dos planetas gigantes de gás, sendo que o fator dediferenciaçãoentreosdoistiposdeobjetoséseumododeformação.

Aideiacondensada:Asestrelasmenoressãotambémasmaisabundantes23EstrelasbináriasemúltiplasO status do nosso Sol como estrela solitária o caracteriza comominoria.Hoje, sabemos que, em suamaior parte, as estrelas naVia Láctea são membros de sistemas estelares binários oumúltiplos. A distância e a idade idênticas das estrelas em taissistemaspodemrevelar fatos importantesarespeitodaevoluçãoestelar.

Embora os poucos milhares de estrelas visíveis a olho nu a partir da Terrapareçam ter uma distribuição mais ou menos aleatória pelo céu, até umobservadordeestrelassemaajudadeinstrumentospodeidentificaralgumasqueparecem ser exceções.Pareamentospróximosno céu são emgeral conhecidoscomo estrelas duplas, e talvez o exemplo mais famoso sejaMizar e Alcor, aestreladomeionacaudadagrandeUrsaMaior.Astrônomosantigosnãodavammuita importância a isso: se a distribuição de estrelas era realmente aleatória,então poderiam-se esperar alguns pares próximos. Entretanto, quando oastrônomo italiano Benedetto Castelli apontou um telescópio primitivo para osistemadeestrelas,noiníciode1617,eleencontrououtracoisa.EmboraMizarapareça como uma estrela isolada a olho nu, ela própria é, de fato, um

pareamentopróximodeduasestrelasbrancas,cadaumacombrilhoaolhonu.

EssealinhamentopróximodeduasestrelasbrilhantesocorrersimplesmenteporacasoémuitomenosprováveldoqueasvagamenteassociadasMizareAlcor,mas isso foi muito tempo antes de que alguém pensasse adequadamente nasimplicações.AprimeirapessoaasugerirqueasestrelasgêmeasdeMizareramrealmente vizinhas no espaço foi o filósofo inglês John Michell, em 1767.Depois, em1802,WilliamHerschel produziu evidência estatística – combaseem um levantamento meticuloso dos céus – de que estrelas duplas próximaseram comuns demais para serem explicadas por alinhamentos que ocorressemporacaso.

Órbitas binárias Herschel argumentou que elas deveriam ser estrelas“binárias”, mantidas fisicamente em órbita em torno uma da outra por suaatraçãogravitacionalmútua.Em1804,eleencerrouoargumentomostrandoqueas duas estrelas da Alula Australis (outra dupla próxima na UrsaMaior, quetinha sido descoberta 24 anos antes) tinham alterado sua orientação relativa,provandoqueestavamorbitandoemtornoumadaoutra.Em1826,opar tinhasidoobservadodepertoobastanteparaqueoastrônomo francêsFélixSavaryanalisasseaórbitadelas emdetalhe.Elemostrouqueessasduasestrelas, comaproximadamenteamassasolar,seguiamórbitaselípticasde60anos,comumaseparaçãoquevariavaentre12e39unidadesastronômicas.

“Éfácilprovar...queduasestrelaspossamestartãoconectadasapontode traçarem círculos, ou elipses semelhantes, em tornodeseucentrodegravidadecomum.”WilliamHerschel

ÀmedidaqueostelescópiosavançaramnoséculoXIX,maisestrelasbinárias,eatésistemasmúltiploscontendomaisdedoiscomponentesforamdescobertos.Logoficouclaroqueadistânciaentreestrelasemtaissistemasvariavaimensamente:elaspodiamestarseparadaspordistânciasinterplanetáriasdealgumasunidadesastronômicas,oudistânciasinterestelaresde1ano-luzoumais.

Binárias e múltiplas também ajudaram astrônomos a começar a entender asrelaçõesentreestrelas.Porexemplo,comotodasasestrelasnumsistemaestãoàmesma distância da Terra, diferenças em suas magnitudes aparentescorrespondem a diferenças em sua luminosidade verdadeira. Se podemosestabelecer o tamanho da órbita de cada estrela, então podemos calcular suamassarelativa,e jáquepodemossuporque todasasestrelasdeumsistemase

formaramaomesmotempo,podemosatécomeçaravercomopropriedades,taiscomomassa,afetamsuaevoluçãoaolongodotempo.

Binárias espectroscópicas A observação direta impõe limites aos tipos deestrelasmúltiplas que podem ser descobertas. Não importa o quão potente setornaramostelescópios,seasestrelasestiveremmuitopróximasdesioumuitodistantes da Terra, elas vão se fundir em um único ponto de luz. No fim doséculoXIX, no entanto, foi descoberto um novo método para encontrar estrelasmúltiplas.

BináriaseclipsantesEm determinadas situações, estrelas binárias próximas demais para seremseparadascomumtelescópiopodemserdetectadaspormeiodeseuefeitosobrealuzdosistemageral.Aprimeiradessasestrelasaserdescoberta,Algol(BetaPersei),jáeraconhecidadesdetemposantigoscomoo“demôniotremeluzente”.Ela foidescritamaisoumenosacuradamenteatémesmoantesdeHerschel terdecididoocasodasestrelasbináriasfísicas.

Em 1783, o astrônomo amador inglês JohnGoodricke, aos 18 anos de idade,notouqueAlgolnormalmente temumbrilhoconstantedemagnitude2,1,mascaisubitamentea3,4durantecercade10horasemumcicloqueserepeteacada2 dias e 21 horas. Ele sugeriu que essa variabilidade eramelhor explicada seAlgon orbitasse em torno de um corpo mais escuro, que passa pela face daestrela e parcialmente bloqueia sua luz uma vez em cada órbita. A ideia – oprimeiromecanismopropostoaexplicarumaestrelavariáveldequalquertipo–olevouaserpremiadocomaprestigiosaMedalhaCopleydaRoyalSociety.Foisónosanos1880quePickeringesuaequipedeHarvardmostraramqueocorpomaisapagadoemórbitaéumaestrelapor simesma.Algoléhojeconsideradauma binária eclipsante, um protótipo dessa classe importante de estrelasvariáveis.Curiosamente,foramestudosdeMizarquelideraramocaminhomaisumavez.Como parte de seu projeto para catalogar os tipos espectrais e a química dasestrelas (ver página 64), o astrônomo de Harvard,William Pickering, coletouespectrosdosdoiselementosdasestrelasgêmeasaolongodesetentanoitesentre1887e1889,eencarregouAntoniaMaury,de22anos,derealizaraanálisedessematerial. Maury logo identificou uma característica estranha no espectro daestrelamaisbrilhante,MizarA.AlinhaescuraK,significandoapresençadecálcioemsuaatmosfera,aparecianítidaebemdefinidaemalgunsespectros,maslargaeindistintaemoutros,eem3placasfotográficas,elatinhasedivididoemduaslinhasdistintas.

Maury percebeu que esse efeito de “duplicação de linha” estava ocorrendo acada dois dias, e Pickering corretamente identificou o motivo: MizarA, naverdade, consistia de duas estrelas em uma órbita apertada em torno uma daoutra.Asduasestrelascontribuemparaoespectrogeral,masodesviodalinhaK

revela que suas emissões de luz sãoDoppler contínuo desviado àmedida que

mudaseumovimentoemrelaçãoàTerra(verpágina64).Emalgunspontosdesuasórbitas, uma estrela estará semovendonadireçãodaTerra, fazendo comqueoscomprimentosdeondadesualuzsejamencurtadosealinhaKsedesvienadireção da extremidade azul do espectro, enquanto a outra estrelasimultaneamentesemoveparalongedaTerra,sualuzvaificandomaislongaemaisavermelhada.Emoutrasvezesasituaçãoérevertida,ouasestrelasestãosemovendodeladoemrelaçãoàTerra,demodoqueoefeitoDopplerdesaparece.

MizarAtornou-seaprimeiranumanovaclassedebináriasespectroscópicas,quelentamenterevelaramumaverdadedequeavastamaioriadasestrelasnanossagaláxia fica dentro de sistemas binários ou múltiplos. No mesmo grau deimportância,Pickeringpercebeuqueessas estrelasofereciamumpotentenovoinstrumentoparaastrônomos:usandoavelocidadeeoperíodoorbital,pode-secalcularadistânciaentreasestrelas.Emedirdiretamentesuasmassasépossívelusando a Lei da Gravitação Universal de Newton. Foram necessários algunsanos até se acertar ométodo (a órbita deMizar Aacabou sendo resolvida peloastrônomo alemão Hermann Vogel, em 1901), mas a capacidade de medirdiretamenteessaspropriedadesdeestrelasdistantese,defato,ameraexistênciade sistemas binários e múltiplos, viria a ter uma influência enorme sobre aastronomiadoséculoXX.

BináriasemcontatoEmalguns sistemasbinários, os componentes parecemestar tãopróximosquemudanças evolutivas no tamanho de uma ou de duas estrelas as levamdiretamente ao contato uma com a outra. Isso acontece quando uma estrelatransborda o lóbulo Roche, que restringe sua influência gravitacional. Nessecenário as duas estrelas formam uma variávelWUrsae Majoris, uma bináriaeclipsante cuja emissão de luz está variando constantemente. Transferênciassubstanciais demassa de uma estrela para outra ao longo demilhões de anospodematéalterarotrajetoevolutivodeumaoudasduasestrelas.

Durante seus períodos de vida na sequênciaprincipal,asduasestrelasestãodentrodeseuslóbulosdeRoche.

À medida que a estrela mais maciça incha para setornarumagigante,materialétransferidoparaasuavizinha.

Eventualmenteaestrelamenorpode tambémincharatéficargigante.Materialagorafluinasduasdireções.

A ideia condensada: Estrelas isoladascomoonossoSolestãoemminoria24EmbuscadeexoplanetasUmavezqueosastrônomoscomeçaramaaceitarquenãohánadade especial no nosso Sol ou no nosso lugar naViaLáctea, ficoudifícil pensar em um motivo para que estrelas distantes nãodevessem ter um sistema planetário próprio. Mas provar issolevaria muito tempo, e foi apenas depois dos anos 1990 que oschamados“exoplanetas”foramencontradosemgrandenúmero.

A busca por planetas orbitando outras estrelas foi durante muito tempodificultadapelaslimitaçõesdatecnologia.Entretanto,adescobertadaEstreladeBarnard em 1916, trouxe com ela as primeiras esperanças de se encontraremplanetasalienígenas.Essapálidaanãvermelhaestavaenumeradanoscatálogosestelares,mas o astrofotógrafo E. E. Barnard foi o primeiro a reconhecer seumovimento próprio, particularmente alto, contra as estrelas de fundo.MovimentosequivalentesàlarguradeumaLuacheiaacada180anosindicaramque a Estrela de Barnard estava próxima ao nosso próprio sistema solar, emedidas de paralaxe (ver página60) logo confirmaram que estava a apenas 6anos-luzdaTerra,aquartaestrelamaispróximadoSol.

UmfalsocomeçoOastrônomoholandêsPetervandeKamplogopercebeuqueo movimento rápido da Estrela de Barnard poderia fazer com que qualquerbamboleio em seu trajeto fosse especialmente notado devido à atraçãogravitacional de planetasmaiores.Durante três décadas, começando em 1937,ele rastreou regularmente a posição exata da estrela e, por fim, em 1969,publicou provas da existência de dois planetas da classe de Júpiter.Mas suasobservaçõessemostraramdedifícilreplicaçãoporoutros,elápelosanos1980amaiorparteconcluiuqueKampestavaenganado,talvezdevidoafalhasemseuequipamento.OcasodaEstreladeBarnarddeixoumuitosastrônomoschateadosehouvepredominânciadeumaopiniãomaiscética.Amaiorpartesupôsqueosplanetas em torno de outras estrelas eram, por algum motivo, muito raros.Felizmente, não demoroumuito antes que essamesma postura fosse solapadaporumnovométodomaissensívelparaencontrarplanetas.

PlanetasdepulsaresOsprimeirosplanetasaseremdescobertosemtornodeoutrasestrelasforamnarealidade encontrados poucos anos antes de 51 Pegasi b. Entretanto, eles nãoatraírammuitaatençãoporqueascondiçõesnasquais foramencontradoseraminimigasdavida.Em1992,osastrônomosAleksanderWolszczaneDaleFrailanunciaram a descoberta de dois planetas orbitando em torno de um pulsardesignadoPSR B1257+12, a uns 23 mil anos-luz de distância na constelação deVirgem (ver página 130). Um terceiro planeta veio em seguida, em 1994.Diversos sistemas planetários já foram encontrados por meio de análisescuidadosas de mudanças minúsculas nas precisas explosões de radiação queocorremquandoumpulsarépuxadoemdiferentesdireçõesporseusmundosemórbita.Essesplanetastêmpoucaprobabilidadedeteremsobrevividoàexplosãodasupernovanaqualopulsar foi formado.Emvezdisso, imagina-sequeelesnasceramnumafasesecundáriada formaçãodoplaneta,apartirdedetritosdeumaestrelacompanheiradestruída.

Sucesso, finalmente A ideia de detectar planetas em torno de outras estrelaspelasmedidasdasmudanças emsuavelocidade radial (movimentonadireçãoounosentidoopostoàTerra)foipropostaaindaem1952,porOttoStruve.Esseastrônomo ucraniano-americano sugeriu que, assim como as bináriasespectroscópicasrevelamsuanaturezaverdadeirapormeiodedesviosDopplerparafrenteeparatrásnaslinhasespectrais,àmedidaqueseuscomponentessemovemnadireçãode,ouseafastandodaTerra(verpágina96),domesmomodoainfluênciadeumplanetasobresuaestrelaseriamostradasefosseempregadoumespectrógrafosuficientementesensível.

Oproblema,noentanto (comoVanKamp tinhadescoberto),équeumplanetaexerce muito pouca influência sobre sua estrela. Dependendo das massasrelativas e do tamanho da órbita do planeta, a maior disruptura que se podeesperar seria uma oscilação da ordemde algunsmetros por segundo, em umavelocidademédiaemgeralmedidaemquilômetrosporsegundo.Adetecçãodevariações tão minúsculas significaria dividir a luz da estrela em um espectromuito amplo com“alta dispersão”, o que estava alémda tecnologia da época.Entretanto,osavançosdosanos1980produziramosprimeiros“espectrógrafosEchelle” adequados para analisar a fraca luz das estrelas. Esses instrumentosusamumparde redesdedifraçãoparacriarumespectro largo, emconjunção

comfibrasóticasparaalimentarasredescomluzvindadeestrelasindividuais.

OinstrumentoELODIE,operadoporMichelMayoreDidierQueloznoObservatóriode Haute Provence, em 1993, foi projetado especificamente para procurarexoplanetas, e logo provou seu valor. Em 1995, Mayor e Queloz puderamanunciar a descoberta de um planeta com pelo menos a metade da massa deJúpiteremórbitaemtornodarelativamentepróximaestrela51PegasiB.Essafoia primeira de diversas dessas descobertas do ELODIEe suas contrapartidas nohemisfériosul.

Trânsitos e outros métodos Poucos anos depois dessas descobertas iniciais,umatécnicaaindamaiseficazteveseuprimeirosucesso.Ométododotrânsitoenvolvemedirapequenaquedanasaídadeluztotaldeumaestrelaquandoumplaneta passa diretamente na sua frente. Como o tamanho da estrela érelativamente fácil de calcular a partir de suas características espectrais (verpágina67),aquedarelativaemsuaemissãodeluzrevelaotamanhodoplanetaemtrânsito.Claramente,otrânsitosóocorreemcasosraros,quandoaórbitadeumplanetaestádiretamentealinhadacomaTerra,masdadaasensibilidadedefotômetrosmedidoresdeluzmodernos,atualmenteessaéamaneiramaispráticadeseidentificarexoplanetasdepoucamassadotamanhodaTerra.

“Amissão do Telescópio Kepler, daNASA, é retirar a venda denossos olhos e nos revelar exatamente como o nosso mundodomésticoéprevisível.”SethShostak

O primeiro exoplaneta em trânsito a ser descoberto, em 1999, orbita umaobscura estrela do tipo do Sol catalogada comoHD209458, a 150 anos-luz dedistância,emPégaso.Osastrônomosjásabiamqueessaestrelatinhaumplanetaem uma órbita fechada graças amedidas de velocidade radial,mas o trânsitoconfirmou que ele tinha um raio de aproximadamente 1,4 vezes o de Júpiter.DesdequeessaprimeiradescobertadoObservatórioKeck,noHavaí,telescópiosidentificadores de trânsito baseados em satélites têm sido o método de maiorsucessopara a caça aplanetas.Oprimeiro, umamissão francesa chamadaCOROT,operou entre 2006-2012, enquanto o instrumento daNASA, Kepler (ver boxe napágina 101) veio mais tarde. Uma localização em órbita permite que umtelescópio monitore continuamente o brilho de todo um campo de estrelasdurante longos períodos sem interrupção, fazendo com que seja mais fácildetectarplanetasemórbitasmaislongas.

Propriedades planetárias Tipos diferentes de técnicas de caça aos planetasrevelampropriedadesfísicasdiferentesdeexoplanetas.Ométododevelocidaderadial,porexemplo,atribuiumamassamínimaaoplaneta, fazendocomqueaestrela bamboleie, mas, a não ser que a inclinação da órbita do planeta sejaconhecida, não consegue encontrar um valormais preciso para essamassa.Ométododo trânsito, emcontraste,pode revelarodiâmetrodeumplaneta,masnão a suamassa.Na prática, observar um planeta desses doismodos é o querevelaomaiornúmerodeinformações.Seosdadosdevelocidaderadialpodemserobtidos,entãoomerofatodequeumplanetatransitaporsuaestrelarestringesua inclinação orbital e suamassa possível, o que, junto comumamedida dodiâmetro,podeconfirmarsuadensidadeepermitirqueosastrônomoscalculemsuaprovávelcomposição.

KeplerLançadoem2009,o satéliteKeplerdaNASAéumanaveespacialdedicadaacaçarplanetasque transformounossoconhecimentodeexoplanetas.Seuúnicoinstrumento é um telescópio refletor de 0,95 metro fixado a uma câmarafotométrica que mede variações minúsculas na luz das estrelas para detectartrânsitosplanetários.Durante suamissãoprimária, foramusadasquatro“rodasdereação”paramanterofocodoKeplerfixoprecisamenteemumúnicocampode visão – uma faixa daVia Láctea principalmente situada na constelação doCisne(Cygnus).Seguindo-seàfalhadeduasdessasrodaseàperdadorastreiopreciso, os engenheiros encontraram um modo engenhoso para manter otelescópioorientadonoespaçousandoapressãodaradiaçãovindadoSol.Issopermitiuperíodosmaiscurtos,masaindaúteis,pararastrearestrelas.AtéagoraoKepler descobriu mais de mil exoplanetas, com outros milhares esperando aconfirmação.

A ideia condensada: A procura porplanetas em torno de outras estrelasnecessita de técnicas engenhosas e deinstrumentossensíveis25OutrossistemassolaresAntes da descoberta dos primeiros exoplanetas, os astrônomosassumiramquesistemassolaresalienígenasseguiriamumpadrãosemelhanteaonosso.Descobertasrecentes,noentanto,revelaramtoda uma gama de tipos inesperados de novos planetas e novasórbitas, sugerindo que os sistemas planetários evoluemsignificativamentedurantesuahistória.

Domomento,em1995,queMayoreQuelozanunciaramsuadescobertado51Pegasi B– o primeiro exoplaneta confirmado em torno de uma estrela parecidacom o Sol (ver página 99) –, os cientistas planetários se viram frente a umenigma.Onovoplanetaorbitavasuaestrelaemapenas4,23dias,7vezesmaispróximo do que Mercúrio está do Sol. E mais, a massa do planeta era pelomenos metade da massa de Júpiter (talvez significativamente mais). O queestariafazendoumprovávelplanetagigantedegástãopróximoàsuaestrela?

Àmedida que novosmundos começaram a aparecer emuma velocidade cadavezmaior,logoficouclaroqueo51PegasiBnãoeraumaexceção.Naverdade,uma fração substancial de todas as descobertas iniciais acabou sendo oschamados“Júpiteresquentes”–planetasgigantesemórbitaspequenasemtornodesuasestrelas.Issoeraemparteconsequênciadométododevelocidaderadialusado para fazer essas descobertas iniciais: apenas planetas substanciais têmmassa suficiente para afetar o desvio Doppler da luz de suas estrelas, e osdesvios repetidos devidos a planetas emórbitas de períodos curtos serãomaisfáceisdeseisolar.Alémdisso,ométododotrânsitotemumviésnadireçãodeachar planetas próximos às suas estrelas, não apenas porque seus eventos detrânsito ocorremmais frequentemente,mas também porque as chances de umalinhamentoqueprovoqueotrânsitosãodramaticamentemaioresparaplanetascomórbitasmenores.

Mas issonãoalteramuitoo fatodeque,deacordocommodelosatéentãodemodobem-sucedidosdeformaçãoplanetária(verpágina20),osplanetasdotipogigantesdegásnãoseriamcapazesdeseformartãopróximosaumaestrela.

Planetas fora de lugar Uma solução potencial para o problema do “Júpiterquente” surge de teorias demigração planetária, com a ideia de que planetasmudamdeposiçãosignificativamentedurantelongosperíodosdetempo.Dadasascondiçõesiniciaiscertas,nãoémuitodifícilmodelarumcenárionoqualumplanetagigantecomeçaavidaalémda linhadenevedeseussistemassolares,onde gás e gelo são abundantes, mas então espirala para dentro graças ainterações de marés com gás na nebulosa protoplanetária. Uma possibilidadesinistraéqueumplanetagiganteemtaltrajetolentoparadentrováinterromperas órbitas de quaisquermundos que tenham se formadomais próximos à suaestrela–exatamenteotipodemundospequenos,rochosos,quepoderiamabrigarvidaalienígena.

“Parece não haver nenhum motivo obrigando que planetasestrelareshipotéticosnãodevam...estarmuitomaispróximosdesuaestrelagenitora.”OttoStruve,1952

Atéagora foramdescobertos “Júpiteresquentes” comumagrandevariaçãodemassas,variandodepoucomenosdoqueopróprioJúpiteratécercade10vezesmaispesado,maisoumenosomesmoque amenordas estrelas anãsmarrons(ver página 92). Na extremidade menos massiva dessa variação, o calor daestrelapróximapodefazercomqueaatmosferadoplanetaaumenteemtamanho

como um balão contra a gravidade comparativamentemais fraca, criando um“planeta inchado” de baixa densidade. Esse efeito teoricamente previsto foiconfirmado por observações subsequentes de exoplanetas em trânsito, cujodiâmetropodesercalculadodiretamente.

Entretanto, alguns outros planetas, mais massivos, com gravidade maior,parecem ser maiores e mais quentes do que a teoria prevê. Em 2013, DerekBuzasi,daFloridaGulfCoastUniversity,identificouumaligaçãopotencialentreesses planetas “maiores do que o esperado” e a atividade magnética de suasestrelas mães, sugerindo que o magnetismo pode desempenhar um papelsubstancialemseusaquecimentos.

MedidadasatmosferasplanetáriasAtéagora,sóépossívelfazerimagensdaluzdiretadeexoplanetasemocasiõesmuito raras. Entretanto, observações de exoplanetas em transição podemocasionalmenterenderdadosarespeitodesuasatmosferas.Quandoumplanetapassa na frente de uma estrela, os gases em sua atmosfera absorvemdeterminadoscomprimentosdeondadeluz,alterandoopadrãoeaintensidadedo espectro de absorção da própria estrela (ver página 62). Em 2001, essatécnica foi usada para identificar sódio na atmosfera doHD209548B, um “Júpiterquente”auns154anos-luzdedistância,emPégaso.Maisestudosdesseplanetaenigmáticorevelaramumenvelopericoemhidrogênio,carbonoeoxigênio,queaumentaseupróprioraioemmaisde2vezes.Issoéumsinaldequeoplanetaestá perdendo sua atmosfera com o banho de calor de sua estrela mãe, queaumentasuatemperaturaacercade1.000°C.PelamedidadodesvioDopplernaslinhas de absorção do monóxido de carbono na atmosfera do planeta, umaequipelideradaporIgnasSnellen,daUniversidadedeLeiden,naHolanda,nãoapenasmediuavelocidadeexatadoplanetaemórbita,mastambémdetectouapresençadeventosdealtavelocidadeemsuaatmosfera,soprandoacercade5mile10milquilômetrosporhora.

Um zoológico extrasolar “Júpiteres quentes” foram os primeiros de diversasclasses novas de planetas que surgiram a partir de dados observacionais emodelagemporcomputadordesdeosanos1990.Essasincluem:

• Netunos quentes: como o nome sugere, esses planetas são gigantes com amassa de Netuno em órbitas próximas em torno de suas estrelas.Surpreendentemente, alguns modelos de formação de planetas sugerem quegigantes dessa classe poderiam potencialmente ser formados a uma distânciacomoadaTerradesuasestrelasmães,semnecessariamenteenvolvermigração.

• Planetas ctônicos: foram descobertos diversos sistemas nos quais radiação eventosestelaresestãoarrancandoascamadasexterioresdeum“Júpiterquente”,formando uma cauda, como a de um cometa. Os planetas ctônicos são ohipotético resultado final desse processo. O impiedoso vento solar deixariaexpostoapenasonúcleorochosodeumplanetaquejáfoigigante,reduzindoaumamassacomoadaTerra.

•Super-Terras: essesplanetas têmumamassadeporvolta5ou10massasda

Terra. Observações sugerem que superTerras têm diversas densidades e,portanto, uma série de composições.Alguns podem simplesmente ser planetasrochososenormes,enquantooutrospodemser“anõesdegás”.Aproximidadedaestrelacentraldeterminaascondiçõesdasuperfície,quepoderiapotencialmenteirdemaresdelavasemiderretidaagelosuper-congelado.Planetasoceânicossãoumsubgrupoparticularmenteintrigante,comumaaltaproporçãodeágua,queseacreditateremsidoformadosquandoummundoinicialmentegeladomigraparamaispróximodesuaestrela.

Esta tabelamostra como o tamanho de exoplanetasmais oumenos parecidoscomaTerravaria,dependendotantodamassacomodesuacomposição.

• Planetas de carbono e ferro: dependendo das condições na nebulosaprotoplanetáriainicial,planetasterrestrespodemacabarcomquantidadesmuitomaioresdecarbonoou ferro, emvezda rochade silicatoquedominaaTerra.Mundosdominadospeloferropodemtambémsercriadosquandoumplanetaébombardeado por grandes impactos que arrancam os elementosmais leves deseu manto. Em nosso sistema solar, acredita-se que algo assim foi o queaconteceucomMercúrio.

Até agora, o florescente estudo desses objetos está em sua infância,mas já épossível identificar uma gama surpreendente de características físicas emplanetasquenãoconseguimosobservardiretamente.Jáháplanosemandamento

paraumanovageraçãode telescópiosgigantesquepoderão resolver e estudarexoplanetas individualmente, revelando ainda mais a respeito desses mundosenigmáticosevariados.

A ideia condensada: A configuração donosso sistema solar é apenas uma demuitaspossibilidades26ZonasdeGoldilocksA busca por planetas verdadeiramente parecidos com a Terra,potencialmente capazes de sustentar vida usando bioquímicabaseada no carbono, é um dos maiores desafios da astronomiamoderna. Entretanto, a compreensão do que exatamente cria a“zonahabitável” em tornodeumaestrela emparticularprovouserumatarefasurpreendentementecomplexa.

A ideia de que as características da radiação de uma estrela afetam ahabitabilidadedeplanetasaoseuredorfoiapresentadaporescritoem1953pordois pesquisadores em separado: o físico alemão Hubertus Strughold e oastrônomonorte-americanoHaltonArp.OfatodequeascondiçõesplanetáriassejamquentespróximoaoSol,ficandomaisfriasmaislongenosistemasolar,ésabidoháséculos,masStrugholdfoioprimeiroadefinir“zonas”nasquaisvida

eramais oumenos provável, enquantoArp calculou a série de condições nasquais a água líquida poderia persistir numa superfície planetária. Em 1959,SuShuHuanguniuessesconceitosnaideiadeuma“zonahabitável”,baseadonoqueentãosesabiaarespeitodasorigensdavidaedascondiçõesqueelaexigia.

DefiniçãodazonadeGoldilocksDesdeentão,azonahabitável–popularizadadesdeosanos1970comoa“ZonadeGoldilocks”ou“CachinhosDourados”–tornou-seummodoamplamenteconhecidodepensararespeitodasperspectivasdevidaemtornodeoutrasestrelas.AnúnciosdenovosexoplanetasmuitasvezesseconcentramemquãoparecidoscomaTerraelessão,sendoquesuaposiçãonessazonaéumfatorfundamental.

De acordo com a história infantil, a Zona de Goldilocks deveria ser onde ascoisasnãosãonemquentesdemaisnemfriasdemais,mas“perfeitas”.Issopodeparecerbastantefácildecalcular:paraqualquerestrela,aregiãodeveficarentreospontosemquesuaradiaçãoaqueceasuperfíciedeumplanetaobastanteparaevaporarágua(pontodefervura),eondeéinsuficienteparaderretergelo(pontodefusão).Infelizmente,nãoéassimtãosimples:paramanterágualíquida,umplanetaprecisadeumapressãoatmosféricarazoavelmentesubstancial.Semela,a água líquida simplesmente evapora por ebulição, não importando atemperatura.Quantomaisbaixaapressão,maisbaixoéopontodeebuliçãodaágua, como gerações de montanhistas desapontados já perceberam ao tentarfazerumaxícaradechádecente.

Chauvinismodocarbono?AmaiorpartedasideiasarespeitodezonashabitáveisaceitaimplicitamentequeavidaemqualqueroutrolugarnoUniversoseriamaisoumenossemelhanteàvidanaTerra.Jáem1973,noentanto,ocientistaplanetárioCarlSaganadvertiuquetal“chauvinismodocarbono”poderiaserenganador.Narealidade,hábonsmotivos para supor que alguns pontos essenciais da vida se manteriam osmesmos por toda a galáxia. Pelamaior parte das definições, até as formas devidasmaissimplesenvolvemalgumtipodemoléculaportadoradeinformações,análogaaoDNAecapazdeserherdadaquandoumorganismosereplica.OCarbonopodeserrazoavelmentevistocomoabasemaisprovávelparatalmodelo,porqueaestruturadesseabundanteelementopermitequeeleformeumavariedadeúnicadeligaçõesquímicascomplexas(outroselementos,comoosilícioeogermânio,formam ligações de uma forma parecida, mas são menos quimicamentereativos). O papel chave da água, enquanto isso, baseia-se em uma simplesnecessidade de um meio fluido no qual os compostos químicos possam semovimentaresofrerasreaçõesnecessáriasparaconstruirmoléculascomplexas,para começar. Outros líquidos, como amônia, teoricamente poderiamdesempenharessepapel,maspeloquesabemos,aáguaétantoomeiopotencialmais abundante como também ummeio que semantém no estado líquido aolongodagamamaisampladetemperaturas.

Acapacidadede reterumaatmosferaéemsimesmaumafunçãodamassadoplanetaedesuaposiçãorelativaàsuaestrela.Condiçõesdealtagravidadee/oufriofazemcomquesejamaisfácilevitarquegasesemmovimentoconstantesepercam no espaço.Qualquer atmosfera tem um efeito de isolante térmico queajuda a nivelar as temperaturas entre os lados do dia e da noite do planeta,evitando que o calor do dia se perca imediatamente depois do pôr do sol.Entretanto, a composição química exata de uma atmosfera também tem umefeitosignificativo.Gasesdeefeitoestufa,comoodióxidodecarbono,metanoevapord’água,absorvemmuitomaisdocalorqueescapaemantêmasuperfíciedoplanetarelativamentemaisaquecida.EsseefeitoévistomaisnitidamenteemVênus,ondeumadensaatmosferadedióxidodecarbonoaqueceasuperfícieemcentenasdegrausacimadoqueelateriadeoutromodo.

UmacomparaçãoentreKepler-22 B,oprimeiroexoplanetaencontradonaZonadeGoldilocksemtornodeumaestrelasemelhanteaoSol,easórbitasdonossoprópriosistemasolarinterior.

Como ainda é impossível para nós analisar as atmosferas da maior parte dosexoplanetas, exobiólogos usammodelos padronizados para prever seus efeitosdeaquecimento.Em1993,ogeocientistaJamesKastingeoutrosmodelaramaZonadeGoldilockscomoaregiãoentreumabeiradainterior,ondeaáguadeumplanetacomgravidadefeitoadaTerraseriasempreperdida,independentementeda composição atmosférica, e uma beirada exterior, onde a água ficaria logoacima do ponto de congelamento numa atmosfera de “efeito estufa máximo”(dominada por dióxido de carbono). A estimativa de Kasting coloca a zonahabitáveldenossopróprio sistemasolarentre0,95e1,67 AUdoSol,sugerindoqueaTerraestámargeandoperigosamentepróximodabeiradainterna.Em2013,um novomodelo empurrou a zona habitável para ainda mais longe, a 0,99 e1,70AU.

Deslocando as traves do gol Mesmo que alguns cientistas tenham se

concentrado em refinar a posição dessa Zona de Goldilocks “tradicional”, domesmo modo novas descobertas aumentaram a dificuldade em definir onderealmenteficaazonahabitável,emostraramqueessacertamentenãoéaúltimapalavranabuscapelavida.ArevelaçãodeabundantesorganismosextremófilosnaTerra(verpágina51)mostrouqueavidapodesedesenvolveremumagamamuitomais ampla de ambientes do que se pensava, enquanto a descoberta deefeitosdeaquecimentopormaréseoceanossubterrâneosentreas luasdegelodo sistema solar exterior ampliou os parâmetros para mundos potencialmentecom condições de sustentar vida bem além das estimativas conservadoras daZonadeGoldilocks.

“Osprimeirossinaisdeoutravidanagaláxiapodemmuitobemvirdeplanetasemórbitaemtornodeumaanã.”ElisaQuintana,InstitutoSETI

Outros, enquanto isso, estenderam o conceito de habitabilidade ainda mais,estreitandoasopçõesparaexoplanetascompotencialdevida.Umaconsideraçãopossíveléa localizaçãodeumaestrelanagaláxiamaisampla.Deacordocomessaideiadezonagalácticahabitável,asestrelasnocoraçãoabarrotadodeumagaláxiatêmmaiorprobabilidadedeseremcalcinadaspelosraiosesterilizadoresdeexplosõesdesupernovas,enquantoestrelaspróximasàbeiradaexteriorvãoseformar semapoeiraexigidapara fazerplanetas terrestres.Algunsastrônomos,no entanto, duvidam que a posição de uma estrela seja assim tão útil. NikosPranzos,do InstitutodeAstrofísicadeParis,argumentouquehásimplesmentevariáveis demais envolvidas, e, nomínimo, há o fato de que a órbita de umaestrela dentro de uma galáxia podemudar consideravelmente ao longo de suavida.

Outra consideração não é espacial, mas temporal: com base no exemplo donossopróprioplaneta,aevoluçãodevidaavançadaparecelevartempo.Nocasoda Terra, as formas de vida unicelularesmais primitivas se estabeleceram emcercade1bilhãodeanosapartirdaformaçãodaTerra,masforamnecessáriosoutros3bilhõesparaquevidamulticelularexplodisse. Issopareceria limitaropotencialparavidanasestrelascomperíodosdevidademuitosbilhõesdeanos–emoutraspalavras,aquelassemmuitomaismassadoqueonossoSol.Algunstêmargumentadoque,comoteriatambémlevadomuitotempoparaqueanossagaláxiadesenvolvesseoselementospesadosnecessáriosàformaçãodeplanetascomoaTerra,nossageraçãodemundospodeseraprimeiracomopotencialparaavidaadiantada.

A ideia condensada: Podem existircondições para vida em muitosexoplanetas27GigantesvermelhasEntreasmaioresestrelasnoUniverso,asgigantesvermelhassãooestágiomaisespetacularnaevoluçãodeestrelascomoonossoSol,e desempenhamumpapel fundamental na criação de elementospesados. Antes consideradas estrelas bebês, sua naturezaverdadeirasófoireconhecidadepoisqueosconceitoserrôneosarespeitodaestruturaestelarforamabandonados.

Aexpressão“gigantevermelha”apareceucomadivisãodasestrelasemanãsegigantes feita por Ejnar Hertzsprung, em 1905, de acordo com suasluminosidades.TantoelequantoHenryNorrisRussellsederamcontadequeaaltaluminosidadeeabaixatemperaturasuperficialdessasestrelasindicavamumtamanhoenorme.Entretanto,eratambémclaroque,apesardeseudestaquenoscéusdaTerra,essasestrelasluminosaseramextremamenterarassecomparadasàssuasconfradesanãs,maispálidas.

ExplicandomonstrosAsgigantesvermelhassãotãograndesqueseumadelas

fossesubstituiroSolnonossosistemasolar iriaengolirasórbitasdediversosplanetas, inclusive a da Terra. Ainda em 1919, Arthur Eddington predisse otamanho da bem conhecida gigante vermelha Betelgeuse, na constelação deÓrion.Noanoseguinte,AlbertMichelsoneFrancesPeasefixaramaatençãoemBetelgeuse usando o Telescópio Hooker, no Observatório Mount Wilson, naCalifórnia–queeraentãoomaiordomundo–,paraconfirmaraestimativadeEddington.Mesmoassim,curiosamente,aevidênciapareciasugerirquegigantesvermelhasnãopesavamsignificativamentemaisdoqueestrelasanãsnormais.Éclaroquedeveriahaveralgumadiferençafundamentalentreoprocessodecriarenergiaemanãseemgigantes,masoquepoderiaser?

AsoluçãosurgiudaousadasugestãodeErnstÖpikem1938,dequeasestrelasnãosãohomogêneas(verpágina80). Indo de encontro às teorias dominantes na época, de que o interior dasestrelaserabemmisturado,elepropôsqueaproduçãodeenergiaocorrenumaregiãodiscretadonúcleoondeprodutosdafusãodohidrogênioseacumulamaolongodotempo.AplicandoaideiadeEddingtondeumequilíbrioentreaforçaparaforadaradiaçãoeapressãoparadentrodagravidade,Öpikmostroucomoonúcleoiriaficarmaisdensoemaisquenteàmedidaquegastavaseusuprimentodehidrogênio.Eventualmente,apesardoesgotamentodocombustíveldonúcleo,oefeitodeseucalornoseuentornocriacondiçõesadequadasàfusãoemumacascadematerialaoseuredor.

“Otempogastoporumaestrela...suaevoluçãocomoumagigantevermelhadeveserconsideravelmentemaiscurtodoqueoperíodoqueelagastanasequênciaprincipal.”GeorgeGamow

Devidoàsaltastemperaturasenvolvidas,essa“queimadacascadehidrogênio”ocorrenumavelocidademuitomaiordoquea fusãodonúcleo, aumentandoaluminosidadedaestrelaefazendocomquearegiãodoenvelopeacimadacascaseexpandaenormementeecrieumagigantevermelha.Comoaqueimadacascagastacombustívelrapidamente,Öpikviuqueissoseriaumafaserelativamentebrevenociclodevidadeumaestrela,explicandoporqueasgigantesvermelhassãotãomaisrarasnanossagaláxiadoqueasestrelasanãs.

AlémdacascadehidrogênioNo iníciodosanos1950, as ideiasde fusãodehidrogêniocomoaprincipalfontedeenergiaestelareaqueimadacascacomoaforçamotrizparaaevoluçãodegigantesvermelhasestavambemestabelecidas.A próxima questão óbvia era se outras reações de fusão também podiam

desempenhar algum papel. O hélio era especialmente interessante, já que éproduzido em abundância pelos estágios iniciais da fusão do hidrogênio.Diversos astrofísicos e cientistas nucleares começaram a focar emuma cadeiaemparticularde reaçõesde fusãodehéliocomoumpossívelcaminhoparaasestrelas poderem continuar brilhando e também para a geração de alguns doselementosmaispesadosabundantesnoUniverso.Asoluçãochegousobaformadeumprocessotriplo-alfa(verboxenapágina112).Trata-sedeumareaçãodefusãoentrenúcleosdehélioquecomeçaquandoonúcleodeumaestrelagigantevermelhaestáemcolapsolentoealcançaumadensidadeetemperaturacríticos.

Oprocessotriplo-alfaOmecanismoresponsávelpelafusãodohélioemcarbonoemnúcleosestelaresevoluídoséconhecidocomooprocessotriplo-alfa,porqueumnúcleonormaldehélio (consistindo de 2 prótons e 2 nêutrons) é equivalente a partículas alfaemitidas por algumas substâncias radioativas. O primeiro estágio do processoenvolve 2 núcleos de hélio unidos para formar um núcleo de berílio-8. Esseisótopodoberílioéaltamenteinstávelenormalmentesedesintegradevoltaemnúcleosdehélioquaseimediatamente,mas,quandocondiçõesdentrodonúcleoultrapassamdeterminadolimiar,osnúcleosdehélioconseguemfabricarberíliomais rapidamente do que ele consegue se desintegrar. À medida que aquantidade de berílio começa a aumentar no núcleo, o segundo estágio doprocessotorna-sepossível–fusãocommaisnúcleodehélioparacriarcarbono.Deacordocommodelosiniciaisdeinteraçõesnucleares,de1950,aocorrênciadesseprocessoseriaaltamenteimprovável,mesmoquandoosnúcleosdeberílioe de hélio sofrem compressão, mas o astrofísico britânico Fred Hoylebrilhantemente se deu conta de que isso deve ocorrer, se as estrelas fabricamcarbono. Ele, portanto, previu a existência de uma “ressonância” entre asenergiasdos3núcleosenvolvidos,que tornariaa fusãomaisprovável.Apesardo ceticismo das autoridades em física nuclear, exatamente uma ressonânciacomo essa foi depois descoberta pela equipe de William Alfred Fowler, noInstitutodeTecnologiadaCalifórnia,em1952.Uma vez que a queima do hélio torna-se possível, ele se espalha rapidamentepelo núcleo em um evento chamado “flash de hélio”. Essa nova ignição nonúcleo tem um efeito significativo na estrutura interna da estrela. A pressãorestaurada da radiação do núcleo faz com que a casca de hidrogênio emcombustão se expanda e fique menos densa, e a fusão “desacelere”. Comoresultado, a estrela, como um todo, se contrai e se torna ligeiramente menosluminosa. O suprimento de hélio do núcleo é exaurido bastante rapidamente,depois que a fusão do hélio passa para uma casca própria abaixo da casca dehidrogênio em combustão, e a estrela mais uma vez fica mais brilhante e seexpande. Para a vasta maioria das estrelas, o fim está se aproximandorapidamente – o núcleo, agora rico em carbono e oxigênio, continua a secontrair,mas jamais alcançaráas temperaturas extremasnecessáriasparaoutraetapadeexecução.

Mais tarde, em sua evolução,muitas estrelas gigantes vermelhas desenvolvem

pulsações em suas camadas exteriores, crescendo e encolhendo devido ainstabilidadesemsuaestruturainterna(verpágina114).Essasoscilaçõespodemseracompanhadaspormudançassubstanciaisnaluminosidade,quepodeserouuma mudança direta na liberação de energia da estrela, ou o resultado decamadasopacasdegásepoeiraricaemcarbonoquesãojogadasdaatmosferasuperiorobscurecendoaluzdafotosferaabaixo.

O desfecho final O astrônomo soviético Iosif Shklovsky explicou a sina dasgigantes vermelhas em1956.Ele encontrou um “elo perdido” evolutivo sob aformadenebulosasplanetárias.Essaslindasbolhasdegásinterestelar–comoformatodeampulhetaeanel–quesãoiluminadasporumaestrelabrancaquenteemseucentroparecemestarexpandindonumavelocidadeespantosa.Shklovskypercebeu que essas características fariam das nebulosas planetárias objetos devida muito curta em termos astronômicos (durando talvez apenas algunsmilharesdeanos),econcluiuqueelasdevemseruma fase intermediáriaentredoisoutrosobjetosmaisdisseminados.Aestrelabrancaquente,central,pareceserumaversãomaisquentedeumaanãbranca(verpágina126)–asinafinaldetodas as nebulosas planetárias. As conchas gasosas, enquanto isso,mostraramfortesemelhançacomasatmosferasdegigantesvermelhas–poderiaseressaasuaorigem?

Àmedidaqueexaureohidrogênioemseunúcleo,umaestrelasemelhanteaoSolsaidasequênciaprincipaldodiagramadeHertzsprung-Russell[1]ficandomais

brilhante e inchando para se tornar uma gigante vermelha [2]. A ignição donúcleodehélioavêsemoverparaoramohorizontal[3],masquandoohélioemcombustãotambémsemoveparaumacasca,aestrelainchaoutravezesemoveparaochamadoramogiganteassintótico[4].

Maistarde,pesquisasapoiaramconclusivamenteessasínteseousada.Em1966,GeorgeOgdenAbellePeterGoldreichmostraramexatamentecomoaatmosferade uma gigante vermelha podia fugir para se tornar uma nebulosa planetária,enquantoentreosanos1950e1970,MartinSchwarzschildeRichardHärm,emPrinceton, usaram computadores para modelar a história inteira das gigantesvermelhas comcomplexidade cada vezmaior.Mais recentemente, imagens doTelescópio Espacial Hubble e outros observatórios modernos revelaram maisdetalhesarespeitodosestágiosdemortedeestrelascomooSol.

Aideiacondensada:Gigantesvermelhassão estrelas idosas e evoluídassemelhantesaoSol28EstrelaspulsantesEmbora a grandemaioria das estrelas brilhe com luminosidademaisoumenosconstantepelamaiorpartedesuasvidas,algumasvariam significativamente no brilho em escalas de temporelativamente curtas. Algumas dessas são estrelas bináriaseclipsantes,masmudançasnaluminosidadepodemtambémseroresultadodeumaúnicaestrelasofrendopulsaçõesdramáticas.

A primeira estrela variável pulsante a ser descoberta é ainda a mais famosa.Catalogada como Omicron Ceti, a estrela vermelha no pescoço do monstromarinho da constelação Cetus sofre variações dramáticas de brilho que a fazpassar de um objeto facilmente visível a olho nu a outro só visível comtelescópios, emumciclo que dura cerca de onzemeses.Notada pela primeiravez porDavid Fabricius em 1596, JohannesHevelius logo a chamou deMira(literalmente“asurpreendente”).

VariáveissóforamdescobertasemgrandesnúmerosapartirdofimdoséculoXVIII,

e logo revelaram sua desconcertante variedade. Enquanto algumas eramobviamente estrelas vermelhas comoMira, compulsações de longos períodos,outras, como Delta Cephei, na constelação de Cefeu, variavam menosdramaticamenteeemperíodosdeapenasalgunsdias.

EnquantoasvariaçõesdeMirapodiamserumtantoaleatórias,logosedescobriuque as chamadas Cefeidas repetiam seu ciclo com precisão metronômica. Odesenvolvimento de técnicas fotográficas para medidas de alta precisão demagnitudes estelares no séculoXXrevelou uma série ainda maior de mudanças,incluindo estrelas que alteram o brilho por frações de uma magnitude emperíodos de minutos, e padrões mais complexos de múltiplas pulsaçõessobrepostas.

MudançasinternasOengenheiroalemãoAugustRitterfoioprimeiroasugerirquevariaçõesnobrilhodessasestrelaseramdevidasamudançasinatasemseusraiosebrilhos,em1879.Nessaépoca,amaiorpartedosastrônomosacreditavaque avariabilidade sedeviaunicamente aumprodutode interaçõesdentrodesistemas de estrelas binárias (ver página 96), de modo que suas ideias foramamplamentedesconsideradas.Em1908,entretanto,HenriettaSwanLeavitt(umadas Computadoras de Harvard de E. C. Pickering – ver página 65) fez umadescoberta importante. Entre milhares das variáveis Cefeidas fotografadas naPequenaNuvemdeMagalhães(umanuvemisoladadeestrelas,queagorasabe-se ser uma galáxia satélite da Via Láctea), parecia haver um relacionamentoclaro:quantomaisbrilhanteaaparênciamédiadeumaestrela,maislongooseuciclodevariação.Supondoque anuvemeraumobjeto físico a umadistânciarelativamente grande da Terra (de modo que todas as suas estrelas estãoefetivamenteàmesmadistância,ediferençasnamagnitudeaparenterepresentamdiferençasna luminosidade intrínseca),Leavitt foicapazdeconcluirquehaviaemaçãoumarelaçãogenuínaentreperíodoeluminosidade.

“É digno de nota que... as variáveis mais brilhantes têm osperíodosmaislongos.”HenriettaSwanLeavitt

Em 1912, Leavitt publicou uma evidência mais detalhada dessa relação. Suadescobertaderrubouideiashámuitoaceitasarespeitodasestrelasvariáveis, jáque não havia explicação plausível para o motivo de um sistema binárioeclipsanteousistemasemelhanteobedeceraessaregradeperíodo-luminosidade.Além disso, ela desempenharia mais tarde um papel fundamental nodesenvolvimento de ideias acerca do Universo em grande escala (ver página

148).

Apesardasevidênciasreunidasem1914porHarlowShapley,dequeasCefeidaseramimpulsionadasporalgumtipodemecanismodepulsação,aindanãohaviaumaexplicaçãodetalhadaprecisa.Então,nosanos1920,ArthurEddingtonusouseu novo modelo de interiores estelares para argumentar que as pulsaçõesdeviamserreguladasporuma“válvula”natural,quelimitaaradiaçãoquefogedasuperfíciedaestrela.

Além disso, ele mostrou como essa situação poderia surgir se uma camadaparticular do interior da estrela ficasse mais opaca. A densidade crescente deumacamada,devidaàcompressão,tenderiaaretardaroescapedaradiação,masoaumento resultantenapressãovindadebaixo iria eventualmente empurrar acamadaparafora,ondeelaficariamaistransparenteepermitiriaqueoexcessodeenergiaescapasse.Dessemodo,oprocessosetornaumciclorepetitivo.

OutrostiposdevariáveisNem todas as estrelas intrinsecamente variáveis podem ser explicadas pelomecanismo de pulsação de Eddington. Muitas estrelas jovens, como asestrelasTTauri(verpágina88)flutuamembrilhoporqueseusinterioresaindanãoalcançaram o equilíbrio, e podem ainda estar acumulando ou liberandoquantidades consideráveis de matéria. As supergigantes massivas, altamenteluminosas, enquanto isso, podem variar sua emissão de luz porque a meraquantidade de pressão de radiação que elas geram as torna instáveis, muitasvezeslevando-asasoltarsuascamadasexterioresnoespaçoaoredor(verpágina119).

Outras variáveis exigemuma explicação inteiramente diferente.Essas incluemasestrelasRCoronaeBorealis–gigantesqueocasionalmenteexpelemnuvensdepoeira opaca que bloqueiam a visão de grande parte de sua luz durante anos.Astrônomos também só recentemente começaram a reconhecer uma amplaquantidadedevariáveisemrotação.Essassãoestrelascujobrilhovariaàmedidaqueelasgiramemtornodeseuseixos,devidoouaenormesmanchasestelaresescurasemsuasatmosferas,efeitodecamposmagnéticospoderosos,ouaté–nocasodasquegirammaisrapidamenteeestrelasemsistemasbináriospróximos–distorçõesemseusformatosgerais.HaviasómaisumproblemaimportantecomateoriadeEddington–evidênciassugeremqueapressãocrescentenamaiorpartedas regiõesdeumaestrelanarealidadereduzsuaopacidade(umefeitoconhecidocomoaRegradeKramer).Sónosanos1950équeSergeiZhevakinencontrouummecanismoparaexplicaras pulsações nas Cefeidas. Estruturas conhecidas como zonas de ionizaçãoparcial são regiões no interior de uma estrela, relativamente próximas à suasuperfície, onde a ionização de alta temperatura (arrancando elétrons dosátomos) é incompleta. A compressão de gás nessas zonas libera energia queprovocamaisionizaçãoeaumentaaopacidade.

OlimitedaspulsaçõesEssemecanismodeopacidade(agoraconhecidocomomecanismokappa)ofereceumaboaexplicaçãoparaaspulsaçõesnasCefeidaseemamplagamadeoutrasestrelas.UmabandalargadiagonalnodiagramaH-R–achamada“faixadeinstabilidade”–éumaregiãoemqueoequilíbriodemassa,tamanhoe luminosidade faz surgir zonas semelhantesde ionizaçãoparcial.Asestrelas na faixa incluem as chamadas “Cefeidas clássicas”, parecidas com a

DeltaCephei,emuitasoutrasformas:

• Estrelas WVirginis: amplamente semelhantes às Cefeidas clássicas, mas commenos massa, essas estrelas têm menor quantidade de metais pesados e umadistintarelaçãoperíodo-luminosidade.

Omecanismokappacomeçacomumazonadeionizaçãoparcialtransparenteàradiação.Issoreduzapressãoderadiaçãodemodoqueascamadasexterioresdaestrela caiam lentamente para dentro [1]. Quando as temperaturas sobem osuficiente, a zona se torna ionizada e opaca, prendendo a radiação [2]. Issoaumenta a pressão para fora e a estrela começa a expandir [3] até queeventualmenteazonaesfriaesedesioniza,ficandotransparente[4]demodoqueoprocessopossaserepetir.

• Estrelas RRLyrae: essas velhas estrelas de “PopulaçãoII” são muitas vezesencontradasemaglomeradosglobulares(verpágina84).

•EstrelasDeltaScuti:tambémconhecidascomo“Cefeidasanãs”,essasestrelasmostram um padrão de variabilidade semelhante às Cefeidas, mas têm umperíodomuitomaiscurtoesãomaispálidas.

Emboraomecanismokappatenhasidobem-sucedidoemexplicarmuitostiposdeestrelavariável,umacompreensãoplenadeMira–amelhorestrelapulsanteno céu – permanece indistinta. Sua classe de “variáveis de período longo” émuito fria para que o mecanismo kappa funcione do mesmo modo que nasCefeidas.Omecanismonãoparece alterar sua liberaçãogeral de energia,masmudá-loradicalmentedeluzvisívelparaoinfravermelhoeoutravezdevolta.Aexplicaçãomaisplausívelnomomentoéquesuaspulsaçõessãocriadasporummecanismo de opacidade externo, talvez uma relação entre temperatura e aformaçãodepoeiraqueabsorveluznaatmosferasuperiordaestrela.

Aideiacondensada:Muitasestrelastêmbrilhovariável,algumascomumperíodoprevisível29SupergigantesAsestrelasmaisbrilhantesnoUniversosãoaté1milhãodevezesmais luminosas do que o Sol. Elas vão das supergigantes azuis,compactas,maspesos-pesados,asupergigantesvermelhasquesãomenos massivas, mas não menos brilhantes. Tais monstrosestelares desempenham um papel fundamental em semear ocosmoscomelementospesados.

Abuscapelasestelasmaisbrilhantesepesadaséumpassatempopereneparaosastrônomos,masoestabelecimentodafísicaportrásdelasfoiumavançocrucialemnossacompreensãodoUniversocomoumtodo.OtermosupergigantevemdaposiçãodessasestrelasnodiagramadeHertzsprung-Russell.Umadivisãodediferentes “classes de luminosidade” de estrelas para acompanhar seus tiposespectrais foi formalizadanos anos 1940 e 1950porWilliamWilsonMorgan,PhilipC.KeenaneEdithKellman.MuitasvezesconhecidacomoaclassificaçãoMKou Yerkes, (ver boxe na página 121), cada classe de luminosidade nesse

sistema é designada por um algarismo romano. Anãs normais da sequênciaprincipalsãoclassev,enquantoassupergigantessãodivididasemclasseiaeIb.Umaclassedehipergigantesaindamaisbrilhantes–classeo–foiacrescentadamaistarde.

Ainda nos anos 1920, Arthur Eddington sugeriu que há um limite deluminosidade acima do qual nenhuma estrela consegue permanecer estávelcontra a pressão para fora da radiação. Como a massa e a luminosidade sãorelacionadas, issocolocaum limite superiornamassadeestrelasestáveis.Atérecentemente, achava-se que esse limite estaria em poucas dezenas demassassolares, mas sabe-se agora que uma ampla série de fatores influencia aestabilidade de estrelas e permite que elas fiquem consideravelmente maismassivas sem chegar a realmente se explodir no processo de formação.Dessemodo,aestrelamaispesadaconhecidahojeéR136a1,umamastodônticacom265massassolaresnocoraçãodeumadensaaglomeraçãodeestrelasjovensnagaláxiadaGrandeNuvemdeMagalhães.

Monstros variados Nas estrelas mais massivas, a gravidade ultrapassa atendência natural para expandir, mantendo-as como supergigantes azuisrelativamentecompactascomtemperaturassuperficiaisemdezenasdemilharesde graus. Mesmo assim, o ponto essencial de Eddington, de que as altasluminosidades de estrelas massivas fazem com que elas fiquem instáveis, écorroborado na variedade de supergigantes diferentes que até então foramestudadas.Asvariáveis azuis luminosas (LBVS, em inglês) são estrelas altamenteevoluídas(emboracomapenaspoucosmilhõesdeanosdeidadegraçasaotempode vida acelerado das estrelas mais massivas) e diferem violentamente emtamanho,brilhoetemperaturassuperficiaisàmedidaqueseaproximamdofinaldesuasbrevesvidas.

“Parece haver uma ampla relação entre a massa total de umaaglomeraçãoeaestrelamaismaciçadentrodela.”PaulCrowther

UmtantomenosmassivadoqueasLBVSsãoassupergigantesbrancas,conhecidascomo estrelas WolfRayet. Observadas pela primeira vez nos anos 1860, oespectrodelas revelaquesão rodeadasporgásemrápidaexpansão,equenãoobedecemàrelaçãoesperadaentremassa,temperaturaeluminosidade.SãoumexemploclássicodateoriadeEddingtonemação:estrelasquecomeçamavidacomtantaluminosidadequeosventosestelaresdealtavelocidadearrancamsuascamadassuperficiais.Aexposiçãodecamadasmaisprofundasemaisquentessó

aumentaapressãoparaforadaradiação,criandoumefeitoemcadeiaquepodefazer a estrela perder uma quantidade considerável demassa – talvez valendodezenas de sóis – durante sua breve vida queimando hidrogênio. Essa rápidaperda de massa tem um efeito significativo no modo como as estrelas sedesenvolvemnosúltimosestágiosdesuasvidas.

Assupergigantesamarelas,maisfrias,sãoestrelasquejáesgotaramohidrogêniode seu núcleo e estão se expandindo na direção de uma fase supergigantevermelha.Àmedida que fazem isso, atravessam a “faixa de instabilidade” dodiagrama H-R e se tornam variáveis Cefeidas (ver página 114). Graças à perdaanteriordematerial,elastendemasermenosmassivasdoqueasLBVS,commassade até 20Sóis.As supergigantes vermelhas, enquanto isso, são o resultadodeexpansão durante as fases finais da evolução estelar. Análogas às gigantesvermelhas,elasseformamquandoafusãomigradonúcleodaestrelaparaumaou mais camadas tipo cascas. Essas são as maiores estrelas no Universo emvolume,comdiâmetrosequivalentesàórbitadeJúpiterouatémaior.Entretanto,apenasestrelasdeaté40massassolaresalcançamesseestágio;asestrelasmaispesadasacabamemsupernovascomfinaisviolentosenquantosãoapenasLBVS.

O interior de uma supergigante evoluída consiste em um enorme envelope dehidrogênio, talvez com um diâmetro equivalente à órbita de Júpiter. Em seucentroháumasériedecascasrelativamentepequenasfundindodiversosnúcleosparaformarelementosatéamassadoferro.

Fornalhas de elementos Em 1954, Fred Hoyle delineou os processos que

acontecem dentro de supergigantes. Ele argumentou que as enormes pressõesexercidas pelas camadas exteriores dessas estrelas comprimiriam seus núcleosnofimdavida,fazendocomquefiquemtãoquentesqueosprocessosdefusãonão terminariamnoprocesso triplo-alfa, comonas estrelas semelhantes aoSol(verpágina112).Emvezdisso,afusãocontinuariacomprimindoosnúcleosdeelementos, como carbono e oxigênio, junto com o hélio, para construirelementoscadavezmaispesados,comoneônioesilício.

Oprocessocontínuoacabariacriandoelementosatéoferro,cobaltoeníquel–oselementosmaispesadoscuja formação liberamaisenergiadoqueabsorve.Asorigensdeelementosmaispesadosdoqueoferro,noentanto,permaneceramummistério.Então,em1952,umaequipeformadapormaridoemulher,GeoffreyeMargaret Burbidge, descobriu um número de estrelas pouco comuns, quepareciam ter sido enriquecidas com esses elementosmais pesados.Como elesnãopoderiamserformadospormeiodefusãodireta,oúnicojeitoalternativodeexplicar sua formação era pelo bombardeio lento de núcleos mais leves comnêutronssubatômicos individuais.O trabalhodosBurbidgeatraiuaatençãodeWilliamAlfredFowler,eelescomeçaramacolaborarcomeleecomHoyle.Oresultadofinalfoiumfamosoartigode1957,conhecidocomoB2FH(apartirdoacrônimodeseusautores).Esseartigodelineavapelaprimeiravezopapelnãoapenasda fusãonuclear,mas tambémdosdois tiposdecapturadenêutrons,oprocesso lento, “processo-s”, e o processo rápido, “processo-r”, na criação deelementos dentro de estrelas massivas. Independentemente, o astrofísicocanadense Alastair G.W. Cameron estava seguindo uma linha semelhante depesquisa,ligandooprocesso-raexplosõesdesupernovas(verpágina124).Issoprovouseropassofinalcrucialnaexplicaçãodaorigemdoselementosdentrodeestrelas.

ClassesdeluminosidadeEm 1913, o físico alemão Johannes Stark descobriu um fenômeno conhecidocomo alargamento por pressão, que faz com que as linhas de absorção ou deemissãodosespectrosassociadosaumgásemparticularsetornemmaislargasquandoogásestásobaltapressão.Issoacontecedevidoaoaumentononúmerodecolisõescompartículasdegásvizinhas,criandoligeirasvariaçõesnaenergiageral emitida ou absorvida por cada átomo individual. Morgan e Keenan, noObservatório Yerkes, perceberam que isso podia ser usado para se estimar otamanhodeumaestrela.Comogasesnafotosferadeumaestrelapequena,densa,estão a pressões mais altas do que os que estão na fotosfera de uma giganteinchada, as anãs, portanto, deveriam produzir linhas espectraismais largas doqueasgigantes.EssafoiumadasinovaçõesfundamentaisnosistemaMK,criandoumatalhoparaidentificarluminosidadesestelares.

Uma vez que esse método independente de medir o tamanho estelar foicombinadocomasinformaçõesarespeitodacoredotipoespectral,foipossíveldeduzir diretamente a luminosidade de estrelas e, por extensão, calcular suadistânciaprováveldaTerra.Issomostroupelaprimeiravezquediversostiposdeestrelasaparentementenão relacionadas,comcoresecaracterísticasdiferentes,eram,defato,todassupergigantesaltamenteluminosas.

A ideia condensada: Estrelas pesos-pesadostêmvidacurtaemorremjovens30SupernovasEnquantoestrelasfeitooSolterminamsuavidanatranquilidaderelativadoanelde fumaçacósmicadeumanebulosaplanetária,pesos-pesados estelares têm vida rápida e morrem jovens.Terminamsuavidanumaexplosãoespetaculardesupernovaquepode brevemente superar o brilho de uma galáxia inteira deestrelasnormais,alémdeejetarmaterialparaformaçãodenovasestrelaspeloespaço.

As supernovas ocorrem numa taxamédia de cerca de uma por século naViaLáctea,ealgumasvezespodemsetornarosobjetosmaisbrilhantesnoscéusdaTerra.Como tais, elas têm sido observadas e registradas ao longo da história,maisnotavelmenteem1054,quandoamorteviolentadeumaestrelaemTouroiluminouocéuànoiteedeixouparatrásanuvemretalhadadegássuperquenteconhecida como a Nebulosa do Caranguejo. Mais tarde, em 1572, umasupernova ajudou a estremecer suposições antigas a respeito da imutabilidadedoscéuseacelerouaRevoluçãoCopernicana(verpágina7).Araridadedessesobjetos,noentanto,ostornoudifíceisdeseremestudados–desdeainvençãodo

telescópio não se sabe da ocorrência de nenhuma na nossa galáxia. Só depoisquearealidadedegaláxiasalémdaViaLácteafoiaceita,nosanos1920,équeosestudosdesupernovasrealmentedecolaram,jáquecomeçaramaseravistadaseestudadasemgaláxiasdistantes.

NorastrodesupernovasLevou tempoparaqueosastrônomosdistinguissemsupernovasdenovasnormais,quesãoasexplosõesocasionaisdeestrelasfracas(verpágina131).Aprimeirasupernovaaserreconhecidacomotal,em1934,narealidade ocorreu quase meio século antes nas imediações da galáxia deAndrômeda. Foi necessário um grande avanço na medida de distâncias (verpágina 148) para tornar claro como tinha sido violenta a explosão da “SAndromedae”, em 1885. Walter Baade e Fritz Zwicky, trabalhando noObservatórioMountWilson,naCalifórnia,calcularamqueeladevatersidopelomenos 1 milhão de vezes mais luminosa do que o Sol, e cunharam o termo“supernova”paradescrevê-la.

Nosanosseguintes,Zwicky,BaadeeRudolphMinkowski levaramadianteumlevantamentointensodesupernovasemoutrasgaláxias.Zwickyfezapesquisainicialdeaparecimentodenovasestrelas,Baadeseguiumedindoamudançanobrilho de cada descoberta (construindo um modelo de sua “curva de luz”) eMinkowski se concentrou na obtenção dos espectros. Baade, além disso,investigou potenciais supernovas históricas em nossa própria galáxia. Eleconfirmou que a “nova estrela” de 1572 tinha sido de fato uma supernova edescobriuqueaNebulosaCaranguejodeviaserumaremanescente(aoinvésdeumanebulosaplanetária),graçasàsuarápidataxadeexpansão.

“Apresentamos a opinião de que uma supernova representa atransição de uma estrela comum para uma estrela de nêutrons,consistindoprincipalmentedenêutrons.”FritzZwick

Com base em dados de mais de uma dúzia de supernovas individuais,MinkowskieZwickyapresentaram,em1941,umsistemadeclassificaçãocujascaracterísticas fundamentais são usadas ainda hoje. Por meio de umacombinaçãode características de linhas espectrais e de diferenças na curvadaluz quando ela enfraquece de volta para a escuridão, eles separaram assupernovas grosso modo em Tipos i e ii, com diversas subdivisões em cadacategoria. Entretanto, essa divisão é um tanto enganadora, já que os objetosclassificadoscomosupernovasTipo IAacabaramsemostrandocomotendoumaorigemumtantodiferentedetodooresto(verpágina132).

ExplosãodeestrelasCombasenocomportamentodaSAndromedae,ZwickyeBaademostraram, ainda em1934, queuma explosãode supernova envolvia aconversãodegrandesquantidadesdemassaemenergiapura,deacordocomafamosa equação de Einstein, E=mc2. Eles argumentaram que uma supernovarepresentava a transição entre uma estrela peso-pesado e alguma coisaconsideravelmentemenosmassiva.Alémdisso,elesteceramahipótesesobreaexistência de estrelas de nêutrons superdensas (ver página 128) como umpossívelprodutofinaldetalexplosão.Entretanto,foisónoartigodereferênciaB2FH, de 1957 (ver página 121) queMargaret eGeoffreyBurbidge,WilliamFowler e Fred Hoyle delinearam os processos verdadeiros em ação em umatípicasupernovaTipoII.

A explicação de Hoyle da fusão do carbono em estrelas (ver página 112)convenceu-odequeos interioresdasestrelasmaispesadas (maisde8vezesamassa do Sol) acumulariam uma série de cascas de fusão, feito uma cebola,criandoelementosatéoferroeoníquel,embaixodeumenvelopeampliadodehidrogênio.Aabsorçãodeenergiapeloferroemfusão,noentanto,seriamaiordoqueaenergialiberadaporele,cortandoafontedeenergiadaestrela.Hoyleviu que, sem a pressão da radiação para fora para sustentá-la, uma vez que amassadonúcleo inevitavelmente excedesseoLimitedeChandrasekharde1.4massas solares (ver página 128), ela iria repentinamente desabar para formarumaestreladenêutrons(verboxeabaixo).

ColapsoereboteRoubadasdosuporte,ascamadasexteriorescaemparadentro,eaírepicamnasuperfíciedaestreladenêutronsproduzindoumatremendaondade choque.Essa é a causada supernovavisível, e a compressão repentina eoaquecimentodramáticodascamadasexterioresdaestrela liberamumaondadereações nucleares normalmente inalcançáveis. Fundamental entre essas está oprocesso-r, no qual nêutrons, produzidos em abundância pela formação dasestrelas de nêutrons, são capturados por núcleos pesados, como ferro. Hoylepercebeuqueissopoderiaproduzirumaamplagamadeelementospesadosemquantidades substanciais, finalmente resolvendo o antigo problema de suaorigem.

NeutrinosdesupernovaA formação de uma estrela de nêutrons envolve uma reação nuclear na qualprótons e elétrons eletricamente carregados são comprimidos para formarnêutrons.Noprocesso,partículassubatômicaschamadasneutrinossãoliberadascomo subproduto, emuitasmais são emitidas como ummodo de a estrela denêutron espalhar rapidamente o excesso de calor gerado pelo seu colapsogravitacional. Os neutrinos quase não têm massa e viajam muito próximos àvelocidadedaluz,demodoquepodememergirdasupernovamuitoantesqueaexplosãoemsuascamadasexternasganhevelocidade.Essaspartículas rápidassão notoriamente difíceis de se detectar, mas observatórios avançados deneutrinosenterradosfundonaTerraoferecemumsistemaútildeavisoprecocepara supernovas iminentes, além de ummeio de sondar eventos no núcleo deumaestrelaemprocessodeexplosãoeemtornodele.

OartigoB2FHfoimuitoconvincenteporquesuasprevisõesseencaixavambemcomasnovasestimativasdaabundânciadeelementoscósmicospublicadasem1956 pelos químicos Hans Suess e Harold Urey (baseadas em medidasmeticulosas de amostras de meteoritos). Entretanto, não acertou em tudo.Alastair Cameron, trabalhando independentemente, foi o primeiro a explicaradequadamente a importância do processo-r, e foi também necessáriamodelagem computacional por William Fowler, seu aluno Donald Clayton eCameronpararesolveroutrosproblemasimportantes.AclássicasupernovaTipoII(algumasvezeschamadadesupernovadecolapsodenúcleo)ocorreemestrelascommassasdeatécercade40-50vezesasolar.OseventosTipo IBeTipoIC,quebrilhameenfraquecemdemodoumtantodiferente,envolvemummecanismosemelhante,masocorrememestrelasWolf-Rayetquesoltaramumaquantidadedemassasubstancialdesuascamadasexteriores(verpágina 119). Para confundir, supernovas tipo ia envolvem um mecanismointeiramentediferente,eaindamaisespetacular(verpágina131).

HipernovasOs estágios finais de estrelas realmente massivas podem ser ainda maisdramáticos do que os de uma supernova “normal”. Estrelas monstros com amassa do núcleo entre 5 e 15 vezes a do Sol desabam para formar buracosnegrosemseuscentros (verpágina134).Essespodemcapturar e rapidamenteengolirmaterialdascamadasexterioresdaestrelaenquantoelasaindaestãonoprocesso de explosão. Normalmente isso abafa o brilho da explosão original,mas se a estrela estivergirando rápidoo suficiente, o furorde alimentaçãodoburaco negro vai também gerar feixes potentes de partículas em movimentopróximoàvelocidadedaluz.Quandoessesinteragemcomoenvelopeexteriorda estrela em explosão, podem energizar esse envelope até alcançar umaexplosão de 10 a 20 vezes o brilho de uma supernova normal. Essas“hipernovas” liberam também uma explosão de raios gama de alta energia.Curiosamente,osnúcleosmaismassivosdetodosnãoproduzemnenhumdessesefeitos–agravidadedosburacosnegrosqueformamétãofortequeengolemaestrelaantesquepossaexplodirinteiramente.

A ideia condensada: Estrelassupergigantes morrem em explosõesviolentas31RemanescentesestelaresNo final da vida, uma estrela finalmente solta suas camadasexteriores expondo o núcleo exaurido, que passará a ser seuremanescente duradouro. As circunstâncias exatas em queocorremessesestertoresdamortedaestrelaeotipodeobjetoquedeixam para trás como consequência são fundamentalmentedeterminadospelamassageralestrelar.

Astrônomos reconhecem três principais tipos de remanescentes estelares: emordemdedensidadecrescenteetamanhodecrescente,essessãoasanãsbrancas,as estrelas de nêutrons e os buracos negros. Os últimos são os objetos maisestranhosnoUniversoeserãotratadoscommaioresdetalhesnocapítulo33,masagrandemaioriaderemanescentesécompostaporanãsbrancasouestrelasdenêutrons.Hojesabemosqueanãsbrancassãoosestágiosfinaisdeestrelascommenos de oito massas solares, o que compreende a maioria esmagadora dapopulaçãoestelardanossagaláxia.Estrelasdenêutronseburacosnegrossãoos

fantasmas de estrelas mais maciças, que gastam suas vidas queimandohidrogêniocomosupergigantes,antesdemorrerememsupernovasespetaculares(verpágina122).

AnãsbrancasTodososremanescentesestelaressãomuitomenoresdoquesuasestrelas genitoras e, portanto, muito mais fracos e mais difíceis de detectar.Nenhuma anã branca é visível a olho nu, mas a primeira a ser registrada foinotada como um membro do sistema de estrelas múltiplas 40 Eridani, porWilliamHerschel,aindaem1783.Entretanto,asignificânciadessaestrelasófoipercebidamuitomaistardee,comoresultado,asprimeirasanãsbrancasaseremreconhecidascomoumaclassedeestrelassignificativaepoucocomumforamascompanheiras de duas das estrelas mais brilhantes do céu: Sirius e Prócion.Friedrich Bessel notou ligeiras alterações na posição dessas duas estrelaspróximas em 1844 e ligou suas oscilações à presença de estrelas não visíveispresas em órbita com elas. Entretanto, Sirius B só foi avistada por meio detelescópio em 1862, quando observada pelo astrônomo norteamericano AlvanGrahamClark.

“Àmedidaqueodiagramafluíasobacaneta,pudeverqueosinaleraumasériedepulsos...queaconteciamcomumadiferençade11/3desegundoentreeles.”JocelynBellBurnell

Noiníciodoséculo XX,astrônomosmediramosespectrosdeanãspelaprimeiravez e acharamque elas erammuito semelhantes a estrelas brancas “normais”,mas continham quantidades acentuadas de carbono, nitrogênio e oxigênio emsuas atmosferas. Suas órbitas, enquanto isso, indicavam que deviam carregarmassa significativa apesar de sua palidez. Era claro, então, que essas estrelaserammuitomenoresemaisdensasdoqueaquelasnasequênciaprincipal,masmesmo assim tinham superfícies extremamente quentes. Como a massa delasnãopoderiasersustentadaporpressãoderadiação,comoaconteceemestrelasmaiores, alguma outra coisa devia evitar que as anãs brancas colapsasseminteiramentesobseuprópriopeso.

MatériaexóticaWillemLuytenchamouessesestranhospesos-pesadosdeanãsvermelhasem1922,masumaexplicaçãoparasuaspropriedadespoucocomunstevedeesperaraté1926,quandoo físicoRalphH.Fowleraplicouumrecém-descoberto fenômeno de física de partículas ao problema. O princípio deexclusãodePauliafirmaquepartículassubatômicascomoelétronsnãopodemocupar omesmo estado quântico simultaneamente, demodoque em situações

extremas–taiscomoasdeumaestrelaemcolapso–elascriamuma“pressãodeelétrondegenerado”.Essapressãoimpedequeasanãsbrancascaiam,comoumtodo,sobseuprópriopeso,criando,emvezdisso,umaestrelasuperdensamaisoumenosdotamanhodaTerra.

Umaspectocuriosodapressãodeelétrondegeneradoéque,quantomaismatériaoobjetocontiver,menoremaisdensoelevaificar.Porfim,éultrapassadoumlimiar emqueaté apressãodos elétronsnãoconsegueevitar seu colapso.Em1931, o astrofísico indiano Subrahmanyan Chandrasekhar calculou o limitesuperiordamassadeumaanãbrancapelaprimeiravez(cercade1,4massasolarpelas medidas modernas). Esse importante Limite de Chandrasekharcorrespondeàmassageralestelardecercade8vezesadoSol.Chandrasekharacreditavaque,alémdisso,umaanãbrancairiainevitavelmentecolapsaremumburaconegro.

MagnetarsUmaformapoucocomumdeestreladenêutron,osmagnetarspodemoferecerumaexplicaçãopossívelparaalgunsdoseventosmaisviolentosnagaláxia,oschamados“repetidoresderaiosgamamoles”,queemitempoderosasrajadasderaiosxeatéosmaisenergéticosraiosgama.Magnetarssãoestrelasdenêutronscomumperíododerotaçãosingularmentelento,medidosemsegundos,emvezde frações de segundo, e um campo magnético singularmente potente geradodurante o colapso inicial da estrela de nêutrons e sustentado por sua estruturainterna.Aforçadocampodiminuirapidamenteaolongodealgunsmilharesdeanos,mas,enquantopersiste,imensosabalossísmicosestelaresnasuperfíciedaestreladenêutronsqueestáseestabelecendopodemlevaraorearranjorepentinodocampomagnético,liberandoenergiaquealimentaasrajadasderaiosgama.

Embora Chandrasekhar tenha essencialmente acertado namatemática, ele nãopoderia saber que há um estágio intermediário entre anãs brancas e buraconegro. A confirmação, em 1933, da existência das partículas subatômicaschamadasdenêutronsabriuumanovaáreaàexploraçãodosfísicos.Logoficouclaro que os nêutrons produzem sua própria pressão degenerada, que age emescalas aindamais curtas doque apressão entre elétrons.Umanomais tarde,WalterBaade e seu colega, FritzZwicky, previram a existência de estrelas denêutrons como umproduto final de explosões de supernova (ver página 124).Eles argumentaram que a degeneração de nêutrons poderia sustentar estrelasalémdoLimitedeChandrasekhar,interrompendoseuscolapsosemdiâmetrosdeapenas 10 a 20 quilômetros. O tamanho minúsculo desses objetos,aparentemente,fariacomquefosseimpossívelobservá-losdiretamente.

Faróiscósmicos Embora estrelas de nêutron fossem indubitavelmente objetoshipotéticosinteressantes,suasupostainvisibilidadesignificavaquepoucagentese incomodava em investigá-lasmais profundamente. Então, em novembro de1967, a pesquisadora PhD de Cambridge Jocelyn Bell se deparou com umcurioso sinal de rádio periódico vindo do céu. Com duração de apenas 16milissegundosecomrepetiçãoacada1,3segundo,essesinalvinhadeumobjetonão maior do que um planeta. Primeiramente, foi apelidado de LMG-1, umareferênciaàpossibilidadedequepudesseserumsinalvindode“homenzinhosverdes”alienígenas.Adescobertadesinaissemelhantesemoutraspartesdocéulogo eliminou essa possibilidade, e a caça de uma explicação se focou nos

remanescentesestelaresextremos.

Por uma notável coincidência, o astrofísico italiano Franco Pacini tinhapublicado um artigo científico poucas semanas antes, discutindo como aconservaçãodemomentoeoscamposmagnéticosiriamafetaronúcleodeumaestrela colapsada. As estrelas de nêutrons, argumentou ele, podiam girar comextrema rapidez, enquanto seus campos magnéticos canalizariam matéria eradiaçãoemitidosparafeixesintensossaindodeseuspolos.PacinieoutroslogoconfirmaramqueBelltinhatropeçadoemumdessesobjetos–umfarolcósmicoagoraconhecidocomoumpulsar.Entretanto, foioorientadordodoutoradodeBell,AntonyHewish, junto como pioneiro em radioastronomia,MartinRyle,quereceberamoPrêmioNobeldeFísicapeladescoberta.

EstrelasdequarksSeonúcleodeuma estrela emprocessode colapso temumamassa acimadochamadoLimitedeTolman-OppenheimerVolkoff(TOV)–algumacoisaentre2e3vezesamassadoSol–,entãonemadegeneraçãodenêutronsconseguiriacriarpressão suficiente para interromper seu colapso. Costumavase supor que umnúcleo desses iria desabar imediatamente num buraco negro quando seusnêutrons se desintegrassem em partículas componentes, conhecidas comoquarks, mas físicos nucleares modernos sugeriram uma possível parada noprocesso sob a forma de estrelas de quarks. Esses objetos estranhos sãosustentadosporumtipodepressãodedegeneraçãoentreosprópriosquarks.Amatériadoquarksópodeficarestávelsobtemperaturasepressõesextremas,epodeinterromperocolapsonumdiâmetrodecercademetadedeumaestreladenêutrons,porvoltade10quilômetros.Étambémpossívelquematériadequarkpossa criar um núcleo superdenso dentro de uma estrela de nêutron,potencialmentepermitindoqueelasobrevivaalémdolimiteTOV.

Aideiacondensada:AmortedeestrelasdeixaparatrásosobjetosmaisestranhosnoUniverso32EstrelasbináriasextremasQuandoosastrônomosinvestigaramreinosalémdaluzvisível,noséculoXX,foireveladaumavariedadedeobjetosexóticos,taiscomoestrelasqueemitemintensosraiosxesinaisderádio.Aexplicaçãopara esses sistemas estranhos resultou nas interações entreestrelasnormaiserestosdeestrelas.

Emumartigode1941,queprocuravaexplicaraspropriedadesdeumacuriosabináriaeclipsante (ver página96) chamadaBetaLyrae,GerardKuiper sugeriuque estrelas num sistema binário podem algumas vezes orbitar próximo osuficienteparaqueamatériaseja transferidaentreelas.Kuipermodelouoqueaconteceria se uma ou ambas as estrelas em tal sistema transbordassem seulóbulo de Roche (o limite em que podem se manter inteiras contra a atraçãogravitacionaldeumavizinha).Noprocesso,elemostrouqueomaterialnãoseriaapenasarrastadodiretamentedeumaestrelaparaoutra,masseacumularianum“discodeacreção”acimadoequadordaestrelareceptora.Issoéparticularmente

prováveldeaconteceremsistemasemqueumrestodeestrelapequeno,denso,éacompanhadoporumagigantevermelhainchadacomumcontrolerelativamentefraco sobre suas camadas exteriores de gás (um cenário que pode aparecerporqueestrelasdemassasdiferentesenvelhecememvelocidadesdiferentes).Emtalsituação,aestrelamenosmassivaeinicialmentemaisfracapodeacabarcomoamaisluminosadopar,orbitadaporumapequena,masmassiva,anãbranca,ouaté(seaestrelavirarsupernova)umaestreladenêutronsouumburaconegro.Combinado com a presença de um disco de acreção, um sistema desses podeproduzirumasériedeefeitos.

Variáveis cataclísmicas Curiosamente, binárias envolvendo a forma menosextremaderemanescenteestelar(umaanãbranca)produzemosresultadosmaisviolentos e espetaculares. Além de ocasionais explosões estelares conhecidascomo novas, ou “variáveis cataclísmicas”, elas podem produzir as explosõesmais raras e ainda mais impressionantes chamadas supernovas Tipo ia. Adistinçãoentreessasduasclassesdeeventossóse tornouclaranosanos1930,graçasàcaçadeFritzZwickyeWalterBaadeporsupernovasemoutrasgaláxias(verpágina123).

A primeira nova a ser ligada a uma explosão foi TAurigae, que explodiu daobscuridade, em 1892, para se tornar uma estrela visível a olho nu. Estudosespectroscópicossugeriramqueelaerarodeadaporumacascadegásemrápidaexpansão,eumateoriainicialsugeriuquenovaseramcriadasquandoestrelassemovimentavam através de nuvens densas de gás interestelar e as aqueciam àincandescência. A explicação verdadeira só apareceu a partir dos anos 1950,quando astrônomos estabeleceram que sistemas de novas esmaecidas são emgeral binários, com uma única estrela visível orbitada por uma companheirapequena,commuitamassa.

Namaiorpartedasvezes,aanãbrancaemumsistemadenovaconstantementeatrai material de sua estrela companheira [1] acumulando uma atmosfera emtorno dela por disco de acreção. Ocasionalmente [2] a atmosfera torna-se tãoquenteetãodensaqueexplodeemumatempestadedefogonuclear.

Nos anos 1970, o astrônomo norte-americano Sumner Starrfield e diversoscolegas conseguiram estabelecer que as estrelas companheiras menores emsistemasdenovaeramanãsbrancas,desenvolvendoummodelode“detonaçãotermonuclear” para explicar o que estava acontecendo. De acordo com essateoria, as novas só ocorriam em sistemas binários apertados em que a estrelamaiordosistematransbordaseulóbulodeRoche,permitindoqueaanãbrancapuxematerial de seu envelopegasoso estendido.Ogás capturadododiscodeacreção se acumulapara criar umacamadadehidrogênio em tornodaprópriaanã, comprimida pela poderosa gravidade e também aquecida pela superfícieincandescenteembaixo.Porfim,ascondiçõesnaatmosferadehidrogênioficamtãoextremasqueháodomíniodafusãonuclear,queimandoseucaminhoatravésdaatmosferaemumareaçãoemcadeiaquepodedurarváriassemanas.Umavezesgotadoosuprimentodehidrogênio,anovaenfraquece,masoprocessopodeserestabelecer e eventualmente se repetir em uma chamada “nova recorrente”.Entreexplosões,a radiaçãodomaterialqueentranodiscodeacreçãofazcom

queaemissãogeraldeluzdosistemavariedeummodomuitocaracterístico.

NovasanãsAlgumas explosões de novas ocorrem em uma escala muito menor do que ohabitual, e em períodos semirregulares que variam entre dias e anos. Essas“novas anãs” (muitas vezes chamadas de estrelasUGeminorum, por causa doprotótipo descoberto em 1855) envolvem o mesmo tipo de transferência dematerialdesistemasbináriosvistonas“novasclássicas”,muitomaisbrilhantes.Em1974,oastrônomobritânicoBrianWarnerdelineoupelaprimeiravezcomoelasgeramsuasexplosõespormeiodemecanismosbastantediferentes.Materialcapturadonodiscodeacreçãoalcançadensidadestãoaltasquesetornainstável,detonando um colapso súbito na superfície da anã branca e uma dramáticaexplosão que lentamente desaparece antes que o sistema volte ao normal.Diversas centenas de estrelasUGeminorum foram descobertas, revelando umclaropadrãoentreaintensidadeeafrequênciadesuaserupções:quantomaioraespera entre explosões, mais brilhantes elas serão. Alguns astrônomos estão,portanto, interessados em investigar a possibilidade de usar novas anãs comovelaspadrão–ummeiodecalibrardistânciasatravésdanossaeoutrasgaláxias.

Estrelas em desintegração A intensidade de explosões de novas e o períodoentre as erupções repetidas dependemda dinâmica exata do sistema, demodoqueduasnovasnãosãoidênticas.Noentanto,omesmonãopodeserditoparaoirmãomaiordavariávelcataclísmica,asupernovatipoIA,erealmenteumavançofundamentalnonosso entendimentomodernodoUniversodependedo fatodequeaintensidadedessasexplosõesespetacularesésempreamesma.

Assupernovastipo IAsedesenvolvemapartirdesistemasdenovasemqueumaanã branca está próxima aoLimite deChandrasekhar, de 1,4massa solar (verpágina 128). Os astrônomos costumavam supor que, se houvesse acúmulosuficientedemassanaatmosferadaanã,elasimplesmentesofreriaumcolapsosúbitoeviolentoparaumaestreladenêutrons,maspesquisasrecentessugeriramque,antesdeissoacontecer,acrescentepressãointernadetonaumanovaondade fusãono carbono enooxigênio encerrados lá dentro.Como seumaterial édegenerado,aanãbrancanãopodeseexpandirdamesmaformaqueumaestrelanormal,demodoqueatemperaturaemseunúcleodisparaabilhõesdegrauseafusãofogeaocontrole.Ascondiçõesdedegeneraçãosãofinalmentequebradasemumaexplosãosúbitaedramáticaquedestróicompletamenteaestrelaecujopico de brilho é cerca de 5 bilhões mais luminoso do que o Sol. Como as

supernovas tipoIAsempreenvolvemaconversãodamesmaquantidadedemassaemenergia,oscosmólogosasusamcomovelaspadrãoparamediradistânciaagaláxiasremotas(verpágina186).

BináriasderaiosxSeaestrelainvisívelnumsistemabinárioforumaestreladenêutronsouumburaconegro,osresultadospodemsermuitodiferentes.Emvezdeproduzirrajadasvisíveisintermitentes,amatériaquecainodiscodeacreçãoé rasgada em tiras e aquecida por força de marés extremas graças ao campogravitacionalmuitomais intensodos remanescentes estelares.As temperaturasda ordem de milhão de graus, partes do disco se tornam fontes fortes, masvariáveis,deraiosxdealtaenergia–ummecanismousadoporIosifShklovsky,em 1967, para explicar por que algumas estrelas visíveis também sãoaparentementefontesbrilhantesderaiosx.

“Algo do tamanho de um asteroide é uma fonte brilhante,piscante de raios x, visível pelas distâncias interestelares.O queissopoderiapossivelmenteser?”CarlSagan

Agrandemaioriadeestrelasdenêutronsidentificadasatéagorasãoconhecidasapartirdebináriasderaiosxoudemecanismodepulsares(verpágina129),eatémuito recentemente as binárias de raios x têm sido o únicomeio de localizarburacosnegrosdemassaestelar(verpágina129).Entretanto,nãohátampoucorazão teórica por que binárias não devam existir contendo duas estrelas denêutrons ou até dois buracos negros – e realmente pensase que tais sistemasconstituemumaproporçãosubstancialdetodasasbináriasextremas.Apoderosagravidade entre remanescentes estelares em quaisquer tipos de binárias criafortesmarésqueasenviamespiralandonadireçãoumadaoutranuminevitávelcurso de colisão cujos momentos finais disparam a formação de ondasgravitacionais (ver página193). Enquanto a união de dois buracos negros nãodeve produzir qualquer explosão para o exterior, fusões entre estrelas denêutrons podem ser responsáveis por enormes rajadas de raios gama, e houveargumentaçãodequeelaspoderiamtambémofereceroutrosmeiosdeformaçãoparaoselementosmaispesadosnoUniverso.

A ideia condensada: Estrelas nossistemas binários podem ter ciclos devidaradicalmentediferentes33BuracosnegrosA ideia de objetos com tanta massa que a luz não consegueescapar de sua gravidade existe há um tempo espantosamentelongo,mas a compreensão da física envolvida em tais estranhosobjetosnãoéumatarefafácil,erastrearumobjetoquenãoemitequalquerluzpodeseraindamaisdifícil.

Em 1915, Albert Einstein publicou sua Teoria da Relatividade Geral. Essemodelo unificava espaço e tempo em um continuum espaço-tempo de 4dimensões, que podia ser distorcido por grandes acúmulos demassa, fazendosurgir o efeito que experimentamos como gravidade (ver página 192). Eledescreveuateoriapormeiodeequaçõesdecampo,epoucosmesesmaistardeKarlSchwarzschildusou essas equaçõespara investigar comoo espaço-tempopoderiaserdistorcidoemtornodeumagrandemassaocupandoumúnicoponto

noespaço.

Schwartzschild mostrou que se qualquer massa for comprimida para além dedeterminado tamanho (agora conhecido como o raio de Schwartzschild), adescrição dada pelas equações deEinstein entraria em colapso: em linguagemmatemática, o objeto se tornaria uma singularidade. Além disso, a velocidadenecessária para escapar da gravidade do objeto (o que agora chamamos develocidade de escape) seriamaior do que a velocidade da luz.Como essa é amaior velocidade no Universo, de acordo com a relatividade, tal objetoefetivamenteseriainescapável.

Arthur Eddington, que já fizeramuito para defender a teoria de Einstein (verpágina193), considerou tais objetos comprimidos em seu livro sobre estruturaestelar,de1926,erefinousignificativamenteaideiabásica.

Comoavelocidadedaluzéconstante,aluzdessaestrelasuperdensanãopode,na verdade, ficar mais lenta. Em vez disso, argumentou Eddington, ela deveperderenergia, sendocadavezmaisdesviadadovermelhoparacomprimentosde onda mais longos. Quando a estrela é comprimida abaixo de seu raio deSchwartzschild,sualuzéefetivamentemudadadevermelhoparaoinvisível.

Da teoria à realidade Os estranhos objetos de Schwartzschild, no entanto,permaneceram puramente teóricos até 1931, quando SubrahmanyanChandrasekhar sugeriuqueeles seriam inevitavelmenteo resultadodocolapsode um núcleo estelar contendo mais do que 1,4 massa solar de material (verpágina128).Chandrasekharargumentouquenãohaviacomoumaestrelagerarpressão suficiente para contrabalançar sua própria gravidade.Ele não previu adescoberta, mais tarde, das estrelas de nêutron, mas em 1939, RobertOppenheimere seuscolegasmostraramqueatéessasestrelas superdensas têmum limite superior de massa, por volta de três massas solares. Oppenheimerdefendeuquequandoaestrelaemcolapsopassasseo raiodeSchwatzschild,apassagemdo tempo sofreria uma parada e, dessemodo, durante algum tempoessesobjetoscontraintuitivossetornaramconhecidoscomoestrelascongeladas.

PrevisãodeestrelasescurasEm 1783, o clérigo e astrônomo inglês John Michell apresentou um artigonotavelmenteprescienteàRoyalSociety,emLondres.Naépoca,amaiorpartedoscientistasseguiaateoriacorpusculardaluz,deIsaacNewton,naqualaluzconsistia emminúsculas partículas que semovememalta velocidade.Michellraciocinouquetaispartículasseriamafetadaspelagravidadeeque,portanto,erateoricamente possível para uma estrela ter uma gravidade tão intensa que avelocidadenecessáriaparaescapardelaultrapassariaavelocidadedaluz.Nessecaso,eleargumentou,queoresultadoseriauma“estrelaescura”–umobjetoquenãoemitiriaqualquerradiação,maspoderia,mesmoassim,serdetectadoporsuainfluência gravitacional sobre objetos visíveis, por exemplo, se tal estrelaexistisse em um sistema binário. O artigo de Michell foi uma previsãoimpressionante do fenômeno do buraco negro, mas seu trabalho não recebeuqualquer atenção até os anos 1970, época em que os buracos negros foramdescobertosporoutrosmeios.Umanovaeranoestudodosburacosnegroscomeçouem1958,quandoofísiconorte-americanoDavidFinkelsteinredefiniuoraiodeSchwarzschildcomoum“horizontedeeventos”.Dentrodesseslimites,ocolapsodaestrelacontinuavaaformar um ponto infinitamente denso no espaço (a verdadeira singularidade),mas,apartirdeumpontodeobservaçãodoladodefora,nenhumainformaçãopoderiafugirdohorizonte–equalquercoisaqueatravessasseesselimiteestariafadadaaumaviagemsemvolta.

Os buracos negros em rotação são provavelmente a forma mais comum nanatureza. De acordo com a análise domatemático neozelandês RoyKerr, em1963, eles têm diversas características que não estão presentes nos buracosnegrosestáticos.

AlémdohorizontedeeventosDuranteosanos1960einíciodosanos1970,oscosmologistas examinaram mais profundamente as propriedades dasinformaçõesdessesestranhosobjetos,descobrindoquesuaspropriedadeseraminfluenciadas apenas pela massa de material que continham, seu momentoangulare suacargaelétrica.Deacordocomo“teoremadacalvície”,qualqueroutra informação estaria irrecuperavelmente perdida. A expressão “buraconegro”paradescreveressesobjetos foicunhadapela jornalistaAnnEwingemumanotíciade1964,eganhoupopularidadequandofoiadotadapelofísicoJohnWheeler,algunsanosmaistarde.

Em1969,oastrofísicobritânicoDonaldLynden-Bellsugeriupelaprimeiravez

queosburacosnegrospoderiamnãoestarlimitadosaobjetosdemassaestelar,discutindoqueodesaparecimentodematériadentrodeumaenorme“gargantade Schwartzschild” com uma massa de milhões de Sóis poderia resultar naatividadeestranhaeviolentavistanoscoraçõesdasgaláxiasativas(vercapítulo38). Tal objeto, agora chamado de buraco negro supermassivo, poderia seriniciadoporalgumacoisatãosimplesquantoocolapsodeumaenormenuvemde material interestelar em uma galáxia jovem. Em 1971, Lynden-Bell e seucolega Martin Rees chegaram a sugerir que um buraco negro adormecidoformavaaâncoragravitacionalnocoraçãodanossaprópriagaláxia(verpágina142).

Detecção de buracos negros Em 1974, um jovem físico chamado StephenHawkingganhoufamaaomostrarque,apesardenenhumaradiaçãoescapardeseuinterior,efeitosdefísicaquânticafariamcomqueumburaconegrogerasseradiação de baixa intensidade em seu horizonte de eventos, com umcomprimento de onda relacionado à sua massa. Entretanto, essa radiação deHawkingétãofracaapontodeserindetectável,demodoqueosburacosnegrossão,paratodososefeitos,invisíveis.

Parasortedosastrônomos,noentanto,condiçõesemtornodosburacosnegrossão tão extremas que elas produzem outros efeitos que podem ser detectados.Especificamente, raios Xsão emitidos dematerial que cai dentro de um buraconegroàmedidaqueforçasdemarésresultantesdaenormegravidadeodilacerame o aquecem a temperaturas da ordem de milhão de graus. Nos anos 1960,diversas fontes de raios x astronômicas foram descobertas por instrumentosmontadosemfoguetes,ecentenasmaisforamencontradasdepoisdolançamentodo primeiro satélite dedicado à astronomia de raiosX,Uhuru, em 1970.Muitasdessas mostraram ser nuvens de gás superquente dentro de aglomerados degaláxias distantes (ver página 159), mas algumas eram compactas e pareciamestarassociadasaestrelasvisíveisnaViaLáctea.

“Os buracos negros da natureza são os objetos macroscópicosmaisperfeitosexistentesnoUniverso.”S.Chandrasekhar

O cenário mais provável para explicar essas fontes brilhantes, rapidamentevariáveis, era um chamado “binário de raios x”. São remanescentes estelarescompactos,mas que sugammaterial de uma estrela companheira, visível (verpágina133).Emgeral, esses sistemasenvolvemestrelasdenêutrons,mas, em1973, os astrônomos britânicos Louise Webster e Paul Murdin, junto com o

canadenseThomasBolton,investigaramabrilhantefontederaioxCygnusx-1,e mediram o desvio Doppler da luz de sua contraparte visível, uma estrelasupergigante azul. Isso revelouque a estrela está presa emórbita em tornodeuma companheira invisível commais de 8 vezes a massa do Sol. Um objetodessessópoderiaserumburaconegro.Essaideiabásicadedetectarumburaconegropelainfluênciadelesobreumaestrelacompanheirafoi,desdeentão,usadaparadetectardiversossistemassimilares.

A ideia condensada: Não há fuga dosobjetosmaisdensosnoUniverso34AgaláxiadaViaLácteaAViaLácteaéumafaixadeluzpálidaqueseenvolveemtornodocéu noturno. Celebrada desde as épocas pré-históricas, suanatureza mais profunda só foi revelada com a invenção dotelescópio, e sua identidade como um vasto sistema espiral deestrelassófoidefinidanoséculoXX.

Não é surpresa que a Via Láctea tenha sido um dos primeiros alvos doastrônomo italiano Galileo Galilei, que voltou seu telescópio primitivo nadireção dela em janeiro de 1610. Ao descobrir que era cravada de inúmerasestrelas que não podiam ser vistas a olho nu, ele concluiu que a faixa inteiraabrangia inúmeras outras estrelas além do alcance do instrumento.Avançandoainda mais, argumentou que aquela “nebulosa” indistinta, parecendo umanuvem,eratambémfeitadeestrelasdistantes(umaconclusãocorretaemalguns

casos,masnãoemtodos).

Sóem1750,noentanto, foiqueoastrônomo inglêsThomasWrightdefendeuqueaViaLácteadeviaserumavastanuvemdeestrelasemrotação,confinadapelagravidadeaumúnicoplano,comumaestruturaamplamentesemelhanteaonossoprópriosistemasolar.Cincoanosmaistarde,ImmanuelKantdiscutiuumagaláxia parecida com um disco, sugerindo, com considerável presciência, queera apenas um de muitos “universos-ilha”, alguns dos quais eram visíveis aimensasdistânciascomonebulosas.

Mapeamento da Via Láctea William Herschel fez a primeira tentativa demapear a Via Láctea nos anos 1780. Ele contou o número de estrelas emdiferentes áreas do céu e supôs que todas as estrelas tinham omesmo brilhoinerente,demodoquesuamagnitudeaparenteeraumaindicaçãodiretadesuadistância. Issoo levouamapearnossagaláxiacomoumabolhaamorfacomoSolpróximoaocentro.Apósmaisdeumséculo,oastrônomoholandêsJacobusKapteyn liderou um esforço muito mais exaustivo para repetir o trabalho deHerschel, usando instrumentos mais potentes e toda uma série de dadosastronômicos para calcular o brilho verdadeiro das estrelas. Entretanto, olevantamento de Kapteyn, finalmente publicado em 1922, chegava mais oumenosàsmesmasconclusões,propondoumagaláxiano formatodeuma lentecomuns40milanos-luzdediâmetroeoSolpróximoaoseucentro.

Porironia,naépocaemqueKapteynpublicousuaobra,játinhasidofeitaumadescoberta que solapava sua visão da galáxia. Em 1921, Harlow Shapleycompilou seu próprio levantamento dos densos aglomerados globulares deestrelasencontradosemalgumaspartesdocéu(verpágina84).Eleconcluiuqueestavamfracamenteaglomeradosemtornodeumaregiãodistantedoespaço,nadireçãoda constelaçãodeSagitário. Isso,Shapley acreditava, eraoverdadeirocentrodaViaLáctea,comnossosistemasolarlocalizadobemlonge,noslimitesexterioresdeseuamplodisco.

“A Via Láctea não passa de uma massa de inúmeras estrelasplantadasemaglomerados.”GalileuGalilei

Entretanto, Shapley errou em uma coisa: na sua estimativa do verdadeirotamanho da Via Láctea. Com base em estimativas erradas da distância dosaglomerados globulares, ele supôs que ela tinha imensos 300 mil anosluz dediâmetro.Issocomeçouasercorrigidoapartirde1927,quandoJanOortpassou

ademonstrar uma teoria (propostapouco antespelo suecoBertilLindblad) deque as estrelas rodavam em velocidades diferentes, dependendo da distânciaentreelaseocentrodagaláxia.AsmedidascuidadosasdeOortpermitiramqueeledesenvolvesseumafórmulaparacalcularessa“rotaçãodiferencial”,eprovouqueosistemasolarestavaacercade19milanos-luzdocentrodeumagaláxiaquetinhauns80milanos-luzdediâmetro.Essaéumaligeirasubestimativadosvaloresmodernosde26mile100milanos-luz,respectivamente.

BraçosespiraisAprimeiraconfirmaçãodaestruturaemespiraldaViaLácteafoi desenvolvida a partir da tentativa de William W. Morgan de mapear adistribuiçãodeaglomeradosabertosnoiníciodosanos1950.Morganidentificoutrêscadeiasdistintasdeaglomeradosqueelesugeriuquepodiamserfragmentosde braços espirais, e sua descoberta foi confirmada alguns anos mais tarde,quandoJanOortusouobservaçõesderádioparamapearadistribuiçãodenuvensde hidrogênio atômico neutro pela galáxia. Sinais de rádio emitidos pelohidrogênio,comumcomprimentodeondade21centímetros,penetravampelasnuvensdeestrelasefaixasdepoeirainterpostas,permitindoqueOortmapeasseagaláxiaemumaescalamuitomaiordoqueMorganhaviaconseguido.

CriaçãodebraçosespiraisArotaçãodiferencialdanossagaláxiasignificaqueseusbraçosespiraisnãotêmpossibilidadedeseremestruturasfísicaspermanentes–sefossem,asregiõesderotação mais rápida próximas ao centro galáctico fariam com que elas se“enrolassem” e desaparecessem em apenas algumas poucas rotações. Em vezdisso,aestruturaespiraltemdeserconstantementeregenerada.

Hoje, sabemos que os braços espirais são regiões de evidente formação deestrelas dentro de um disco de estrelas, gás e poeira que envolve o centro.Objetos individuais entram e saem dessas regiões ao longo de dezenas demilhõesdeanos–estrelasvãomaisdevagareseamontoam,comocarrosdentrode um engarrafamento, enquanto nuvens interestelares são comprimidas paradetonaracriaçãodenovasestrelas.Asmaisbrilhantesemaismassivastêmumperíododevidatãocurtoqueenvelhecememorremantesdeteremachancedesairdasregiõesdoberçárioesejuntaràpopulaçãogeralnodisco.

Mas,comoéquesurgeessaregiãode“engarrafamento”?Amelhorexplicaçãoviável, proposta por Chia-Chiao Lin e Frank Shu no final dos anos 1960, éconhecida como a teoria da onda de densidade. Ela se baseia no fato de quetodos os objetos que orbitamo centro da galáxia seguemórbitas elípticas, emvezdeperfeitamentecirculares,esemovemmaislentamentepróximoàbeiradadessasórbitas.Quandouma influência exterior, comouma interaçãocomumapequenagaláxiasatélite,puxaessasórbitasparaumalinhamento,oresultadoéumazonaemespiralondeestrelaseoutrosmateriaistêmmaiorprobabilidadedeseremencontrados.

Esse esquema mostra como áreas em espiral de densidade mais alta surgemnaturalmente, quando um número de órbitas elípticas são influenciadas por

quantidadesligeiramentediferentes,comoduranteumcontatoimediatodeumagaláxia.

Àmedida que os astrônomos dominaram essas novas técnicas, apareceu umaimagem de uma espiral com quatro grandes braços e diversas estruturasmenores,chamadasesporas,correndoentreeles(umadessas,oBraçodeOrion,é amais próxima do nosso próprio sistema solar).AViaLáctea é geralmenteconsideradauma espiral “normal”, dotada de umcentro ovoide,mas nos anos1970 novos mapas de rádio começaram a sugerir uma zona de formação deestrela em formadebarra estendendo-separacada lado, eumenormeaneldenascimentodeestrelasrodeandoocentrogalácticonumraiodecercade16milanos-luz.Doespaçointergaláctico,esseanelpodemuitobemseracaracterísticadominantedanossagaláxia.

Um mapa simplificado daVia Láctea mostra a posição do nosso sistema solar e das principaiscaracterísticasdagaláxia.

Em 2005, observações infravermelhas do Telescópio Espacial SpitzerdaNASAconfirmaramaexistênciadeumabarracentral, traçandoadistribuiçãodegigantesvermelhasporumaextensãode28milanos-luzeconfirmando,alémdequalquer dúvida, que aVia Láctea é de fato uma espiral barrada (ver página

148).Galáxiasdessetipotêmdoisbraçosespiraisprincipais(umsaindodecadaextremidade da barra), e em 2008 o astrônomo Robert Benjamin, daUniversidade deWisconsin, usou as observações de Spitzer para rastrear umaconcentração de gigantes vermelhasmais frias emdois braços.Entretanto, em2013, um novo levantamento por rádio restabeleceu a separação de novasregiõesdeformaçãodeestrelasejovensestrelasemquatrobraçosprincipais.

Semdúvida,serãonecessáriosmaisestudospararesolveressadiscrepânciaentreestrelas velhas e jovens, mas a solução poderá se mostrar conectada com assériesdecolisõesconstantesdanossagaláxiacomamenorgaláxiaAnãElípticadeSagitário.Deacordocomumamodelagemcomputacionalpublicadaem2011,essa pequena galáxia – atualmente a cerca de 50mil anos-luz de distância noladomaislongedocentrogaláctico–équasecertamenteresponsávelpordaràViaLácteaseuatualfeitiodeestruturaespiral.

Aideiacondensada:Nossagaláxiaéumaespiral de estrelas, com o Sol longe docentro35OcoraçãodaViaLácteaA região central da nossa galáxia fica a 26 mil anos-luz dedistância, na constelação de Sagitário. Densas nuvens estelaresinterpostasbloqueiaminteiramenteocentropropriamenteditodaobservação visual, mas novas descobertas em astronomia combaseemrádioenoespaçorevelaramapresençadeummonstroadormecidonocoraçãodagaláxia:umburaconegrocommassade4milhõesdesóis.

Seguindo-se à descoberta de Harlow Shapley do centro verdadeiro da nossagaláxia em 1921 (ver página 139), os astrônomos naturalmente voltaram suasatenções para o estudo dessa intrigante área do céu. Apesar das técnicaslimitadasexistentesnaépoca,logoforamcapazesdecompararaestruturadaViaLácteacomasdaschamadasnebulosasespirais,quenosanos1920tinhamsidorecémconfirmadascomosendo,elasmesmas,galáxias.Eleslogoconcluíramque

ocentrodanossagaláxiaémarcadoporumbojocomlargurade20milanos-luzformado por estrelas vermelhas e amarelas da PopulaçãoII(ver boxe na página143).Masoquepoderiaterreunidoessaenormenuvemdeestrelas?

A ideia de que os núcleos das galáxias possam esconder buracos negrossupermassivos”commassademilhõesdeSóissurgiudetentativasdeseexplicarquasares e outras galáxias ativas nos anos 1960 e 1970 (ver página 154). Em1971, Donald Lynden-Bell e Martin Rees sugeriram que buracos negrossupermassivos adormecidos poderiam estar no centro de todas as galáxias,inclusivedaViaLáctea, funcionandocomoomiologravitacional em tornodoqual gira o sistema inteiro. Sem ter como ver através das nuvens de estrelasinterpostas na luz visível, e com as observações com base no espaço aindaincipientes, a evidência inicial corroborando as ideias de Lynden-Bell e Reesemergiudocampodaradioastronomia.

Sinais do núcleo O primeiro radiotelescópio foi um arranjo improvisado deantenas,muitodiferentedasantenasparabólicasmaisrecentes.ConstruídopelofísicoKarlJanskynoslaboratóriosdaBellTelephone,emNovaJersey,porvoltadosanos1930,possuíaapenascapacidadesdirecionaisrudimentares,masforamsuficientesparaqueJansky identificasseumsinalderádiodocéu,queparecianascer e se pôr diariamente. No início, o sinal parecia combinar com omovimento do Sol, mas ao longo de vários meses Jansky notou que ele sedesviava:nascendoesepondoumpoucomaiscedoacadadia,seumovimentoestava, na verdade, seguindo a rotaçãodas estrelas.Em1933 ele foi capazdeanunciar a detecção de ondas de rádio vindas daViaLáctea, emais fortes nadireçãodeSagitário.

PopulaçõesestelaresAideiadeduaspopulaçõesestelaresdistintasfoicirculadapelaprimeiravezporWalter Baade, com base em seus estudos da galáxia de Andrômeda, nasproximidades,esubsequentemente aplicada a estrelas em outros lugares, incluindo aquelas nanossaprópriagaláxia.EstrelasdaPopulaçãoIsãoencontradasnosdiscosebraçosde galáxias espirais. Elas são relativamente jovens, têm uma gama de cores euma “metalicidade” razoavelmente alta (proporção de elementosmais pesadosdo que o hidrogênio e o hélio) que permite que elas brilhem através docicloCNO(verpágina77).AsestrelasdaPopulaçãoII,emcontraste,sãoencontradasprincipalmente nos bojos centrais de galáxias espirais e em aglomeradosglobularesegaláxiaselípticas(verpáginas84e147).Individualmente,elassãomais pálidas, geralmente têm menos massa do que o Sol e sãopredominantementevermelhaseamarelas.Umafaltademetaislimitasuafusãode hidrogênio para a cadeia próton-próton (ver página 76) e garante que elastenhamvidaslongas,nãoespetaculares.AsestrelasdaPopulaçãoIIsãogeralmenteconsideradas como as mais velhas no Universo hoje, algumas aindasobreviventesdosprimeirosbilhõesdeanosdepoisdoBigBang.

Essafontederádiocentral,maistardedesignadaSagitárioA,permaneceuumabolha amorfa, difusa, até os anos 1960, quando astrônomos finalmenteconseguiramdecompô-laemdetalhesmaisminuciosos.Elaeradivididaemduasunidades distintas, oriental e ocidental: a metade oriental é hoje reconhecidacomo um resto de supernova, enquanto “Sagitário A Oeste” é uma curiosaestruturaespiralcomtrêsbraços.Então,em1974,RobertBrowneBruceBalickfixaramumterceiroelementodistinto.EsseeraumafontemuitomaiscompactadentrodeSagitárioAOeste,que foi subsequentementenomeadaSagitárioA*.Astrônomos imediatamente especularam que esse objeto poderia marcar umaconcentraçãoenormedemassanocentroexatodagaláxiacomoumtodo,eissofoi confirmado em 1982, pelas medidas exatas de seu movimento – ou maisprecisamente,suadistintafaltademovimento.

Osanos1970e1980assistiramàchegadadenovosmétodosparaseolharalémdas nuvens de estrelas interpostas. Satélites infravermelhos se mostraramespecialmenteúteisemidentificaraglomeradosdeestrelasabertosmassivosemtorno da região central. Um desses, conhecido como Quintupleto, mostrou

abrigarummonstroestelarverdadeiramenteenormeconhecidocomoaEstreladaPistola.Comobrilhocalculadoem1,6milhõesdevezesmaisfortequeoSol,éapenasomaiorentremuitosgigantesestelares,tantonoQuintupletocomonoaglomeradomaismassivonasimediações,oaglomeradodosArcos(descobertoapenasnosanos1990).

“Achaveparaprovarqueháumburaconegroémostrarqueháuma tremenda quantidade de massa em um volume muitopequeno.”AndreaM.Ghez

Emboraessesdoisaglomeradosestejam localizadosa10anos-luzdeSagitárioA*,apresençadessasestrelasmonstrosdevidacurtademoliuassuposiçõesdequeomiologalácticoseriaasedeapenasdeestrelasanãsreduzidaselongevasdaPopulaçãoii.Emvezdisso,ficouclaroqueasregiõescentraistêmsidolocaisativosdeformaçãoestelarduranteosúltimosmilhõesdeanos.

Orbitandoummonstro Embora não seja páreo para osArcos eQuintupleto,outro aglomerado significativo de estrelas de grandesmassas rodeia o próprioSagitário A*. Descobertas nos anos 1990 e conhecidas despretensiosamentecomo “aglomeradoEstrelas-S”, essas estrelas desempenharamumpapel chaveemprovaraexistênciadoburaconegrogalácticoerestringirsuaspropriedades.

Desvios Doppler revelam que as estrelas do aglomerado estão se movendo avelocidadesdecentenasdequilômetrosporsegundooumais.Seguindoórbitaselípticasemtornodeumcorpocentralinvisível,épossívelrastrearsuaposiçãocambiante durante uma questão de anos, restringindo o tamanho do objetomassivo que ancora o aglomerado e a Via Láctea inteira. Uma estrela emparticular,umagigantecom15massassolaresdesignadaS2,temsidorastreadacontinuamentedesde1995.Elasegueumaórbitadeaproximadamente15,6anosemtornodeSagitárioA*,comumaaproximaçãodecercade4vezesadistânciaentreoSoleNetuno.AnálisesdaórbitadeS2eadeS102–umaestrelaaindamais próxima descoberta em 2012 – confirmam a existência de um objetoinvisível com aproximadamente 4 milhões de vezes a massa do Sol em umaregiãosubstantivamentemenordoqueaórbitadaTerra.Esseobjetosópodeserumburaconegro.

Sonoleve?Nasúltimasdécadas,estudosdescobriramqueoburaconegrocentraldanossagaláxiafoiativoemumpassadorelativamente recente. Telescópios de raios x em órbita ocasionalmenteobservam explosões poderosas do centro galáctico, mais provavelmenteprovocadas quando pequenos objetos, como asteroides, se desgarram muitopertoesãodespedaçadoseaquecidospelaimensagravidadedosburacosnegros.Eles também acharam “ecos de luz” – nuvens de emissão reluzentes criadasquando raios x de um evento mais violento há algumas décadas iluminamnuvensdegásacercade50anos-luzdoburaconegro.

Comoqualquercoisaqueperambulepertodemaisserápuxadarapidamenteparaasuadestruição,amaiorpartedosastrônomossupôsqueoburaconegrocentralteria limpado seus arredores imediatos e descambado para a inatividade. AsúnicascoisasremanescentesseriamalgumasestrelastemeráriascomoS2eS102orbitando por perto, e um lento, mas constante, curso de gás para dentro doburaco negro, gerando os sinais de rádio de Sagitário A*. Foi uma surpresa,então, quando um estudo publicado em 2009 sugeriu que a região onde a S2orbita é cheia de material equivalente a um milhão de sóis, que se acreditaestaremdistribuídosentreestrelaspálidas–deoutromodoindetectáveis–ederemanescentes estelares.Numambiente tão abarrotado, oburaconegro centralpodenãoestartãoadormecidocomosepensavaanteriormente.

A ideia condensada: Há um buraconegro supermassivo no centro da ViaLáctea36TiposdegaláxiasA descoberta de Edwin Hubble, em 1924, de que muitas dasnebulosasnocéusãogaláxiasindependentesmuitoalémdanossa,abriuumcampodeastronomiainteiramentenovo.ComparaçõespodiamagoraserfeitasentreaViaLácteaeessesoutrossistemas,alémdeficarimediatamenteclaroquealgunstiposdegaláxiassãomuitodiferentes.

Oatual sistemade classificaçãodegaláxias foimodificado e corrigidomuitasvezes,masastrônomosainda reconhecemoscincoprincipais tiposdegaláxiasidentificados porHubble em seu livro de 1936, TheRealmof theNebulae [Oreinodasnebulosas].Sãoelas:espirais,espiraisbarradas,elípticas,lenticulareseirregulares.

AsespiraistêmumnúcleoinchadodeestrelasmaisvelhasdaPopulaçãoii(verpágina143)dasquaissaembraçosespiraisdestacadosporregiõesdeformaçãode estrelas e aglomerados brilhantes de estrelas luminosas de vida curta da

População i. Em 1939, Horace Babcock usou medidas espectroscópicas dagaláxiadeAndrômedaparaconfirmarqueasestrelasdentrodeespirais rodamemvelocidadesdiferentes,dependendodadistânciadelasdocentro,uma ideiapropostapelaprimeiravezporBertilLindblad, em1925 (ver página139).Osperíodosderotaçãotípicosameiocaminhodocentroatéaborda,emgeral,sãodecercade200milhõesdeanos.Alémdeespiraisnormais,Hubbleidentificouumgrandegrupodegaláxiasnasquaisumabarraretaatravessaonúcleo,comosbraços espirais aparecendo das extremidades.Na verdade, as espirais barradassão responsáveis por cerca de dois terços das espirais no Universo próximo,inclusiveanossaprópriaViaLáctea.

Juntas, espirais e espirais barradas respondem por cerca de 60% das galáxiasbrilhantes na época atual, embora esse número tenha, semdúvida,mudado aolongodotempo.Elasvão,emtamanho,dealgumasdezenasdemilharesacercademeiomilhãodeanos-luzdediâmetro,emborasistemasmaioresdoqueos100milanos-luzdediâmetrodaViaLácteasãomuito raros.Hubble subdividiuosdois tipos de espiral de acordo como grau de enroscamento aparente de seusbraços. Existem muitas outras diferenças importantes, entre as quais talvez amais significativa separe espiral de “grande estilo”, com braços espiraisnitidamente definidos, das espirais “floculentas”, nas quais a formação deestrelas é um negócio mais difuso e indistinto. Considera-se que a diferençaentreasduasédeterminadapelainfluênciarelativadefatoresemlargaescalanaformaçãodaestrela,comoaondadedensidadedeumaespiral(verpágina140)efatoreslocais,comoasondasdechoquedesupernova.

“Ahistóriadaastronomiaéumahistóriadehorizontesrecuados.”EdwinHubble

Elípticas e lenticulares A terceiramaior classe de galáxias deHubble são aselípticas. Essas são nuvens – em formato de bola – de estrelas vermelhas eamarelasemórbitasquenãosãoapenasalongadas,masinclinadasemumavastagamadeângulos.Diferentesdas espirais, as elípticas têmumagrande faltadenuvens do gás interestelar necessário para a formação de novas estrelas.Quaisquer estrelas de vida curta, azuismaciças e brancas, já hámuito tempoenvelheceramemorreram,deixandoparatrásapenasasestrelasmaistranquilasda População ii, de baixa massa. A falta de gás é também responsável pelaestruturacaóticadelas–colisõesentrenuvensdegástêmumatendêncianaturaldecriardiscosemqualquerescala,desistemassolaresagaláxias,eainfluênciagravitacionaldessesdiscosporsuavezachataasórbitasdasestrelas.Rasantes

entreestrelas–outromecanismoparaaconvergênciadasórbitas–sãoraros,eentãoaselípticasadotamumasériedeformas,entreesferasperfeitaseformatosdecharutosalongados.Elasvariammuitomaisemtamanhodoqueasespirais,comdiâmetrosquevãodealgunsmilhares a algumascentenasdemilharesdeanos-luz de diâmetro. Respondem por cerca de 15% de todas as galáxias,atualmente, mas os exemplos maiores só são encontrados em aglomeradosdensosdegaláxias–umtraçoqueofereceumimportanteindícioquantoàssuasorigens(ver páginas 152 e 159).Hubble arrumou espirais, espirais barradas eelípticasemseufamosodiagrama“diapasão”(verboxenapágina148),comumtipointermediáriodegaláxiachamadalenticularnajunçãoentreasduashastesdodiapasão.As lenticularesparecem“espirais sembraços”.Elas têmumbojocentral de estrelas rodeado por um disco de gás e poeira,mas pouco sinal deformação de estrelas em andamento para criar braços espirais. Como Hubbleadivinhouacertadamente,acredita-sequeelasmarcamumestágiofundamentalnaevoluçãodasgaláxiasdeumaformaparaoutra.

DescobertadeoutrasgaláxiasA natureza de nebulosas espirais – estabelecida ao longo de estudosespectroscópicos como nuvens distantes de estrelas – foi objeto de aquecidodebate astronômico no início do século XX. Seriam sistemas relativamentepequenos emórbita em tornode umaViaLáctea que efetivamente abrangia oUniversointeiro,ougaláxiasgrandesedistantesporsimesmas,implicandoumaescalamuitomaiordoUniverso?

Ochamado“GrandeDebate”foifinalmenteresolvidoem1925comotrabalhoassíduo deEdwinHubble, elaborando as pesquisas deHenrietta SwanLeavitt(ver página115) e EjnarHertzsprung.Hubble combinou a descoberta de umarelaçãoentreperíodoeluminosidadenasestrelasvariáveisCefeidas,deLeavitt,comadeterminaçãoindependentedadistânciaadiversasCefeidaspróximas,deHertzsprung. Issopermitiuque eleusasseoperíododasCefeidaspara estimarsualuminosidadeintrínseca,edaí(porcomparaçãocomobrilhoaparentedelasnoscéusdaTerra)suaprováveldistânciadaTerra.DurantemuitosanosHubbleusouo telescópiode2,5metrosdoObservatórioMountWilson,naCalifórnia,para localizarasCefeidasemalgumasdasnebulosasespiraismaisbrilhantesemonitorar seus brilhos. Em 1924, ele conseguiu confirmar que as nebulosasespiraiseramsistemasindependentesmilhõesdeanos-luzalémdaViaLáctea–oprimeiropassonumadescobertaaindamaior(verpágina162).

GaláxiasirregulareseanãsesferoidaisMenoresdoqueasespirais,asgaláxiasirregularesdeHubblesãonuvensamorfasdeestrelas,gásepoeira,muitasvezesricas em estrelas jovens brilhantes e de cor nitidamente azul. Acredita-se queelas são responsáveis por um quarto de todas as galáxias, embora sejam, emgeral,menoresemaisfracasqueasespiraisouqueaselípticas,fazendocomquesejamdifíceisdeserobservadas.Porsorte,duasdasnossasvizinhasgalácticasmaispróximas–aGrandeeaPequenaNuvemdeMagalhães–sãoirregulares,demodoqueotipoébemestudado.

Hubble dividiu as irregulares em duas classes: galáxias Irr i, que mostramalguma estrutura interna, e galáxias IrrII que são inteiramente amorfas. Aestruturadentroasgaláxiasmaiores,Irri,podeincluirtraçosdebarrascentrais,ou braços espirais mal definidos. Imagens feitas pelo Telescópio EspacialHubble doUniverso precoce, distante,mostram que galáxias irregulares erammuitomaisabundantesnopassado,esustentamaideiadequeasespiraiseram

originadasdefusões.

EsquemadeclassificaçãogalácticadeHubble

Umgrupo final significativo de galáxias, aindamenor emais fraco do que asirregulares,sãoasanãsesferoidais.Essaspequenasnuvensesféricasouelípticasdeestrelas foramdescobertasporHarlowShapley,em1937,enão têmnúcleoevidente, além demuito pouco brilho superficial.Apesar de uma similaridadeexternacomgaláxiaselípticas,asanãsesferoidaisparecemconterumamisturade estrelas mais complexa, além de grandes quantidades de “matéria escura”invisível,cujagravidademantémseusesparsoselementosvisíveisunidos.Elasconstituem mais de dois terços de todas as galáxias na vizinhança da nossaprópria,massãoimpossíveisdeserdetectadasagrandesdistâncias.

A ideia condensada: Galáxias existemsobmuitasformasdiferentes37GaláxiasemcolisãoeemevoluçãoEmbora as distâncias entre as galáxias sejam vastas, secomparadasàsnossasescalasdetododia,elassãorelativamentepequenassecomparadasaotamanhodaprópriagaláxia.Issofazcom que colisões e interações entre galáxias sejam um eventosupreendentemente comum, e que tem um papel chave naevoluçãodasgaláxias.

Umavezqueanaturezadasgaláxiasficouclaranosanos1920,astrônomoslogodescobriram que muitas galáxias que estão perto uma da outra no céu estãorealmentepróximasumadaoutranoespaço.OastrônomosuecoErikHolmberglevou adiante trabalho pioneiro nessa área ainda em 1937, e em 1941 foi aprimeirapessoaapensarnoquepoderiaacontecerseduasgaláxiascolidissem.Para tal, ele usou um primitivo computador analógico, construído a partir dedúziasdelâmpadascujasintensidadesvariadaspoderiammostrarconcentraçõesde estrelas. O trabalho de Holmberg revelou diversos efeitos importantes:mostrou como as galáxias, ao se aproximarem, provocariam forças de marés

entre elas, detonando ondas de formação de estrelas enquanto retardavam seumovimentogeralatravésdoespaçoparaquepudessem,porfim,seaglutinaresefundir.

Apesar disso, colisões entre galáxias foram desconsideradas como sendoacidentes raros até 1966, quando Halton Arp publicou seu Atlas of PeculiarGalaxies[Atlasdegaláxiaspeculiares]–umcatálogosublinhandoumagrandevariedade de galáxias que não se encaixavam no ordenado esquema declassificaçãodeEdwinHubble(verpágina149).

ModelagemdefusõesMaisoumenospelamesmaépoca,osirmãosestonianosAlar e JüriToomre aplicarama tecnologiade supercomputadores aoproblemadasfusões.ElesproduziramresultadossemelhantesaosdeHolmberg,mascommuitomaisdetalhes.Emalgunscasos,chegaramasimularacolisãodegaláxiasespecíficas. As galáxias Antennae, por exemplo, são um par de espirais emcolisãoacercade45milhõesdeanos-luzdedistâncianaconstelaçãodoCorvo:ao se aproximarem, forças de marés “desenrolaram” seus braços espirais,criando uma longa serpentina de estrelas que se estende através do espaçointergaláctico. Imagens doTelescópioEspacialHubble têm revelado, desdeosanos 1990, intensa formação estelar nos corpos principais dessas galáxias,enquantoimagensderaiosxmostramqueosistemainteiroestáagorarodeadoporumhalodegásquente.

AglomeradosdesuperestrelasUmdosresultadosmaisespetacularesda interaçãoentregaláxiaséaformaçãode aglomerados de estrelas numa escala que torna anões os sistemas abertosnormais ou globulares (ver página 84). Os chamados superaglomerados deestrelas sãoos elementos componentesdeuma surtode formaçãoestelarmaisamplo, criado quando poderosas forças de marés detonam o colapsogravitacional de imensas nuvens de gás interestelar. O aglomerado maisproeminentedessetiponoscéusdaTerraéoR136,umaglomeradoabertoparticularmentedensonaGrandeNuvemdeMagalhães, que abriga as estrelasmaispesadasatéentãodescobertas(verpágina119).Entretanto,pelomenosdoissuperaglomeradosdeestrelassãoagorareconhecidosnaprópriaViaLáctea.

Ossuperaglomeradosdeestrelassãosignificativosporqueoferecemumaorigemprovávelparaosaglomeradosglobulares,deoutromodo,misteriosos.Apesardesuapoderosagravidade,elesliberamrapidamenteseugásformadordeestrelas,sufocando outras formações de estrelas depois de uma rajada inicial. Estrelasmonstras de vida curta criadas nessa primeira onda envelhecem emorrem emapenaspoucosmilhõesdeanos,gerandoenormesondasdechoquedesupernovaque logo dissipam a nebulosa ao redor. Uma vez que as estrelas interpostastambém chegaram ao fim de suas vidas, tudo o que resta é um aglomeradoglobularcompacto,comprimidocommuitosmilharesdeestrelasdepoucamassadeidadeidêntica.

Apesardoespetáculo,parecequeascolisõesentreestrelasindividuaissãoraras.Asnuvensdegásepoeiramaisdifusascolidemde frente, criandoabundantesestrelas novas em um evento conhecido como surto de formação de estrelas.Ondas de choque rompendo através do material em colisão o aquecemsubstancialmente. Enquanto isso, explosões de supernova a partir de estrelasmassivas,mas de vida curta, criadas na explosão das estrelas, aquecem o gásaindamais,elevandosuatemperaturaamilhõesdegrauseenriquecendo-ocomprodutosdesuafusãonuclear.Porfim,ogáspodeficartãoquenteeaceleradoqueescapaformandoumaregiãodehaloemtornodagaláxiavisível.

Direita: emuma fusãomenordegaláxias, a absorçãodeumapequenagaláxiaanãnumaespiralacentuaaestruturadaespiraleataxadeformaçãodeestrelas.

Esquerda: em uma grande fusão de galáxia,espiraisemcolisãoperdemsuaestruturaeseaglutinamparaformarumagaláxiaelípticamaior.

Apesardosgrandesprogressos–tantoemtecnologiadacomputação,quantononosso entendimento de composição das galáxias a partir daquelas primeirassimulações(inclusiveadescobertadamatériaescura–vercapítulo45)–, o modelo Toomre de “grandes fusões” entre grandes galáxias espiraissobreviveumaisoumenos intacto.Éclaro,nem todasas fusõesenvolvemumpardeespirais:encontroscomanãselípticasmenoresougaláxiasirregularessãomuitomais comuns. Essas sãomuitomais eventos de um só lado, no qual agaláxia menor é dilacerada sob a influência do sistema maior, acabando porperdercompletamentesuaidentidadeàmedidaqueécanibalizada.Comoefeitocolateral,aatraçãogravitacionaldagaláxiamenorpareceintensificarataxadeformação de estrela e o padrão de espiral visível (ver página 140). Há boasevidências de que a nossa própria galáxia está atualmente envolvida em umepisódio desses, interagindo com uma galáxia menor conhecida como a AnãElípticadeSagitário.

Colisões como evolução Com base em seus estudos de como estrelassobreviventes de uma grande fusão se comportariam, em 1977 Alar Toomreapresentou a ousada sugestão de que fusões entre espirais produzem galáxiaselípticas. A galáxia da fusão inicial rompe as órbitas de estrelas em umavariedade de trajetos elípticos malucos, e a perda de grande parte do gás nosistema fundido remove uma influência chave, que achata suas órbitas. Asnuvens de gás naturalmente achatam-se num disco ao colidirem, exercendoatração gravitacional em estrelas existentes e controlando o plano no qual há

formaçãodenovasgerações.Comoasestrelasmaisbrilhantesemaismassivascriadasnafusãorealrapidamenteenvelhecememorrem,oresultadofinaléumabola amorfa de estrelas vermelhas e amarelas mais tranquilas em órbitassobrepostas: uma galáxia elíptica. Supondo que todas as galáxias começaramcomo espirais, Toomre calculou até a taxa provável de fusões ao longo doperíododevidadoUniverso,mostrandoquecombinavacomaproporçãoatualdegaláxiaselípticas.

“Sistemas duplos e múltiplos, além de aglomerados, podem serexplicados como resultadode capturas entrenebulosas, afetadasporforçasdemaréseminteraçõespróximas.”ErikHolmberg

As ideias de Toomre demoraram algum tempo para serem aceitas e foramacaloradamente debatidas ao longo dos anos 1980, mas observações maisdetalhadas de fusões de galáxias aos poucos revelaram muitos sistemas queparecemcapturarfasesdiferentesnatransiçãodeespiralparaelíptica.Enquantoisso,progressosrecentessefocaramempreencheraslacunasemtornodaideiabásica da fusão. Ao imaginar galáxias a bilhões de anos-luz de distância, emumaépocaanteriordeevoluçãocósmica(verpágina179),oTelescópioEspacialHubblemostrou que amaioria das galáxias começou, de fato, como irregular,antes de se fundirem e crescerem em espiraismais complexas. Ficou tambémclaroqueelípticasfundidaspodemaospoucosrecapturargásdeseusarredores.Issopermitequeseregenerematravésdeumafaselenticular(verpágina148)eeventualmente formem novos braços espirais. Todo o ciclo de fusãoprovavelmenteserepetediversasvezes,comogáselevadoatemperaturascadavezmaisaltaserecapturadocadavezmaislentamente,nocursodaevoluçãodeumagaláxiadeumajovemespiralparaumaimensaeantigagiganteelíptica(verpágina159)nocoraçãodeumaglomeradodegaláxias.

A ideia condensada: Galáxias colidemfrequentemente e, como resultado,mudamsuaforma38QuasaresegaláxiasativasAs galáxias ativas se apresentam sob várias formas, mas sãounidas pela presença de um núcleo central brilhante e variável,ondeumburaconegro supermassivo alimenta-se dematerial deseusarredores.Entreessasgaláxias,asmaisconhecidassão,semdúvida, os quasares, que têm um papel fundamental adesempenharnahistóriadaevoluçãodasgaláxias.

Em1908,osastrônomosVestoSliphereEdwardA.Faith,doObservatórioLick,na Califórnia, publicaram detalhes de características estranhas no espectro deMessier77,umadasgaláxiasmaisbrilhantesnocéu.Elasedestacouporqueseuespectromostrounãoamisturacomumdelinhasdeabsorçãocriadaspelaluzdeinúmeras estrelas,mas linhas de emissão – comprimentos de onda específicosqueeramtãobrilhantesquesedestacavamatécontraocontinuumdosespectrosestelares.SliphereFaithnãosabiamnaépoca,mastinhamdescobertoaprimeira

galáxiaativa.

Seyfert e radiogaláxias Foi só em 1943, quando Seyfert anunciou suadescobertadeumnúmerodegaláxiasespiraiscompontosdeluzespecialmentebrilhantes,feitoestrelas,emseunúcleocentral,quegaláxiascompropriedadessemelhantesàM77foramencontradas.Alarguradaslinhasdeemissãoindicavaqueelaseramproduzidaspornuvensdegásorbitandoaregiãocentralemaltavelocidade (fazendo com que suas emissões de luz sofressem desvio Dopplerparaumasériedecomprimentosdeonda–verpágina64).Hoje,essessistemassãoconhecidoscomogaláxiasSeyfert,reconhecidascomoaformamaisfracadegaláxiaativa.

Enquantoisso,em1939,umjovemastrônomochamadoGroteReber,identificoualgumas das primeiras fontes de rádio astronômicas além da Via Lácteapropriamente dita (ver página 143). No entanto, a identificação de objetosvisíveis correspondentes a essas fontes de rádio se mostrou difícil, já que aresoluçãodosmapasderádioprimitivoserabastantelimitadas.Foisóem1953queWalterBaadeeRudolphMinkowskiusaram levantamentosem rádiomaisacurados para localizar as fontes deReber. Embora amaior parte pudesse serassociadacomobjetosnanossaprópriagaláxia,comorestosdesupernova,uma,designada Cygnus a, pareceu estar ligada a um par distante de galáxias emcolisão.Poucosmesesmais tardeficouclaroqueafontederádioCygnus A,narealidade, consistia de dois lóbulos estendidos, um de cada lado da galáxiacentraldosistema.

“Essa região nuclear seria cerca de 100 vezes oticamente maisbrilhante do que as galáxias luminosas... identificadas até agoraporfontesderádio.”MaartenSchmidt

OmistériodosquasaresOfinaldosanos1950assistiuaumaradioastronomiaflorescente, com o desenvolvimento do primeiro grande radiotelescópio emformatodeantenaparabólicanoJodrellBank,pertodeManchester, Inglaterra.Foramdescobertasmuitasfontesderádioextragalácticas,eemboraalgumasseamoldassem ao padrão de lóbulo duplo deCygnus A,muitas outras consistiamapenas de fontes singulares. Em 1960, o astrônomo norte-americano AllanSandage liderou um esforço para inspecionar o céu em torno desses objetos edescobriu que eles eram, em geral, associados a pontos de luz débeis, feitoestrelas.Sandagechamou-osde fontesde rádioquase-estelares,masdentrodepoucos anos isso foi abreviado para o pouco mais elegante “quasar”. Seus

espectrosdeluzvisívelpareciammostrarlinhasdeemissãolargasebrilhantes,muitomaispotentesdoqueasdasgaláxiasSeyfert,mas,parafrustraçãogeral,nãoseconseguiacombiná-lascomqualquerelementoconhecido.

Finalmente, em 1963, houve um progresso no entendimento, quando o colegaholandêsdeSandage,MaartenSchmidtsedeucontadequeaslinhasespectraisde um quasar chamado 3C 273, na verdade, combinavam com as linhas deemissãofamiliaresproduzidasporhidrogênio,seestasfossemdesviadasparaaextremidadevermelhadoespectronumgrausemprecedentes.Se,comopareciaprovável, esse desvio para o vermelho fosse causado por efeito Doppler,sugeririaque3C273estavaseafastandodaTerraaumsextodavelocidadedaluz.

FusõesegaláxiasativasDesdeadescobertainicialdegaláxiasativas,ficouclaroqueaatividadeviolentano centro é frequentemente associada ao processo espetacular de colisão ouinterações próximas de galáxias. Por exemplo, CentaurusA, uma dasradiogaláxiasmaispróximasdaTerra,apareceemluzvisívelcomoumagaláxiaelípticachamadaNGC5128,atravessadaporumafaixaescuradepoeiraopacaqueestá, ela mesma, cravada com áreas de formação de estrelas e jovensaglomerados brilhantes. Imagina-se que o sistema é o resultado de uma fusãoentreumagaláxia elíptica existente e umagrande espiral que foi efetivamenteengolida.Esseseventosinevitavelmenteresultamemgrandesquantidadesdegásinterestelar,eatéemestrelasinteirassendolevadasaoalcancedoburaconegrocentral, fazendo com que ele entre em ação. Atividades de intensidadecomparativamente baixa, como as vistas nas galáxias Seyfert, enquanto isso,podemserlevadasporrompimentoporefeitosdemarédegaláxiasmenores,quesefundemcomsistemasmaiores,ouquesimplesmenteorbitamemtornodelas.Porfim,umavezqueumprocessodefusãodegaláxiasecompleta,osburacosnegros individuais, que anteriormente eram independentes, podem também seespiralaresefundir,gerandoondasgravitacionaispotentes(verpágina193)noprocesso.

Alguns astrônomos tentaramexplicar esse objetomisterioso comouma estrelaem fuga, impulsionada a velocidade extrema por algummecanismo até entãodesconhecido,masessesesforçosfalharamquandodesviosvermelhosextremosforam encontrados em outros quasares, mas nenhum desvio azul do mesmomodo extremo veio à luz (como poderia ser de esperar se um mecanismoaleatório estivesse em ação). Em vez disso, a maior parte dos especialistasconcluiu que os quasares deviam sua alta velocidade à expansão doUniversocomoumtodo(vercapítulo40)e,portanto,deacordocomaLeideHubble,elestantodevemestarextremamentedistantes,comoseremextremamentebrilhantes.Emais,afontedeluzenvolvidadevesercomparativamenteminúscula:obrilhomostrou que devem ter nomáximo horas-luz de diâmetro, e talvez não sejammaioresdoqueonossosistemasolar.Finalmente,ateoriadequequasareseramregiões de intensa atividade embebidas nos núcleos de galáxias distantes foiconfirmadaporobservaçãodas“galáxiashospedeiras”muitomaisfracasaoseuredor.

UmateoriaunificadaAsligaçõesentreessestrêstiposdegaláxiaativa–rádio-silenciosasSeyfert,radiogaláxiasequasares–setornarammaisclarasnosanos1960 e 1970. À medida que a resolução de radiotelescópios melhorou, ficoumais claro que os lóbulos das radiogaláxias eram criados quando jatosextremamente estreitos dematerial emergente a alta velocidade do coração dagaláxiacentralseencontramcomogásemtornono“meiointergaláctico”(verpágina 159) e saem em ondas de imensas nuvens. Alguns quasares tambémmostraramter lóbulosgêmeosdeemissãoderádio,enquantoalgumasgaláxiasSeyfert emitiram sinais fracos de rádio. Eles descobriram uma nova classe degaláxias ativas chamadas blazars, adicionadas à variedade de atividadesobservadas.

Aindanosanos1969,DonaldLynden-Bellargumentouqueocomportamentodegaláxias Seyfert e radiogaláxias próximas poderia ser uma versão atenuada daatividade de quasares, e que todas as galáxias ativas, no final, deviam seucomportamentoaumburaconegrogigantecentralqueatraivastasquantidadesdematerialdeseusarredores.EmboraaideiadeLynden-Bellfossecontroversanaépoca,evidênciascrescentesemseufavorlevaramaodesenvolvimentodeummodelounificadoparaNúcleosGalácticosAtivos(AGN,eminglês)nosanos1980.Nesse,a radiaçãoéemitidaporumdiscodeacreção intensamentequente,querodeiaoburaconegrocentral,enquantojatosdepartículasqueescapamdecimae de baixo do disco criam os lóbulos de rádio. O tipo exato de galáxia queobservamos depende da intensidade da atividade e da orientação dosAGNemrelaçãoàTerra.

A estrutura complexa deumAGNfaz surgir diferentes tipos variados de galáxias ativas, dependendo doânguloapartirdoqualévisto.

A ideia condensada: Monstruososburacos negros podem criar atividadeviolentadentrodegaláxias39OUniversoemlargaescalaAs galáxias reúnem-se em escalas variáveis, em gruposrelativamente compactos e aglomerados que se superpõem nasmargens para produzir superaglomerados maiores e umaestruturaemescalacósmicadefilamentosevácuos.Adistribuiçãodediferentes tipos de galáxias não apenas revela os segredosdaevoluçãodestas,mas tambémnosdizalgo importantearespeitodascondiçõesnoUniversoprimitivo.

DepoisqueosastrônomosdescobriramgaláxiasespiraiseelípticasemnúmeroscrescentesduranteosséculosXVIIIe XIX, suadistribuiçãodesigualnocéu tornou-seóbvia.OaglomeradomaisclaroficanaconstelaçãodeVirgem,mashátambémoutros proeminentes emComaBerenices (Cabeleira deBerenice), Perseu e asconstelaçõesdeFormaxeNorma,nosul.Adescobertadeumarelaçãoentrea

distânciadeumagaláxiaeodesviovermelhodesualuzporEdwinHubble,em1929 (ver página 163), confirmou que essas regiões realmente continhamcentenas de galáxias brilhantes, comprimidas em um volume de espaçorelativamente pequeno. Nosso próprio Grupo Local é muito menosimpressionantedoqueessesaglomeradosdistantes.IdentificadaporHubbleem1936, essa coleçãode algumasdúzias degaláxias contémapenas3 espirais: aquecontémaViaLácteaeossistemasAndrômedaeTriângulo,eduasgrandesirregulares(asNuvensdeMagalhães).

Duranteosanos1930,foramidentificadosmuitomaisaglomeradosdegaláxiaseosastrônomoscomeçaramaaplicarabordagensmaissofisticadasàanálisedosmembros desses aglomerados, sendo eles definidos não pela simplesproximidade, mas por galáxias que se mantêm unidas por uma atraçãogravitacional da qual não conseguem escapar. Aglomerados de galáxias sãogeralmenteaceitoscomoasmaioresestruturas“ligadasgravitacionalmente”noUniverso.Comoagravidadediminuirapidamentecomadistância,aglomeradose grupos em geral ocupam um espaço de cerca de 10milhões de anos-luz dediâmetro,nãoimportandoquantasgaláxiaselescontenham.

GaláxiaselípticasgigantesAMessier87,nocentrodoaglomeradodeVirgem,éamaiorgaláxiananossaregião do Universo. Essa imensa bola de estrelas com 120 mil anos-luz dediâmetrocontémaproximadamente 2,5 trilhões de massas solares de material. É a arquetípicagaláxiaelípticagigante,tambémconhecidacomogaláxia“dominantecentral”ou“tipo cD”. Elípticas gigantes são canibais galácticos, o resultado final demúltiplas fusões galácticas que viram elípticas e espirais menores seremengolidas.Comoresultado,elassãomuitasvezesrodeadasporpálidoshalosdeestrelasqueseestendemaumdiâmetro totalde talvez0,5milhãodeanos-luz.Essas são sobreviventesdesgarradasdecolisõespassadas, atiradasparaórbitassolitáriasemtornodagaláxiacentral.Alémdisso,frequentemente têm séquitos de aglomerados globulares em órbita na mesmaregião–Messier87temcercade12mil(comparadosaoscercade150daViaLáctea)e,sealigaçãoentreaglomeradosglobularesedesuperaglomerados(verpágina 151) estiver correta, isso é também provavelmente devido a colisõescósmicas.Maioresevidênciasparaapoiarocrescimentodeelípticasgigantesapartirdecolisõesdegaláxiasvêmdediversosexemplosqueescondemmaisdoque um buraco negro supermassivo em seus núcleos.Messier 87 só tem um,mas, graças à sua fusãomais recente, é um núcleo galáctico ativo e uma dasfontesderádiomaisbrilhantesnocéu.

Características de aglomerados Em 1933, Fritz Zwicky usou uma técnicamatemáticachamadateoremadoVirialparaestimaramassadoaglomeradodeComa a partir das velocidades de suas galáxias. Isso o levou a prever queaglomerados continham muito mais matéria e massa do que suas galáxiasvisíveis sugeriam. Os primeiros satélites de raios x lançados nos anos 1970revelaramque os centros de aglomerados densos erammuitas vezes fontes deradiaçãointensa,que,sabe-seagora,emanamdoesparsogás“intra-aglomerado”comtemperaturassuperioresa10milhõesdegrausCelcius.Essegásemissorderaiosxacrescentaconsideravelmenteàmassadeumaglomerado,masaindanãorespondepelodesaparecimentodagrandemaioriadomaterialqueZwickynãoconseguiuencontrar(verpágina182).

Outro aspecto importante é a distinta mistura de tipos de galáxias doaglomerado. “Galáxias de campo” – 20% de galáxias próximas que não são

ligadas particularmente a qualquer aglomerado – são em geral irregulares ouespirais,enquantoasgaláxiasemgruposesparsos,comoanossa,aparecemsobtodasasformas.Aglomeradosdensos,noentanto,sãodominadospelaselípticas,e o próprio centro delas é muitas vezes marcado por uma verdadeiramenteenormeelípticagigante(verboxenapágina159).Em1950,LymanSpitzeJr.eWalter Baade argumentaram que essa distribuição indica que as elípticasevoluem por meio de colisões, que são mais prováveis de acontecer nosambientes comprimidos de aglomerados densos. Eles chegaram a prever queessas colisões iriam destituir as galáxias de gás interestelar, um resultado queantecipavateoriasdeevoluçãodegaláxiasnosanos1970(verpágina151)equesurgiudadescobertadogásintraaglomeradoemissorderaiosx.

“Finalmente estabelecemos os contornos que definem osuperaglomerado de galáxias que podemos chamar de nossacasa.”R.BrentTully,sobreosuperaglomeradoLaniakea

Nosanos1950,GeorgeOgdenAbellcomeçouacompilarumcatálogoexaustivodeaglomerados,quenãoseriacompletadoaté1989.OcatálogodeAbelllevouamuitasnovasdescobertasimportantes,mastalvezamaisnotávelsejaa“funçãodeluminosidadedoaglomerado”–arelaçãoentreobrilhointrínsecodagaláxiamais luminosa do aglomerado e o número de galáxias acima de um nível debrilho particular. Como o brilho relativo das galáxias de um aglomerado éfacilmentemedido, a função luminosidade fornece ummodo de predizer suasluminosidadesverdadeiras,sendo,portanto,umaimportante“velapadrão”paramedirdistânciascósmicasemlargaescala.

Estrutura além dos aglomerados Tanto Abell como o astrônomo franco-americanoGérarddeVaucouleursargumentaramafavordaexistênciadeaindamais um nível de estrutura além dos aglomerados de galáxias. Em 1953, DeVaucouleurs sugeriu a existência de uma “Supergaláxia Local”, centrada noaglomeradodeVirgemeabrangendomuitosoutrosaglomerados,inclusivenossopróprioGrupoLocal,masfoisónoiníciodosanos1980quelevantamentosdedesvios para o vermelho provaram sua existência além de qualquer dúvida.Muitosoutros“superaglomerados”foramlogoidentificados,massuadefiniçãoprecisapermaneceabertaaosdebates, jáqueelesnãoestãogravitacionalmenteligados do mesmo modo que galáxias em aglomerados individuais. Em vezdisso, superaglomerados são simplesmente definidos como concentrações deaglomeradosemumaregiãodoespaço,muitasvezescomummovimentogeralcompartilhado.Essadefiniçãofluidaéumdosmotivospelosquais,em2014,o

superaglomeradodeVirgemfoideixadodeladoemfavordeumaestruturanovaemaior, chamada Laniakea, com uns 500milhões de anos-luz de diâmetro econtendopelomenos100milgrandesgaláxias.

A partir dos anos 1970, progressos tecnológicos permitiram a coleção deespectros e desvios para o vermelho para números imensos de galáxias,provendo a criação de mapas acurados do Universo em grande escala. Essesmapasmostramque superaglomerados se fundemem suasbordaspara formarfilamentos emcadeias, comcentenasdemilhõesde anos-luzde comprimento,em torno de vastas, e aparentemente vazias, regiões conhecidas como vazios.Essa descoberta inesperada foi contra as hipóteses de que o cosmos seriaessencialmenteigualemtodasasdireções.Emboraauniformidadepareçaestarestabelecidaporescalasaindamaioresdebilhõesdeanos-luz,amaiorestruturaquevemosprovavelmentenãofoicriadaporinteraçõesgravitacionaisaolongodoperíododevidadocosmos.IssoestabelecerestriçõesimportantessobrecomooUniverso,propriamentedito,foiformado(vercapítulo41).

Umapartedolevantamentodedesviosparaovermelhodegaláxias2dF(campodedoisgraus)feitopeloObservatórioAnglo-Australianorevelaadistribuiçãodedezenas de milhares de galáxias em um uma rede cósmica de filamentos evazios.

A ideia condensada: Encontra-seestruturaemtodasasescalasdocosmos40OcosmosemexpansãoAsurpreendentedescobertadequeoUniversocomoumtodoestáemexpansãorevolucionouaastronomiaemmeadosdoséculoXX,embora astrônomos discutissem a respeito de seu significado hávárias décadas. Enquanto isso, a verdadeira velocidade daexpansão,comimplicaçõesimportantesparaaorigemeodestinodo Universo, não foi estabelecida até uma datasurpreendentementerecente.

OcréditoparaadescobertadoUniversoemexpansãoéemgeraldadoaEdwinHubble,quefezasprimeirasmedidasdasdistânciasdasgaláxiaseoscálculosfundamentaisemtornode1929,masahistóriarealémaiscomplexa.Em1912,Vesto Slipher, no Observatório Lowell, em Flagstaff, Arizona, examinou osespectros de nebulosas espirais e descobriu que elas, na maior parte, tinhamgrandes desvios vermelhos. Supondo que fosse efeito Doppler devido aoafastamento da nebulosa em relação a nós, Slipher calculou que elas estavam

retrocedendoemvelocidadesdecentenasdequilômetrosporsegundo.IssoeraumaevidênciaimportantedequeasnebulosasnãoeramsimplesmentepequenasnuvensemórbitaemtornodaViaLáctea,masaprovacabalveiodasmedidasdasvariáveisCefeidasfeitasporHubble(verpágina148).

TeoriaepráticaEm1915,AlbertEinsteinpublicousuateoriadaRelatividadeGeral(verpágina192).Essateoriapassoutranquilamentepelosprimeirostestes,mas criou um grande problema para teorias do Universo: de acordo com ainterpretação mais simples, a presença de uma grande quantidade de massadentrodoUniversoiriainevitavelmentelevaraoseuprópriocolapso.Deacordocom o consenso científico da época, o Universo era infinitamente velho eestático, de modo que Einstein resolveu o problema acrescentando uma“constante cosmológica” às suas equações. Essa fraca força antigravidade sófuncionavanasmaioresescalasparacontrabalançaracontraçãodoespaço.Maistarde ele diria que esse foi o seu maior engano, embora as descobertas maisrecentes da energia escura tenham, de algum modo, justificado a ideia (verpágina188).

Em 1922, o físico russo Alexander Friedmann surgiu com uma soluçãoalternativaàsequaçõesdeEinstein,mostrandoqueelaseramigualmenteválidasse o espaçotempo estivesse se expandindo, mas seu trabalho foi vastamentedesconsideradopoisnãohaviaqualquerevidênciaparasustentá-lo.Algunsanosmais tarde, em 1927, o astrônomo e padre belga Georges Lemaître chegou aconclusões semelhantes, mas decisivamente previu uma consequênciaobservacional: todasasgaláxiasdeviamestarseafastandoumasdasoutrasnasescalasmaiores,equantomaislongeestiverumagaláxia,maiorsuavelocidadederecessãodaViaLáctea.

“Teorias desabam, mas boas observações nunca enfraquecem.”HarlowShapley

Nem o trabalho de Friedmann nem o de Lemaître parecem ter influenciadodiretamenteHubble quando ele partiu para, no final dos anos 1920, compararsuasmedidasdasdistânciasdasgaláxiascomosdesviosvermelhosregistradostantoporSlipherquantopelocolegadeHubble,MiltonHumason.Contudo,elerapidamentedescobriuarelaçãoexatapreditaporLemaîtree,em1929,publicousuas provas, incluindo um gráficomostrando a ligação entre a velocidade e adistânciadagaláxia.EssarelaçãoéatualmenteconhecidacomoLeideHubble,enquanto o gradiente do gráfico – a taxa na qual a velocidade de recessão da

galáxiaaumentacomadistância–échamadodeConstantedeHubble(denotadacomoH0).

OsignificadodaexpansãoAdescoberta deHubble tem implicações imensaspara a história doUniverso,mesmo tendo o próprioHubble sido lento na suaaceitação(verboxenapágina164).SetudonoUniversoestiverseafastandodaViaLáctea,entãoasduaspossibilidadessãodequenossaregiãodoespaçoétãoextraordinariamenteimpopularqueasgaláxiasestãorealmentefugindodela,ouque oUniverso como um todo está se expandindo, e todas as galáxias dentrodeleestão sendo levadaspara longeumasdasoutras, comoLemaîtrepredisse.Nenhum astrônomo adotou seriamente a primeira opção, já que ela implicatermos uma posição privilegiada noUniverso (contrária amuitas duras liçõesaprendidas desde a época deCopérnico).Mas a sugestão de umUniverso emexpansãotraziacomelaumaorigemnopassadomensurável,quaseigualmentedesconfortável para os astrônomos, que em geral acreditavam num cosmoseterno.FoiLemaîtreque as adotouplenamente em1931, argumentandoque aexpansão cósmica infere que o Universo era mais quente e mais denso nopassado,acabandoporseoriginaremum“átomoprimevo”.IssofoioprecursordamodernateoriadoBigBang(verpágina166).

OerrodeHubbleAdescobertadeHubbledaligaçãoentredesvioparaovermelhoeadistânciadagaláxiafoiimensamenteimportante,masopróprioHubbleacabourejeitandoaideiadeumUniversoemexpansão.Naépocadesuasmedidas,astrônomosnãodistinguiram plenamente entre “Cefeidas clássicas” (estrelas daPopulaçãoIcontendoquantidadessubstanciaisdeelementospesados)eumgrupoligeiramente mais fraco de estrelas da PopulaçãoII(com suas próprias relaçõesdistintas entre período e luminosidade). Isso levou Hubble e subestimarsignificativamente as distâncias intergalácticas (por exemplo, ele colocou agaláxia de Andrômeda a 900 mil anos-luz de distância, quando medidasmodernassugeremumadistânciade2,5milhõesdeanos-luz).

Comoconsequência,Hubbletambémsuperestimouataxadeaumentododesvioparaovermelhocomadistância,eportantocalculouqueseosdesviosparaovermelho eram provocados pelo efeito Doppler, assim, a recessão devia estaraumentandocomadistâncianumavelocidadede500quilômetrosporsegundo.Traçando essa expansão para trás no tempo, veria-se que todas as galáxiascoincidemnomesmopontonoespaço(oátomoprimevodeLemaître)háapenas2 bilhões de anos. Como isso eramenos do que ametade da idade da Terra,comosabidonaépoca,HubbledesconsiderouaexplicaçãodoDoppleremfavordeoutrasideiashipotéticas,comooconceitodeluz“cansada”,quepassavaasercadavezmaisdesviadaparaovermelhoamaioresdistâncias,devidoaoutrosefeitos.

Em1964,comadescobertadaradiaçãocósmicadefundoemmicro-ondas(verpágina180),amaiorpartedoscosmólogosconsiderouocasodoBigBangcomoprovado. As medidas acuradas da Constante de Hubble tomaram uma novaimportância, já que a taxa da expansão atual pode ser virada de cabeça parabaixo para se estimar a idade do Universo. À medida que a tecnologia deobservação melhorou, também melhorou a capacidade de detectar estrelasvariáveisCefeidasemgaláxiasmaisdistantes(edessemododistinguirentreasCefeidas e as enganosamente semelhantes estrelas RRLyrae). Em 1958, AllanSandagepublicouumaestimativavastamentemelhoradadeH0,sugerindoqueataxa de retrocesso para galáxias distantes aumentou em 75 quilômetros porsegundo para cadamegaparsec de distância (Mpc, uma unidade equivalente a3,26milhõesdeanos-luz). IssoeracercadeumsextodovalordeHubble(ver

boxe na página 164), e inferia que o Universo tinha uma idade, muito maisplausível,de13bilhõesdeanos.

Umaanalogia comum,ao se considerar a expansãodoUniverso, é imaginaroespaço como um balão inflável. Àmedida que o balão estica, pontos em suasuperfície(galáxias)seafastamunsdosoutros.Quantomaioraseparaçãoinicialentre eles,mais depressa eles se afastam.O esticamento de ondas de luz peloespaçoemexpansãotambémpodeserdescritodemodosemelhante.

Durante as décadas seguintes, medidas do H0flutuaram significativamente emtorno do valor de Sandage, entre cerca de 50 e 100 quilômetros por segundo,inferindoumUniversoentre10e20bilhõesdeanosdeidade.OProjetoChavedoTelescópioEspacialHubbleestavadecidindoaquestãoquedirigiuoprojetodotelescópiodesdeseuprincípio,nosanos1970,atéfinalmenteseulançamento,em 1990. Entre observações mais destacadas, oHSTpassou grande parte de suaprimeira década reunindo dados e medindo curvas de luz em Cefeidas, emgaláxias distantes a cerca de 100 milhões de anos-luz, levando à publicaçãofinal, em 2000, de um valor de 72 quilômetros por segundo. Mais medidasflutuaram em torno do mesmo valor, resultando em uma idade amplamenteaceitaparaoUniversode13,8bilhõesdeanos.

A ideia condensada: O Universo estáficando maior a cada momento quepassa41OBigBangAideiadequeoUniversocomeçouemumaenormeexplosãoháuns 13,8 bilhões de anos é o principal legado da cosmologiamoderna, e também a chave para explicar muitos aspectosobservados do Universo. No entanto, quando apresentada pelaprimeira vez, a ideiadeumuniverso finito era impensável paramuitosnoestablishmentcientífico.

Embora, aindaem1922,o físico russoAlexanderFriedmann tivessemostradoque um Universo em expansão era consistente com a teoria da RelatividadeGeraldeEinstein(verpágina163),ocréditoparaoBigBangéemgeraldadoaopadrebelgaGeorgesLemaître,quepublicousuateoriado“átomoprimevo”em1931.Àprimeiravista,pareceestranhoqueumpadrecatólico tenhafeitoumacontribuição tão fundamental para a física moderna, mas Lemaître tinhaestudadocosmologiaemCambridge,sobArthurEddington,eemHarvard,com

HarlowShapley.Alémdisso,eledefendiaaexpansãocósmicabemantesdeelatersidoconfirmadaporEdwinHubble.

TeoriasrivaisDurantetrêsdécadas,ateoriadeLemaîtrefoivistacomoapenasuma de muitas explicações concorrentes para a expansão cósmica. Nãoconseguindoaceitaroconceitodeummomentodecriação,FriedmanndefendeuumUniversocíclicoquepassavaporfasesalternadasdeexpansãoecontração.Nos anos 1940, enquanto isso, Hermann Bondi, Thomas Gold e Fred HoylepublicaramargumentosemfavordeumUniversoem“estadoestacionário”–umcosmos perpetuamente em expansão, no qual a matéria seria continuamentecriadaparamanterumadensidadeconstante.Em1948,osfísicosRalphAlphereRobertHermanpreviramqueaboladefogoprimevadeLemaîtreteriadeixadoumbrilhoposteriordetectável,equivalenteàradiaçãodeumcorponegroalgunsgrausacimadozeroabsoluto.Essaradiaçãocósmicadefundoemmicro-ondasnãopoderia,plausivelmente,tersidocriadaporqualquerumadasteoriasrivais,esuadescobertaumtantoacidentalporArnoPenziaseRobertWilson,em1964,foiumaprovacrucialparaomomento“BigBang”dacriação(verpágina180).

“Seus cálculos estão corretos, mas sua física é atroz.” AlbertEinsteinparaGeorgesLemaître

OdesafioparaqualquerteoriadecriaçãoéproduzirumUniversocomcondiçõesparecidascomasquevemoshoje,enessepontooBigBangmostrouseuméritobemantesdadescobertadePenziaseWilson.Aevidênciafundamentalestánofato de quemassa e energia são equivalentes e podem ser intercambiadas emsituaçõesextremas,umfatoencapsuladonafamosaequaçãodeEinsteinE=mc2(verpágina191).Dessa forma, se a expansão cósmica fosse traçadapara trás,para os tempos primitivos, as temperaturas em ascensão veriam a matéria sedesintegraremsuaspartículascomponentes,queacabariampordesapareceremum temporal de pura energia. Em 1948, Ralph Alpher e George Gamowpublicaram um artigo de referência mostrando como o declínio dessa intensabola de fogo produziria elementos em proporções idênticas às esperadas noUniversoprimitivo(verpágina171).

O problema da estrutura Embora trabalhos teóricos subsequentes, além deresultados de aceleradores de partículas antigas (ver boxe na página 171),tenhamapoiadoa ideiadeelementoscósmicosemestadobrutosendoforjadosnoBigBang, descobertas a respeito da estrutura doUniverso, nos anos 1970,levantaramnovasquestões.Emboraextremamentecomplexas,elasseresumiram

aoenigmaessencialdecomooBigBangpoderiaproduzirumcosmossuaveosuficiente para nãomostrar grandes diferenças de um lugar para outro [comorefletidopelatemperaturaaparentementeuniformedaradiaçãocósmicadefundoemmicro-ondas (CMBR)], no entanto variado o suficiente para dar surgimento àestruturaemlargaescaladesuperaglomerados,filamentosevazios(verpágina161).A teoriabásicadoBigBangpreviaumabolade fogoprimevanaqualamatériaerauniformementedistribuída.Atécercade380milanosdepoisdoBigBang, temperaturas incandescentes impediram que os núcleos atômicos seunissem com elétrons para formar átomos, e a alta densidade das partículasrepetidamente defletiam e espalhavam os fótons de luz, impedindo que elesviajassem em linha reta (mais oumenos amesma coisa que acontece em umnevoeiro espesso). Nesse ambiente, a pressão da radiação sobre as partículasultrapassaria a gravidade e evitaria que elas se aglutinassem nas sementes deestrutura necessárias para dar surgimento aos enormes filamentos de hoje.Eventualmente, a temperatura cósmica esfriou o suficiente para que elétrons enúcleosseunissem,adensidadedaspartículasdiminuiueonevoeiroderepentese dissipou.A luz saída desse evento – conhecida como “desacoplamento” deradiaçãoematéria–agoraformaaCMBR.Aessaaltura,amatériaseriadispersadademododemasiadamentevastoparaformarumaestruturadesuperaglomerados,etalvezatéespalhadatenuamentedemaisparacriargaláxias.

DaenergiaàmatériaGrandepartedonossoconhecimentoarespeitodoBigBang,eparticularmente,do jeito como a energia pura rapidamente fez surgir matéria, é derivada deexperiências usando aceleradores departículas.Essasmáquinas enormesusamimãspotentesparaimpulsionarpartículassubatômicascarregadasatépróximoàvelocidade da luz, depois fazem com que elas se choquem e monitoram osresultados.ColisõescomoessasnoGrandeColisordeHádrons (LargeHadronCollider –LHC), na Suíça, transformam pequenas quantidades de matéria emenergiapura,quedepoissecondensadevoltaemumachuvadepartículascommassas e propriedades diferentes. Desse modo, sabemos que as partículasrelativamente pesadas, chamadas quarks, só podiam ter sido formadas nastemperaturas incandescentes do primeiro milionésimo de segundo depois dopróprioBigBang,depoisdeelasrapidamenteseunirememtripletosparaformaros prótons e nêutrons necessários para a nucleossíntese (ver página 170).Partículaslépton,maisleves,(principalmenteelétrons),continuavamaseformaratéqueoUniversotivessecercade10segundosdeidade.

Entretanto, é curioso que não haja nada inerente ao Big Bang que expliqueporque o Universo atual é dominado por partículas da familiar matéria“bariônica”,emvezdeantimatéria (partículasespecularescomcargaselétricasopostas). Na verdade, a maior parte dos cosmólogos acredita que a explosãoinicial criou quantidades iguais de matéria e antimatéria, sendo que a vastamaioria colidiupara se aniquilar reciprocamente emumaexplosãode energia.Alguns processos desconhecidos de bariogênese garantiram que houvesse nofinal uma sobra ínfimadematéria normal, e é isso o que respondepor toda amatériabariônicanoUniversoatual.

Fica claro, então, que havia algo a mais em curso. Em 1981, Alan Guth, noInstituto de Tecnologia de Massachusetts, propôs uma solução possível: e sealgum evento cataclísmico nos primeiros instantes do Big Bang tivesseapreendido um fragmento minúsculo, essencialmente uniforme, do Universoprimevo e o tivesse inchado até um tamanho imenso? A bolha resultante deespaçoetempo,abrangendoatotalidadedonossoUniversoobservávelemuitoalém, mostraria uma temperatura efetivamente uniforme, mas variaçõesmínimas,surgidasdeincertezasinerentesdafísicaquântica,seriamexpandidasaumavastaescala,criandoregiõesmaisfrias,relativamenteesparsas,aolongode

regiõesmais quentes emais densas. Ao longo do tempo, variações demenormontaagiriamcomoosnúcleosemtornodosquaisamatériaseacumularia.

Uma linha do tempo simplificada mostra os principais estágios nodesenvolvimentodamatériadopróprioBigBangatéaformaçãodasprimeirasestrelasdegaláxias.

A teoriadeGuth, logochamadade inflação, foientusiasticamenteadotadapormuitosoutros,inclusiveAndreiLinde(verpágina200).Aplausibilidadedeseusmodelosfoiajudadapeloreconhecimentocrescentedopapeldesempenhadopelachamada matéria escura, que seria imune à pressão da radiação, forçando aseparaçãodematérianormal (vercapítulo45) e,portanto, capazdecomeçar aformaçãodeestruturaprimitivabemantesdoestágiodedesacoplamento.Essaideiafoiconfirmadadeformaespetacularem1992pelosresultadosdosatéliteCOBE

(ver página 181), e foi apoiada também por outros experimentos. Embora oscosmólogosaindaestejamlutandocomalgumasdasimplicaçõesmaisamplasdainflação,elaformaumelementochavenoBigBangcomooconhecemoshoje.

A ideia condensada: O Universo teveinício numa explosão quente e densa deenergia42NucleossínteseeaevoluçãocósmicaComooBigBangfezsurgiramatéria-primadocosmos,ecomoela mudou ao longo do tempo para criar a mistura de matériavista no Universo hoje? A resposta está em uma variedade deprocessosdiferentesunidossobomesmonome:nucleossíntese.

TodamatérianoUniverso,hoje,éfeitadeátomos,ecadaátomoconsistedeumnúcleo atômico (um aglomerado de prótons e nêutrons relativamente pesados)rodeado por uma nuvem de elétrons, muitomais leves. Átomos de diferenteselementossãodiferenciadosunsdosoutrospelonúmerodeprótonsnonúcleo,enquanto os nêutrons influenciam sua estabilidade. Assim, a fabricação doselementoséprincipalmenteumaquestãodecriardiferentesnúcleosnoprocessoconhecidocomonucleossíntese.

Oestabelecimentodediferentescadeiasdenucleossínteseeraotemacorrenteda

astrofísicadoséculoXX.Porexemplo,nasestrelasdepoucamassanasequênciaprincipal, tanto a cadeia próton-próton e o ciclo CNO(ver páginas 76 e 77)ofereciammodos de transformar os núcleos de hidrogênio (o núcleo atômicomaissimples,consistindodeumúnicopróton)emhélio.Oprocessotriplo-alfa(verpágina110)nasgigantesvermelhas,enquantoisso,permitequeosnúcleosdehéliosedesenvolvamemcarbonoeoxigênio,ea fusãonuclearemestrelassupergigantesvaimuitoalém,paracriarelementoscadavezmaiscomplexosatéferro e níquel (ver página 120). Por fim, explosões de supernovas proveem odegrau final da escada na direção dos elementos naturais mais pesados (verpágina124).

ConstruçãodosprimeirosátomosMascomoéqueohidrogêniopropriamentedito, o primeiro degrau nessa escada, surgiu? Os princípios básicos foramdeduzidosnofinaldosanos1940porGeorgeGamoweRalphAlpheremumateoria comumente conhecida como a nucleossíntese do Big Bang. Os doisampliaram o trabalho anterior de Gamow para imaginar uma bola de fogoprimeva em rápida expansãonoUniversoprimitivo, composta inteiramentedenêutrons que começavam a decair espontaneamente em pró-tons e elétrons àmedida que diminuía a pressão em torno. A formação de núcleos maiscomplexosdoqueohidrogênio,portanto,setornaumacorridacontraotempo–quantosnêutronspodemserapanhadosporprótonsparaformarnúcleosmaispesadosantesqueosprópriosnêutronsdecaiam?

Alpher,BetheeGamowOcurtoartigode1948quedelineoupelaprimeiravezanucleossíntesedoBigBang não teve dois, mas três autores – Ralph Alpher, Hans Bethe e GeorgeGamow. Gamow caprichosamente incluiu um crédito ao seu colega Behte, inabsentia, comoumabrincadeira comas três primeiras letrasdo alfabetogrego(alfa, beta e gama). Alpher, como estudante de pósgraduação trabalhando naépocaemseuPhD,admitiunãoterseimpressionadomuitocomapequenapiadadeGamow,temendoquesuacontribuiçãopudesseserofuscadaaoserpartilhadacomnãoum,masdoisastrofísicosaltamenterespeitados.Mesmoassim,Betherealmente colaborou com a revisão do artigo antes de sua publicação econtribuiucomosubsequentedesenvolvimentodateoria.

QuandoAlphereGamowolharamoproblemadeacordocomaspossibilidadespara que diversas partículas capturassem nêutrons, encontraram que oselementos mais abundantes no Universo, de longe, eram o hidrogênio,respondendo por 75% da massa cósmica, e o hélio, pelos 25% restantes.Quantidadesmínimasdelítioeberíliotambémteriamsidotransformadasdessamaneira, e essas previsões acabaram por combinar com as novas medidas daabundância cósmica de elementos. O único erro significativo no artigo foi asuposiçãodosautoresdequetodososelementosteriamsidocriadospelacapturadenêutrons.Narealidade, issoé impossívelporcausados intervalosdemassaonde núcleos com determinadas configurações se desintegram com a mesmarapidez com que se formam. Esses intervalos não podem ser resolvidos pelaadição de partículas, uma de cada vez, e significa que o berílio é o elementomaispesadoquepodesercriadoporesseprocesso.Aocontrário,amanufaturadeelementosmaispesadosexigeumsaltononúmerodepartículasdotipoquesóoprocessotriplo-alfapodefornecer.

Coisas de estrelas Uma compreensão melhor de como os elementos sãoformadosecomoaquantidadedelesmudacomotempodeuorigemaumavisãomuito mais periódica da vida cíclica estelar. Ao mesmo tempo, revelou umaimagemmais profunda da relação entre estrelas e o meio interestelar (ISM, eminglês),omaterialqueasrodeiaedoqualelasnascem.

A evidência de grandes nuvens dematerial entre as estrelas foi descoberta naprimeirametadedoséculoXX.E.E.Barnardrecebegrandepartedoscréditosporsuafotografiadenebulosasescuras–nuvensopacasdegásepoeiraquesósão

visíveis quando suas silhuetas estão contra um fundomais brilhante – mas oastrônomo alemão JohannesHartmann foi o primeiro a provar a existência denuvensdegásinvisíveis,frias,aoreconheceraslevesimpressõesquesuaslinhasdeabsorçãodeixavamnosespectrosdeestrelasmaisdistantes(verpágina62).

“Somos,somos,partesdematériaestelarqueesfriouporacidente,partesdeumaestrelaquedeuerrado.”ArthurEddington

Desdeosanos1970,amaiorpartedosastrônomosconcordoucomummodelode três fases para oISM, sendo que as diferentes fases são distinguidas uma dasoutras por sua temperatura e densidade. A fase fria consiste de nuvensrelativamentedensasdeátomosdehidrogênioneutroaapenasalgumasdezenasde graus acima do zero absoluto; a fase morna contém hidrogênio neutro eionizadomuitomaisquentes, com temperaturasdemilharesdegraus; ea fasequente consiste de hidrogênio ionizado altamente disperso e elementos maispesadoscomtemperaturasdemilhõesdegraus,oumais.

Nochamadomodelo“fontegaláctica”deevoluçãocíclica,omaterial ISM ficanafasefriadensaantesquealgumainfluênciaexterna(talvezumcontatopróximocomumaestreladepassagem,atravésdeumaondadedensidadeemespiralouaondadechoquedeumasupernovanasimediações)oencorajeadesabarsobsuaprópriagravidade, começandooprocessode formaçãode estrela (ver capítulo21).Assimqueasprimeirasestrelasaparecemdentrodomeio,aradiaçãodelasaqueceeionizaogásemtorno,criandoumanebulosabrilhanteeonascimentodeestrela.Àmedidaqueasestrelasrecém-nascidasmaismassivascorremparaofimdesuasvidas,fortesventosestelareseondasdechoquedesupernovascriamenormes bolhas no ISM, sendo que parte domaterial é tão aquecido que escapainteiramente de seu disco galáctico para formar o chamado “gás coronal”.Aolongodemilhõesdeanos,esse ISMquenteesfriagradualmenteeafundadevoltanadireçãododisco,enriquecendo-ocommaiselementospesados.

Isso não passa de uma imagem ampla do processo em ação em uma galáxiatípica,mascomoosmesmoseventossãorepetidosatravésdocosmos,elesaospoucos o vão enriquecendo com quantidades cada vez maiores de elementosmais pesados. Entretanto, parece pouco provável que estrelas ficarão semcombustível em qualquer futuro próximo – o gás noISMda nossa galáxia hoje éainda70%dehidrogênioe28%dehéliopormassa, exibindoapenas1,5%deelementosmaispesadosdepoisdemaisde13bilhõesdeanosdenucleossínteseestelar.

Esteesquemamostraelementos-chaveda“ecologiagaláctica”pormeiodaqualamatériaéprocessadaemestrelaseretornaaomeiointerestelar.

A ideia condensada: Nosso Universo éuma fábrica para a manufatura deelementos43 Estrelas monstros e galáxiasprimitivasOs objetos mais antigos no Universo estão atualmente além doalcance até dos telescópiosmais avançados. Entretanto, amaiorpartedosastrônomosacreditaqueaevidênciaapontaparaumageração inicial de estrelas gigantes, de vida curta, masespetaculares, cujas mortes violentas criaram condições para aformaçãodegaláxiasposteriores.

UmadasquestõescentraisnacosmologiaéseaestruturaemgrandeescaladoUniversofoiformada“decimaparabaixo”ou“debaixoparacima”.Emoutraspalavras, teriam os objetos pequenos sido formados mais ou menosuniformementeedepoisatraídospelagravidadeparaformarestruturasmaiores,ou teriam as diferenças iniciais na distribuição da matéria em larga escala,semeadas imediatamente na esteira do próprio Big Bang (ver página 169),

influenciadoolocalemqueamatériaseaglutinou?

Decimaparabaixooudebaixoparacima?Evidênciasatuaissugeremaaçãodeumamisturadosdoisprocessos.Diferençasemgrandeescalanadistribuiçãodamatériasãoresponsáveispeloarranjogeraldesuperaglomeradosdegaláxiasemenormes filamentos em tornodevaziosdesprovidosdegaláxias.Enquantoisso,estruturasdemenorescala,degaláxiasatéaglomerados,sãoatraídaspelaforçadagravidade.

Issolevantaaquestãosobreoqueeramasprimeirasestruturasdeescalamenorque se tornaram as sementes de galáxias? A presença de buracos negrossupermassivosnocentrodamaiorpartedasgaláxiaseadominânciadequasaresbrilhantesnoUniversoprimitivosugeremumasequênciadeeventos,nosquaisburacosnegrosgigantespuxarammaterialparadentro,sedevoraramparaformarquasaresedetonaramondasdenascimentodeestrelasnomaterialquereuniramao redor a uma distância segura. Mas, para começar, de onde vieram essesburacosnegros?

OproblemadareionizaçãoA radiação intensa das estrelas da População IIIoferece uma solução potencialparaumdosmaioresmistériosacercadoUniversoemlargaescala:ochamadoproblema da reionização. Simplificando, o problema surge porque as vastasnuvensdehidrogênio encontradasno espaço intergaláctico estão eletricamentecarregadas,ousobformaionizada,comosátomosdespidosdeseuselétrons.Noentanto,deacordocomateoriadoBigBang,amatériadeveriateremergidodabola de fogo primeva sob a forma de átomos sem carga – de fato, a“recombinação”denúcleosatômicoscomelétronsfoioestágiofinaldopróprioBigBang(verpágina168).Parecequealgumprocessotinhadereionizaromeiointergaláctico antes que as primeiras galáxias se formassem, e radiaçãoultravioletadealtaenergiavindadeestrelasmonstroséconsideradaacandidatamaisprovável.

Astrônomos têm ponderado esse cenário desde os anos 1970, principalmenteusando modelos computacionais para mostrar como a matéria poderia tercolapsadoeseaglutinadosobainfluênciadagravidade.Emboraalgunstenhamargumentado que buracos negros supermassivos poderiam simplesmente serformadospelocolapsodenuvensdegásnoUniversoprimitivo,outrossugeremqueelestinhammaiorprobabilidadedeteremsidoformadosdafusãodeburacosnegrosmenoresdeixadospelaprimeirageraçãodeestrelas.

População III A comparação entre estrelas com idades diferentes em locaisdiferentes na nossa galáxia e no amplo Universo mostra que a proporção deelementos mais pesados – que os astrônomos chamam de metais – entre asmatérias-primasdaformaçãodeestrelasaumentouaolongodebilhõesdeanosde história cósmica. Em 1944, Walter Baade reconheceu a diferença entre aPopulação i, jovem e rica emmetais, e a PopulaçãoII, mais velha e pobre emmetais,massónosanos1970équeapossibilidadedeumadistintaPopulaçãoIII,feita inteiramentedeelementos levesformadosnoBigBang,foi levantadaporA.G.W.CameroneJamesTruran.OcasodasestrelasdaPopulação IIIsetornamais premente nos anos 1990, depois que astrônomos descobriram que até osquasaresmaisdistanteseantigoseasgaláxiasprimitivas jáeramenriquecidoscomelementospesadosdealgumafonteanterior.

Por volta dessa época, os cosmólogos começaram a estudar a evolução doUniverso inicialpormeiodemodelos computacionais.Começandocomdados

das irregularidades da radiação cósmica de fundo emmicro-ondas (ver página180), eles traçaram como se comportariam tanto amatéria luminosa quanto ainvisível matéria escura (ver página 188). Descobriram que em cerca de 200milhõesdeanosapartirdoBigBang,pequenas“protogaláxias”começaramaseaglutinar. Com cada uma contendo até milhões de massas solares de gásformadordeestrelasemumaregiãoapoucasdezenasdeanos-luzdediâmetro,essasconstituiriamberçáriosideaisparaestrelasdaPopulaçãoIII.

“Aquelas estrelas foram as que formaram os primeiros átomospesados que acabaramporpermitir que estejamos aqui.”DavidSobral

ModelagemdemonstrosEnquantoisso,outrosastrônomosestavammodelandoaspropriedadesdasestrelas.Logoficouclaroque,comoogásdaprotogaláxiaera muito mais quente e acelerado do que o meio interestelar atual, serianecessária muito mais gravidade para fazer com que ele colapsasse em umaestrela. Em outras palavras, os menores aglomerados formadores de estrelasiniciais seriam dezenas, talvez centenas, de vezes mais massivos do que noUniversoatual.Emcircunstânciasnormais,issoseriaumareceitaparadesastreedesintegração–àmedidaqueocentrodanuvememcolapsoseaquecessepelocolapso gravitacional, ela emitiria tanta radiação que as regiões exterioresexplodiriam. Mas em 2002, pesquisadores mostraram que as circunstânciassingulares doUniverso inicial, commatéria normal e escura ainda em grandeproximidade e sem elementos pesados, poderiam sobrepujar esse problema,permitindoaformaçãodeestrelascommuitascentenasdemassassolares.

Umavezformadas,essasestrelasmonstrosseriamsurpreendentementeestáveise tranquilas. A falta de elementos pesados iria inicialmente restringir seusprocessos de fusão nuclear à simples cadeia próton-próton (ver página 76),reduzindo a quantidade de radiação gerada e evitando que elas explodissem.Apesar disso, as condições no núcleo significavam que essas estrelas iriam,aindaassim,queimarosuprimentodehidrogêniocombustíveldeseunúcleoemalguns poucos milhões de anos, e começar a criar elementos pesados de ummodo semelhante às vermelhas gigantes e às supergigantes de hoje.Eventualmente, no entanto, essas fontes de combustível também seriamexauridas, e as estrelas encontrariam seu fim em supernovas espetaculares emuitomaispotentesdoquequalquerumaquetenhamosvisto(verboxeacima).No processo, elas espalhariam seus elementos pesados pelo espaço ao redor,enriquecendo a mistura de material nas galáxias maiores que já estivessem

aglutinandoemtornodelas.

AmortedegigantesAchava-sequeestrelasmonstruosas,comoaquelasquepodemterseformadonaPopulaçãoIII, podiam morrer em um único tipo de supernova – a chamadasupernovade fotodesintegração.A fotodesintegraçãoéumprocessoquesedá,atécertoponto,nosnúcleosdetodasasestrelasligadasasupernovas,eenvolvea fragmentação dos núcleos atômicos quando são atingidos por raios gamadealta energia. O processo em geral absorve energia e faz uma pequenacontribuição para o processo geral de nucleossíntese em supernovas, mas, àmedidaqueestrelascommaisde250massassolaresseaproximamdofinaldesuas vidas, ele pode ocorrer em taxas altamente aceleradas. A absorção deenergia cria uma queda rápida de pressão no núcleo da estrela, produzindo oburaco negro que come a estrela de dentro. Uma proporção do material daestrela, enriquecido com os elementos pesados criados durante sua vida, podejorrar dos polos emdois jatos a velocidades próximas à da luz,mas a grandemaioriadamassadaestrelaéretidapeloburaconegro,fazendodissoumaformaderapidamenteconstruirburacosnegroscomcentenasdemassassolares.

Vale a pena notar que a massa dessas primeiras estrelas ainda é assunto dedebate. Algumas linhas de evidências sugerem que elas ficavam limitadas amassas mais semelhantes àquelas no Universo atual. Evidência sobre qualmodelo é o correto pode vir do Telescópio Espacial JamesWebb, da NASA, queesperacapturaraluzdessasestrelasdaPopulaçãoIIIpelaprimeiríssimavezdepoisdeseulançamento,porvoltade2019.

A ideia condensada: As primeirasprotogaláxias eram povoadas comestrelasmonstros44AmargemdoUniversoAluzpodeseracoisamaisrápidaqueexiste,massuavelocidadeaindaéfinita.Issoquerdizerque,quandoolhamosavastidãodoespaço, olhamos também para o tempo passado. E como oUniverso tem uma história finita, a velocidade limitada da luztambémcriaumlimitecósmico,alémdoqualjamaispoderemosver.

Ofatodequealuzviajaatravésdoespaçoacercade300milquilômetrosporsegundo foi estabelecido nos séculos XVIII e XIX. Resultados a partir de umavariedade de experiências engenhosas foram sustentados teoricamente peloscálculos do físico escocês James Clerk Maxwell, que mostrou em um artigoimportantede1864,quealuzéumaondaeletromagnética–umacombinaçãodeperturbações elétricas emagnéticas que se propagam através do espaço numavelocidadefixa.A velocidade limitada da luz transforma nosso Universo em uma espécie demáquina do tempo cósmica, já que a luz de objetos distantes deve ter levado

algum tempo para nos alcançar. A primeira tentativa plausível para medir avelocidade da luz, feita pelo astrônomo dinamarquêsOleRømer, em1676, sebaseouexatamentenessaideia.Rømernotoumudançasnoritmodoseclipses–queocorriamquandosatélitesgalileanosdeJúpiter (verpágina10)semoviamemtornodeseuplanetagenitor–easatribuiuamudançasnotempoquealuzlevaparachegaràTerra,graçasàvariaçãodeposiçõesdosdoisplanetas.

Namaior parte das situações, astrônomos consideram esse efeito – conhecidocomohorizontepassado–apenascomoconhecido,mas,emcasosdedistânciasmaiores,eletemefeitoscolateraisúteis.Quandoolhamosparaobjetosabilhõesdeanos-luzdedistâncianoespaço,osestamosvendotambémhábilhõesdeanosna história. Olhe para longe o suficiente, e a luz das galáxias que chega aosnossos telescópios saiu em sua jornada na direção da Terra em um pontosignificativamente anterior em sua evolução. Isso explica por que violentasgaláxiasativas,comoosquasares(verpágina155),tendemaestartãodistantesnoespaço–elasrepresentamumafasemuitomaisantigadaevoluçãogaláctica,naqualburacosnegrossupermassivosestãosealimentandomaisvorazmentedoquesealimentamnasgaláxiastranquilaseevoluídasdehoje.

OUniversoobservávelO limite máximo de nossas observações do Universo é estabelecido peladistânciaquea luzpode terviajadoduranteosestimados13,8bilhõesdeanosdesde o Big Bang (ver página 166). Esse limite, onde se origina aCMBR, éconsideradoamargemdo“Universoobservável”.Pode-sesupor,razoavelmente, que está a 13,8 bilhões de anos-luz de distância em qualquerdireção. Entretanto, a realidade é um poucomais complicada. A expansão doespaço,enquantoaluzoatravessava,nãoapenasfoiestendidaeavermelhadaemseuscomprimentosdeonda,mastambémaumentouadistânciaentresuafonteeaTerra.Então,emboraumfachodeluzpossaterviajadodurante13,8bilhõesdeanos,aexpansãocósmicasignificaquesuafonteestáagoraamuitomaisde13,8bilhõesdeanos-luzdedistância.Defato,asestimativasmaisrecentessugeremquepodemos,hipoteticamente,verluzdeobjetosqueestãoauns46,5bilhõesdeanos-luz de distância e, portanto, esse é o limite verdadeiro do Universoobservável.

SondandoopassadoDesdeosanos1990,astrônomostêmusadoascapacidadesúnicas do Telescópio EspacialHubble para se aproveitar desse efeito, criandouma série de “Campos Profundos do Hubble”, que combinam a fraca luzcapturadaaolongodemuitashoras,enquantootelescópiomira,sempiscar,umaregiãoúnica,aparentementevazia,doespaço.Diversasáreasdiferentesdocéuforam estudadas desse modo, e todas revelaram uma história semelhante –incontáveis galáxias estendendo-se até os limites da visibilidade. Galáxiaselípticas só aparecemnoprimeiroplanodessas imagens, enquantoos alcancesmédiosmostramespiraisemprocessode formação.Asgaláxiasmaisdistantessão avassaladoramente irregulares e iluminadas por violenta formação deestrelas.

Em última análise, no entanto, as galáxias mais distantes sofrem desviosvermelhos tão imensos que a luz delas é principalmente emitida noinfravermelho.OHSTcarregainstrumentosdeinfravermelhoquepermitemqueelesiga galáxias um pouco além dos limites da luz visível,mas nãomuito, e háaindaum limiteparaobrilhodegaláxias, que as imagensde longa exposiçãodos Campos Profundos podem perceber. Os objetosmais distantes capturadosatéagorasão,portanto,galáxiasrarascujaluz(principalmenteinfravermelha)éamplificada pelo efeito conhecido como lente gravitacional (ver página 192).

Entretanto,aideiageraléqueasrajadasderaiosgama–incrivelmentepotentes,embora de curta duração – que chegam àTerra de todas as partes do céu sãooriginárias de eventos cataclísmicos em galáxias que são, de outro modo,indetectáveis(verpáginas125e133).

“Jáobserveiestrelascujaluz,issopodeserprovado,develevar2milhõesdeanosparachegaràTerra.”WilliamHerschel

OTelescópioEspacial JamesWebbda NASA, sucessor infravermelho doHubble,deveria poder captar imagens de muitas dessas galáxias antigas e de outrosobjetos noUniverso inicial (ver página177),masnomomento asmargensdoUniverso finalmente desapareceram em escuridão por volta de 13 bilhões deanos-luzdedistância–poucasfrustrantescentenasdemilhõesdeanosdepoisdopróprioBigBang.Porsorte,essenãoébemofimdahistória.

SinaisvindosdamargemEm1964,osradioastrônomosArnoPenziaseRobertWilson, trabalhando numa antena de rádio nova e altamente sensível noslaboratórios da Bell Telephone, em Nova Jersey, descobriram seu sistemaacometidodeumafontedesconhecidaderuídoderádiofraco,maspersistente.Depoisde investigaremtodasaspossíveisfontesdecontaminação(incluindoapossibilidade de dejetos emissores de rádio deixados por pombos, que tinhamfeitoninhonaantena),concluíramqueosinalerareal.Eaindamais,oruídoderádioestavavindodocéuecorrespondiaaumcorponegrouniforme(verpágina60)comuma temperaturadecercade4ºkelvin (4ºCacimadozeroabsoluto).IssocombinavaquaseperfeitamentecomaprevisãodeRalphAlphereRobertHermann feita em 1948, de que a origem teórica do Big Bang do Universodeixariaparatrásumaluminosidadeposteriordeluzprimordial,vindadaépocaem que a bola de fogo opaca do Universo jovem se tornou transparente (verpágina 168). Depois de bilhões de anos de viagem pelo espaço, essa luz estáfinalmentechegandoàTerra,massofreuumdesvioparaovermelhoparaapartemicro-ondas do espectro, criando a chamada radiação cósmica de fundo emmicro-ondas

(CMBR).

Nos anos seguintes à descoberta inicial da CMBR, astrônomos refinaram suasmedidasde temperaturaeviramqueelaéuniformemente2,73ºkelvin (2,73ºCacima do zero absoluto, equivalente a -270ºC). Entretanto, a aparenteuniformidade da radiação se tornou um problema em si, já que era difícil

combiná-la com as propriedades do Universo como as conhecemos hoje (verpágina168).Em1992,osatéliteCosmicBackgroundExplorer(COBE)finalmenteresolveuesseproblemaaodescobrirminúsculasvariações (cercadeumaparteem100mil)natemperaturadaCMBR.Essassãoassementesdasestruturasdelargaescalaencontradaspelocosmosatual.Desdeentão, aCMBR temsidomedidacomcada vez mais precisão, tornando-se um instrumento importante para acompreensãodascondiçõeslogoemseguidaaoBigBang.

Um mapa detalhado da CMBRna Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP)[SondaWilkinsondeAnisotropiadeMicro-ondas],daNASA,combinaosresultadosdenoveanosdeobservações.Asáreasmaisclarassãoligeiramentemaisquentesdo que a temperatura média de 2,73º K daCMBR, enquanto as mais escuras sãoligeiramentemaisfrias.

A ideia condensada:Quantomais longenósvemos,maisprofundamenteolhamosparatrásnotempo45AmatériaescuraA ideiadequemaisde80%de todamatérianoUniversonão éapenas escura,mas simplesmente não interage com a luz, é umdos aspectos mais enigmáticos da cosmologia moderna. Aevidência da existência de matéria escura é avassaladora, masinformações a respeito de sua real composição permanecemfrustrantementefugidias.

Em 1933, pouco depois da confirmação de galáxias além daVia Láctea e doreconhecimentoinicialdeaglomeradosdegaláxiascomoestruturasfísicas(verpágina158),FritzZwickyfezaprimeiratentativarigorosaparaestimaramassadasgaláxias.Elepesquisoudiversosmétodos,sendoqueomaiscuriosofoiumatécnicamatemáticaconhecidacomooteoremadoVirial–ummododeestimaramassa de galáxias em um aglomerado a partir de seu movimento e de suaposição. Quando Zwicky aplicou esse teorema ao bastante conhecidoaglomerado de Coma, encontrou que suas galáxias estavam se comportandocomo se tivessem 400 vezes a massa sugerida por suas luzes visíveis. Eleatribuiuessadiferençaaochamadodunklematerie,oumatériaescura.

AideiadeZwickyamarrava-seàsdescobertasdeJanOort,queestavaocupadomais perto de casa, medindo a rotação da Via Láctea (ver página 139). Oortdescobriu que, enquanto a velocidade de objetos orbitando o centro da nossagaláxiadiminuicomadistância(exatamentecomoosplanetasmaisdistantesdonossoprópriosistemasolarorbitammaislentamenteemtornodoSol),elesnãovãotãomaisdevagarquantoseriadeseesperarseadistribuiçãodemassanaViaLácteafosseamesmaqueadesuasestrelas.Oort,portanto,sugeriuqueháumagrandequantidadedematériainvisívelenchendoaregiãodohalonaViaLáctea,alémdosbraçosespiraisvisíveis.

Apesardasinvestigaçõesiniciais,oestudodamatériaescurafoitiradodepautadurantediversasdécadaspelosprogressosemoutroscamposdaastronomia.Adescobertade imensasnuvensdegás interestelarvisíveisemcomprimentosdeondaderádio–muitasdasquaisforammapeadaspelopróprioOort–pareceuresolveraquestão.Ficouprovadocomocertoqueasgaláxiasrealmentecontêmmuitomaismatériadoqueosugeridopelaluzvisível.Àmedidaquetelescópiosem foguetes e satélites abriramaindamaiso espectrodo invisível apartir dosanos 1950, mais desse material, de nuvens de poeira infravermelha entre asestrelasagásderaiosxquenteemtornodeaglomeradosdegaláxias(verpágina159),foitrazidoàluz.

“Em uma galáxia espiral, a proporção de matéria escura paramatéria luminosa tem um fator próximo a dez. Esse éprovavelmente um bom número para a proporção da nossaignorânciaemrelaçãoaonossoconhecimento.”VeraRubin

Redescobertadamatéria escura Assim, o problema foi deixado de lado até1975,quandoaastrônomanorteamericanaVeraRubinpublicouosresultadosdesuadiligentenovainvestigaçãoarespeitodoproblemadarotaçãogaláctica.Eladescobriuque,umavezquetodoogásepoeirainterestelaresforamlevadosemconta,asórbitasdasestrelasaindanãoestavamsecomportandocomodeveriam.Os números de Zwicky eram significativamente excessivos, mas as galáxiaspareciamsecomportarcomosepesassemcercade6vezesmaisdoqueamatériavisíveldentrodelas.

AsalegaçõesdeRubineramcompreensivelmentecontroversas,masseutrabalhofoimeticuloso,eassimquefoiconfirmadoindependentementeem1978,amaiorpartedosastrônomosvoltousuaatençãoàquestãodesaberseamatériaescura

existia,oquepoderiaserecomopoderiaserestudada.

A maior parte das tentativas para explicar a matéria escura caiu em duascategorias: se isso sedeveagrandesquantidadesdematériaordináriaquenóssimplesmentenãovemos,porquemalemitemradiação(chamadamatériaescurabariônica),ouseaalgumaformanovaeexóticadematerial(matériaescuranãobariônica).Nosanos1980,osastrônomoscunharamacrônimosfáceisdeseremlembradosparaosdoiscandidatosmaisprováveis–MACHOS[massiveastrophysicalcompact halo objects] bariônicos e WIMPS [weakly interacting massive particles]nãobariônicos.

MatériaescuraeoBigBangOutralinhaimportantedeevidênciasapontaparaaexistênciadematériaescuranão bariônica – a própria teoria do Big Bang. Não apenas o modelo denucleossíntese do Big Bang para a criação de elementos combina exatamentecom as proporções de matéria bariônica vista no Universo primitivo (nãodeixandoespaçoparaMACHOS),masénecessáriaalgumaformadepartículasWIMPparaexplicaraformaçãodeestruturanopróprioUniverso.Asvariaçõesempequenaescala na radiação cósmica de fundo emmicro-ondas (ver página180) sugerequeconcentraçõesdematériaemassajátinhamcomeçadoaseformarnoiníciodoUniverso,bemantesdeelesetornartransparente.Interaçõescomaluzteriamcriadopressãoderadiaçãoqueimpediuquematériabariônicaseaglutinasseatédepoisqueaboladefogoinicialclareasse(verpágina168).Porsorte,amatériaescura jáeracapazdeconstruiraestruturaem tornodaqual forammais tardeformadosossuperaglomeradosdegaláxias.

Os MACHOS (objetos de halo maciços compactos) são acúmulos pequenos, masdensos,dematérianormalquesepensamestaremórbitanoshalosgalácticos.Entre esses objetos podem estar hipotéticos planetas desgarrados, buracosnegros, estrelas de nêutrons mortas e anãs brancas esfriadas. Esses objetospoderiam ter passado amplamente despercebidos sob telescópios antigos, epodem ter sido responsabilizados por uma grande quantidade de massa.Entretanto,progressosnatecnologiadostelescópioseengenhosasnovastécnicaspermitirambuscasintensivasdaregiãodohalogalácticonosanos1990.Emboratenham sido detectados alguns objetos desgarrados, pesquisadores concluíramque eles simplesmente não existem em número necessário para fazer umacontribuiçãosignificativaparaamatériaescura.

A busca de WIMPSTendo os MACHOSsido desconsiderados, astrônomos e cosmólogosaindaficaramcoma inquietante ideiadeWIMPSexóticos–material fantasmagóricoquedealgummodoexisteemconjunçãocomamatériabariônicadodiaadia,mas raramente interage com ela. As partículas WIMPnão absorvem, espalham ouemitemluz,epodempassardiretoatravésdeátomosdematérianormal,comoseelesnãoexistissem.Oúnicomodode“ver”essaspartículasépelosefeitosdesuasgravidadessobreoutrosobjetos.

Oprimeiro passo importante para compreender os WIMPSémedir sua distribuição

em relação à matéria normal: será que são “frias”, unidas em torno, emassociação próxima, a objetos luminosos; ou “quentes”, voando através degrandes distâncias e mantendo apenas a conexão mais fraca com o Universovisível? Desde os anos 1990, os astrônomos vêm desenvolvendo uma novatécnicaparapesar,eatémapear,matériaescurausandolentesgravitacionais,omodopeloqualgrandesconcentraçõesdemassa,comoaglomeradosdegaláxias,dobram e distorcem a luz de objetos mais distantes (uma consequência daRelatividadeGeral,verpágina192).IronicamenteZwickyestavadefendendoouso das lentes gravitacionais para pesar galáxias ainda em 1937, mais dequarenta anos antes de os primeiros exemplos desses objetos terem sidodescobertos.

AcontribuiçãodoneutrinoAspropriedadesdoshipotéticosWIMPScombinammuitobemcomasdosneutrinos,aspartículasaparentemente semmassa, emitidasdurantedeterminadas reaçõesnucleares,queosastrônomosusamparasondarosinterioresdeestrelasecomoumaviso prévio de supernovas incipientes (ver página124).Os neutrinos sãomaisbemobservadospordetectoresprofundossubterrâneos,quedependemdasinteraçõesrarasentreneutrinosematériabariônicaqueproduzemumresultadomensurável, como um fraco flash de luz. Em 1998, pesquisadores noobservatóriodeneutrinosSuperKamiokande,noJapão,usaramessatécnicaparaidentificarumfenômenochamadooscilação,noqualosneutrinosvariamentretrêstiposdiferentesde“sabores”.Deacordocomafísicadepartículas,issosópode acontecer se os neutrinos realmente carregaremumapequenaquantidadedemassa,emboraprovavelmentemenosde1bilionésimodamassadeumátomodehidrogênio.

Aocompararaforçadosefeitosdaslentes(dominadospelamatériaescura)comaluzdematériavisível,ospesquisadoresdescobriramqueasduastendematerdistribuiçãosemelhante,sugerindoqueamatériaescurafriaéotipodominante.Matériaescuraquente,incluindoneutrinos(aúnicaformadeWIMPaserdescobertoexperimentalmente até agora – ver boxe acima), faz uma contribuiçãorelativamentemenor.Mesmoassim,apesardesses sucessos, apróprianaturezadomistériodamatériaescurafazcomquesejamaisprovávelquesuaresoluçãosejadadapormeiodepesquisasemaceleradoresdepartículascomooGrandeColisordeHádronsdoqueporobservaçõestelescópicas.

A ideia condensada: Oitenta por centoda massa no Universo é feita demisteriosamatériainvisível46EnergiaescuraAdescobertadequeaexpansãodoUniversoestáacelerando,emvezdediminuir, éumadasrevelaçõescientíficasmais excitantesdostemposrecentes.Astrônomosaindanãotêmcertezadeoquê,exatamente, é essaenergiaescura,masas soluçõespossíveis têmimplicaçõesimensasemnossacompreensãodocosmos.

QuandoaNASAlançouoTelescópioEspacialHubble,emabrilde1990,seuprojetoprimário, ou ProjetoChave, era estabelecer aConstante deHubble (a taxa deexpansãocósmica)e,portanto,aidadedoUniverso,estendendoousoconfiáveldasestrelasvariáveisCefeidascomovelaspadrão(verpágina148)adistânciassemprecedentes.IssoacaboudandoaoUniversoumaidadeamplamenteaceitadecercade13,8bilhõesdeanos.Cosmologia da supernova Em meados dos anos 1990, duas equipes emseparado foram pioneiras de uma nova técnica para a medida de distânciasgalácticas, usando supernovas tipoIAcomo “velas padrão”, com o objetivo deverificar os resultados doHubble. Em teoria, esses raros eventos – detonados

quando uma anã branca emum sistema binário compacto excede oLimite deChandrasekhar e se destrói em uma explosão de energia (ver página 132) –sempre liberam amesma quantidade de energia e deveriammostrar sempre omesmopicodeluminosidade.ObrilhomáximocomoévistonaTerra,portanto,informa facilmente a distância da supernova. O principal desafio é que esseseventos são extremamente raros, mas as duas equipes conseguiram usartecnologiadebuscaautomatizadaparavarrerumamultidãodegaláxiasdistantesembuscadesinaisiniciaisdelatoresdebrilhoeapanhá-losantesqueatingissemopontomáximo.

Aideiadeambososprojetos–o“High-z’SupernovaSearchTeam”(equipedebuscadesupernovadealto),internacional,eo“SupernovaCosmologyProject”(projetodecosmologiadesupernova)combasenaCalifórnia–eracompararasdistânciasdasmedidasdesupernovascomaquelasdeduzidaspelaLeideHubble(verpágina163).Nototal,aequipecolheudadosde42supernovascomgrandedesvioparaovermelhocomdistânciasdediversosbilhõesdeanos-luz,emais18noUniversopróximo.Comosuasmedidas se estendiamatémuitoalémdaescala relativamente local do Projeto Chave do Hubble, os astrônomosesperavam encontrar evidência de que a expansão cósmica tinha diminuídoligeiramente desde o Big Bang. Nesse caso, a distância verdadeira até assupernovasmaisdistantesseriamenordoqueasugeridapeloseudesvioparaovermelho,eelaspareceriam,portanto,maisbrilhantesdoqueoprevisto.

Em 1994, o Telescópio Espacial Hubble captou imagens de uma supernovatipoIA(esquerda inferior) na galáxia relativamente próxima NGC4526. A uma

distância de 50milhões de anos-luz daTerra, estava próxima demais para serafetadaporenergiaescura.

O que ninguém esperava era que o contrário fosse verdadeiro.As supernovasmaisdistantespareciamserconsistentementemaisfracasdoqueseudesvioparao vermelho predizia. Os astrônomos gastaram meses investigando as causaspossíveisparaadiferença,antesdeapresentaremsuasdescobertasparaatodaacomunidadeem1998.Aconclusãoinevitáveleraque,quandoseconsideravamtodososoutrosfatores,supernovastipoiarealmentedistanteserammaisfracasdo que o predito, implicando que a expansão cósmica não tinha diminuído develocidade com o tempo, mas acelerado. Esse resultado surpreendente foiapoiado por evidências resultantes de diversas outras abordagens, inclusivemedidas de detalhes na radiação cósmica de fundo em micro-onda (CMBR) eestudosdeestruturacósmicaemlargaescala.Aexpressão“energiaescura”foicunhada em 1998 e, em 2011, Saul Perlmutter, do Projeto de CosmologiaSupernova,compartilhouoPrêmioNobelemFísicacomBrianSchmidteAdamRiess,doHigh-zSupernovaSearchTeam.

“Os astrônomos deveriam poder fazer perguntas fundamentaissemaceleradores(departículas).”SaulPerlmutter

Anaturezada energia escura Então, o que, exatamente, é a energia escura?Váriasinterpretaçõesforamapresentadas,epraticamenteaúnicacoisacomquetodomundoconcordaéque,emtermosdeenergia,elaéoprincipalcomponentedo atual Universo. Em 2013, medidas daCMBRpelo satélite Planck, da AgênciaEspacialEuropeia,sugeriramqueaenergiaescurarespondepor68,3%detodaaenergianocosmos,sendoqueamatériaescuracompreende26,8%,eamatériabariônicacomumficarelegadaameros4,9%.Acontinuaçãodainvestigaçãodassupernovasdealtodesvioparaovermelho,enquantoisso,complicouaindamaisascoisasaomostrarqueaexpansãoestavarealmentedesacelerandonosestágiosiniciais da história cósmica, apenas para que a energia escura exercesse suainfluência durante os últimos 7 bilhões de anos, e fizesse com que a taxa deexpansãoseacelerasse.

CaçadaàenergiadovácuoSeaenergiaescurativerrealmentedesermaisbemexplicadaporumcampodeenergiada“constantecosmológica”permeandooespaço,entãoelapodeajudararesolver umproblemade cemanos, conhecido comoa catástrofe dovácuo.Ateoria quântica (a física domundo subatômico, emque ondas e partículas sãointercambiáveis e certezas conhecidas são substituídas por probabilidades)predizquequalquerregiãovaziadeespaçocontém,mesmoassim,uma“energiade vácuo”. Isso lhe permite criar espontaneamente pares de partículas-antipartículas“virtuais”duranteumbrevemomento.

A intensidade dessa energia pode ser predita a partir de princípios bastanteconhecidos de física quântica, e a presençade partículas virtuais, pipocando esumindootempotodoaonossoredor,podeserprovada,eatémedida,porumestranhofenômenochamadooefeitodeCasimir.Entretanto,osvaloresmedidosparaaenergiadovácuosãopelomenos10100vezesmaisfracosdoqueosefeitosprevistos(oqueé1seguidode100zeros).Nãoédeseespantar,portanto,queaenergiadovácuo tenha sidochamadade apiorprevisão teóricanahistóriadafísica.

Àprimeiravista,aenergiadovácuosoamuitocomoaabordagemda“constantecosmológica” à energia escura, e seria surpreendente descobrir que os doisfenômenossãoindependentes.Masseforisso,entãoaenergiaescurasópiorariaasituação:deacordocomasmelhoresestimativas,elaé10120vezesfracademaisparacombinarcomasprevisões!

Ao ouvir falar da nova descoberta, muitos astrônomos foram lembrados daconstante cosmológica de Einstein. O grande físico acrescentou esse termoadicionalàsuaTeoriadaRelatividadeGeralparaevitarqueoUniverso(quenaépocasepensavaserestático)colapsasseparadentrodesimesmo(verpágina163),mas Einstein chegou a se arrepender dessa inclusão quando a expansãocósmica foi, depois, confirmada. Mesmo assim, uma versão modificada doconceito de Einstein é uma das candidatas plausíveis para a energia escura.Nessemodelo,aconstanteéumaquantidadeínfimadeenergiaintrínsecaaumvolume fixo de espaço. Como energia é equivalente à massa pela famosaequaçãoE=mc2, a constante tem, portanto, um efeito gravitacional exatamentecomoqualquermassa,embora,pormotivoscomplexos,nessecasooefeitosejaderepulsão.Apesardoconteúdodeenergiadecadaquilômetrocúbicodeespaço

ser ínfimo,osefeitosaumentamemgrandesdistâncias.Alémdisso,aumentamcomo tempo,àmedidaqueoUniverso,eovolumedeespaçodentrodele, seexpandem.

Esse gráfico em pizza mostra a dominância da energia no conteúdo massa-energiadoUniverso,deacordocommedidasde2013 feitascomoTelescópioPlanck.

As principais candidatas a explicações alternativas são as chamadas teorias“quintessência”,nasquaisadensidadedaenergiaescuranãoéuniformeatravésdo espaço, mas, em vez disso, é dinâmica, acumulando-se em alguns lugaresmais do que em outros e fazendo com que expandam mais. Diversas teoriasdessetipoforamapresentadas,algumasdasquaistratamasquintessênciascomouma“quintaforça”danaturezaanálogaagravidade,eletromagnetismoeforçasdonúcleoatômico.

Sejaláqualforanaturezadaenergiaescura,oscientistasvãocontinuaraestudarseus efeitos noUniverso atual e no passado.As implicações para o futuro docosmos,enquantoisso,sãoimensas,epotencialmenteocondenamaumamortelonga,fria(verpágina202).

Aideiacondensada:Aexpansãocósmicaestá acelerando, mas não sabemos bemporquê47RelatividadeeondasgravitacionaisAs teoriasgêmeasdeEinstein,deRelatividadeGeral eEspecial,revolucionaramafísicanoiníciodoséculoXX.Paraoscosmólogosteóricos, elas proveem os fundamentos para a compreensão danatureza do Universo, enquanto para astrônomos em ação,oferecemnovosinstrumentosparaaobservaçãodosextremosdocosmos.

Albert Einstein, acadêmico fracassado, trabalhava no Departamento Suíço dePatentes quando, em 1905, publicou uma série de 4 artigos que oimpulssionaramparaafamacientífica.Doisdeles tratavamdoreinoatômicoesubatômico, mas o segundo par investigava o comportamento de objetos emmovimento não acelerado a velocidades próximas à da luz – fenômenoconhecido como relatividade especial. Einstein foi levado a investigar os

extremosdomovimentoporproblemasmanifestadosnafísicaduranteadécadaanterior–emparticular,questõesrelacionadasàvelocidadedaluz.

O físico escocês JamesClerkMaxwell estabelecera, em1865, que a luz tinhauma velocidade fixa no vácuo (representada como c) de cerca de 300 milquilômetros por segundo. Os físicos na época supunham que essa era avelocidadedatransmissãoatravésdeummeioonipresentedetransmissãodeluz,que eles chamavam de éter luminífero. Com técnicas sensíveis seria possívelmediralevevariaçãonavelocidadedaluzvindadediferentesdireçõescausadapelomovimentodaTerraatravésdoéter.Em1887,então,AlbertMichelsoneEdward Morley idealizaram uma experiência nova, engenhosa e altamentesensível, para detectar essa diferença. Quando a experiência deu em nada, osfísicosseviramnumacrise.Diversasteoriasforamapresentadasparaexplicaroresultado negativo, mas apenas Einstein ousou aceitá-la pelo que era, econsiderarapossibilidadedequeoéterrealmentenãoexistia.Emvezdisso,eleimaginou: e se a velocidade da luz fosse simplesmente uma constante,independentedomovimentorelativoentreafonteeoobservador?

RelatividadeespecialOprimeiro artigo deEinstein essencialmente reimaginaasleissimplesdamecânicabaseadasemdoisaxiomas:avelocidadefixadaluzeo“princípiodarelatividade”(i.e.,queasleisdafísicadeveriamsempreaparecerdomesmomodoparaobservadoresemestruturasdereferênciasdiferentes,masequivalentes). Deixando de lado situações de aceleração, ele levou emconsideração apenas o caso “especial” de estruturas de referência inertes (semaceleração).Namaiorpartedassituaçõesdodiaadia,mostrou,asleisdafísicaserãoasmesmasqueasdelineadasporIsaacNewtonnofimdoséculoXVII.Masquando observadores em duas estruturas de referência diferentes estão emmovimento relativo próximo à velocidade da luz, eles começam a interpretareventos de modos radicalmente diferentes. Esses efeitos, chamados“relativísticos”, incluem uma contração do comprimento na direção domovimento,eumadesaceleraçãodo tempo(dilaçãodotempo).Nessesegundoartigo sobre a relatividade, Einstein mostrou que objetos viajando emvelocidades relativísticas aumentam em massa, e a partir daí, provou que amassa de umcorpo e a energia são equivalentes, derivando a famosa equaçãoE=mc2. Em todos os casos, as distorções são apenas aparentes para umobservador fora da estrutura de referência. Para qualquer pessoa dentro dela,tudoparecenormal.

“Abuscadoabsolutolevaaomundoquadridimensional.”Arthur

Eddington

Arelatividadeespecialé importanteparaosastrônomosporquededuzquenãoexiste uma estrutura de referência fixa da qual oUniverso deva sermedido –lugar algumque sejaverdadeiramente estacionárioouondeo tempopasse emvelocidade absoluta.O efeito previsto por ela não apenas foi demonstrado emexperimentoscombasenaTerra,mastambémseprovaramúteisnaexplicaçãodeumavariedadedefenômenosastronômicos,quevãodocomportamentodosjatosrelativísticos(emitidosdospolosdeestrelasdenêutronsegaláxiasativas)àorigemdamatérianopróprioBigBang.

LentegravitacionalA lente gravitacional ocorre quando raios de luz vindos de umobjeto distantepassampróximosaumagrandemassaetêmseustrajetosdefletidospeloespaço-tempo distorcido em torno deles. Para um objeto como o Sol, o efeitomal édetectável (a expedição de eclipse de Eddington mediu deflexões na posiçãoaparentedeestrelaschegandoamenosde1/10.000degrau),masparamaioresconcentrações de massa o resultado pode ser muito mais impressionante. Oprimeirodessesobjetosgravitacionalmentedistorcidos,descobertoem1979,foioQuasargêmeo–umquasardistantecuja luzchegaàTerradeduasdireçõesdepoisdedefletiremtornodeumagaláxiainterposta.

A partir daí, astrônomos encontraram muitos exemplos mais de lentegravitacional–especialmenteemtornodeaglomeradosdensosdegaláxias,ondeoobjetodistorcidonofundoémuitasvezesdobradoemumasériedeformatosparecidos a arcos. A distorção oferece um instrumento poderoso para omapeamento da distribuição de massa dentro desses aglomerados, para seaprendermais a respeito da presença dematéria escura (ver página162),maspodetambémterumaaplicaçãomaisdireta.Domesmomodoqueumalentedetelescópio de vidro, uma lente gravitacional pode intensificar a luz de objetosmaisdistantes, trazendogaláxiasextremamente fracasparadentrodo limitedavisão do alcance de telescópios poderosos.De fato, foi assim que astrônomosdetectaramasgaláxiasmaisdistantesjádescobertas,auns13,2bilhõesdeanos-luzdedistância.Deespecialageral Em1915,Einstein publicou uma teoriamais geral, agoraincorporando situações que envolviam aceleração.A revelação chave veio em1907, quando ele percebeu que, já que a gravidade provoca aceleração, umapessoa numa situação de aceleração constante deveria observar exatamente asmesmas leisdafísicaqueumapessoaparadanasuperfíciedeumplanetanumcampogravitacional.Paraastrônomos,issotinhaumaimplicaçãoimportante:domesmomodo que um observador emmovimento num foguete em aceleraçãorápidavêotrajetodeumfachodeluzsecurvarparabaixo,entãoamesmacoisadeveria acontecer num campo gravitacional forte. Essa é a raiz do fenômenoespetacularconhecidocomolentegravitacional(verboxeàesquerda).

Aolongodosoitoanosseguintes,Einsteintrabalhousobreasimplicaçõesdesuadescoberta, fortemente influenciado pelas ideias de seu antigo tutor na

universidade, Hermann Minkowski, a respeito da relatividade especial.Minkowskiexploraradistorçõesrelativísticaspelasregrasdageometria,tratandoastrêsdimensõesdoespaçoeumadotempocomoumaestruturaunificadaoucomo múltiplo espaço-tempo, dentro da qual cada dimensão pode serintercambiadapelasoutras.Einsteinimaginavaagravidadecomoumadistorçãodoespaço-tempo,edesenvolveuequaçõesparadescrevê-la.

Seuartigode1915aplicouanova teoriaparaexplicarcaracterísticasdaórbitado planetaMercúrio que não podiam ser explicadas pela física clássica, mas,como foi publicado em alemão no auge da Primeira GuerraMundial, passoudespercebido. Foi só em 1919 que Arthur Eddington apresentou umademonstração espetacular da nova teoria, medindo o efeito de lentesgravitacionaissobreestrelaspróximasaoSolduranteumeclipsesolar.

Ummodo popular de se pensar a respeito da relatividade geral é imaginar oespaço-tempocomoumafolhadeborracha,naqualobjetosmaciçoscriamdistorções.Essasafetamnãoapenasasórbitasdeoutrosobjetos,mas também desviam o curso da luz, fazendo surgir o fenômeno conhecidocomolentegravitacional.

Ondas gravitacionais No séculoXX, relatividade especial e geral mostraram-serepetidamentecorretas,masatémuito recentementeumaprevisão fundamentalpermaneceusemprovas.Ondasgravitacionaissãoreverberaçõesminúsculasnoespaço-tempo,manifestadascomomudançasemescalaatômicanasdimensões

do espaço e criadas pormassas não simétricas que rodam em alta velocidade(como buracos negros ou estrelas de nêutron espiralando juntos em sistemasbinários–verpágina133).

Em fevereiro de 2016, no entanto, cientistas norteamericanos finalmenteanunciaramadetecçãodereverberaçõesnoespaço-tempovindasdeumpardeburacos negros em processo de fusão, usando os instrumentos do LaserInterferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) [Observatório de OndasGravitacionais por Interferômetro Laser] no estado de Washington e naLouisiana. A descoberta não apenas confirma a teoria de Einstein (e, de fato,prova além de qualquer dúvida a existência de buracos negros), mas tambémabre ummétodo novo, poderoso, para se observar o cosmos. Como as ondasgravitacionais são criadas por massa, em vez de por matéria luminosa,observatórios futuros de ondas gravitacionais deverão poder estudar matériaescuraeatéespiaralémdoslimitesdaeradedesacoplamento(verpágina168)paraestudarcondiçõesnopróprioBigBang.

Aideiacondensada:Espaçoetemposãoentrelaçados48VidanoUniversoA busca por vida e inteligência extraterrestres é uma das áreasmais desafiadoras, mas excitantes, da astronomia moderna.Entretanto, mesmo semmais descobertas, a existência de nossopróprioplanetahabitável fazsurgirumaquestão intrigante:porqueseriaoUniversocapazdesustentarqualquervida?

As últimas décadas viram uma revolução nas perspectivas de vida na nossagaláxiaenoUniversomaisamplo(vercapítulos12e26).Masaquestãomaioréde inteligência: prova de vida extraterrestre mudaria para sempre nossoconhecimentodocosmos,masocontatodeumaespéciealienígenacomanossaprópria ciência, tecnologia e filosofia seria um eventomuitomais profundo etransformador.Caça de sinais Diversos projetos com o objetivo de detectar sinais de vidaalienígena foram organizados desde o início dos anos 1960. ChamadoscoletivamentedeBuscaporInteligênciaExtraterrestre(SETI,eminglês),eles,emgeral,seconcentramemexaminarocéupormeiodecomprimentosdeondasderádio, procurando sinais que não poderiam ser explicados por fenômenos

naturais.Emboraessaabordagempossaseramelhorquetemos,háempecilhosevidentes:ossinaisderádio,comotodasasondaseletromagnéticas,seespalhamesomemrapidamente, anão serque sejamcolimadasemumfachodirecionalcompacto, significando que estamos essencialmente nos fiando a uma“civilizaçãoquesecomunica”,enviandodeliberadamenteumsinalnadireçãodanossa pequena região do espaço. Isso pode não ser tão improvável quantoparece, já que podemos fazer algomuito parecido se alguma vez detectarmossinaisdevidaemumexoplanetaalienígena.

Aindamaisproblemáticoéqueos emissores alienígenas teriamdemanter suaantenaderádioapontandonanossadireçãoduranteumperíodolongodetempo,jáqueaschancesdeestarmosolhandonadireçãocertanomomentocorreto,ecomnossostelescópiosafinadosparaafrequênciacerta,seriaastronomicamentepequena. Mesmo que essa feliz coincidência ocorresse, ela poderia serfacilmentedesconsiderada,anãoserqueosinalserepitisse.Ocandidatomaisanimadoratéagoraparaumsinalderádioextraterrestre–ochamado“Wow!”,detectadopelocientistaJerryEhman,doSETI,emagostode1977–fracassou.Essarajada de ondas de rádio aparentemente emanadas de Sagitário nunca foirepetida,apesardasnumerosasbuscas.

À luz desses problemas para a abordagem de rádio tradicional, algunsastrônomosdoSETIapresentaram ideias alternativas pioneiras. SETI óptico defende abuscaporsinaisqueestejamsendoemitidospormeiodeluzvisível,enquantoosdefensoresdo SETIAtivotêmenviadomensagensdeliberadasparaoespaço,maisnotavelmenteaMensagemdeArecibode1974(verilustração).

AMensagem de Arecibo (acima) foi um pulso de 1.679 dígitos binários – oprodutodosnúmerosprimos23e73.Quandoarrumadosnumagrade

de 23 colunas e 73 fileiras, amensagem formaumpictograma simples.Outraabordagempromissoraéaprocurade“tecnoassinaturas”emvezdemensagensdeliberadas.Essassãomarcassingularesdelatorasna luzdeestrelaseplanetasque poderiam apenas ter sido criadas pelas atividades de uma civilizaçãoavançada. À primeira vista isso parece ficção científica, mas estruturas comocidadescobrindoumplanetainteiro,“propulsoresShkadov”eesferasdeDyson(conchasimensasconstruídasemtornodeumaestrelacomopropósitodecolhersua energia) são todos projetos de engenharia plausíveis, que produziriam um

sinaldistinto.Emais,essaabordagemjárendeuocandidatoSETImaisexcitanteemanos(verboxeabaixo).

Ajuste fino para vida? Enquanto astrônomos do SETI ocupavam-se procurandointeligência, alguns cosmólogos também estavam igualmente absorvidos pelaquestãodeporquequalquerplanetanoUniversohaveriadetervida–e,defato,porqueháplanetas, estrelasougaláxias afinal.Àmedidaquea teoriadoBigBangsedesenvolveuapartirdosanos1950,tornou-secadavezmaisclaroquemuitos aspectos do nosso Universo, da estrutura em larga escala dosaglomerados e superaglomerados de galáxias ao comportamento químico deelementosindividuais,sãodependentesdeumpunhadodeconstantesfísicas.Sequalquerumadessas tivesseumvalor ligeiramentediferente,entãooUniversocomoumtodoseriamuitodiferente–provavelmentediferenteosuficienteparaimpedirodesenvolvimentodevida.DadoqueaprópriateoriadoBigBangnãooferece qualquer mecanismo específico para o controle dos valores dessasconstantes, o fato de que elas parecem ter tido um “ajuste fino” para a vidapareceumacoincidênciaextraordinária.

OmistériodaestreladeTabbylEmsetembrode2015,umaequipedeastrônomoslideradaporTabethaBoyajian,naUniversidadeYale, anunciouadescobertadevariações inexplicáveisna luzde uma estrela chamadaKIC8462852 (mais tarde apelidada de estrela deTabby).Posicionadaacercade1.480anos-luzdedistância,naconstelaçãodoCisne,aestrela tinha sido descoberta como parte da buscaKepler de exoplanetas (verpágina 101), mas as diminuições intermitentes em sua luz não podem serexplicadasporplanetasemtrânsito.Emvezdisso,parecemindicarumenxamede corpos menores em órbita. A explicação natural mais plausível, portanto,parecia ser um grande número de cometas em trajetos altamente elípticos queporacasocruzaramnafrentedaestreladuranteasobservaçõesdoKepler,mas,como o pesquisador doSETIJason Wright chamou a atenção, as diminuiçõespoderiam também ser causadas por uma esfera de Dyson, ou estruturasemelhante, sendo montadas em órbita. Os levantamentos por rádio nãoconseguiram detectar qualquer sinal vindo da vizinhança da estrela, mas omistério aumentou no início de 2016, quando o astrônomo Bradley Schaeferexaminou registros históricos e descobriu que o brilho daKIC8462852 tinhadiminuído em cerca de 20%desde 1890, praticamente excluindo a explicaçãodosplanetas.ÉpoucoprovávelqueaestrelaTabbysejaasededeumcanteirodeobras alienígena, mas certamente corresponde ao posto de “estrela maismisteriosadanossagaláxia”.

OfísicoRobertDickefoioprimeiroadiscutirumaexplicaçãopossívelparaesseajustefinoem1961,quandonotouquesópodemosexistirporquevivemosemumestágioespecíficonahistória cósmicaqueé adequadoà evoluçãodavida.Portanto,nãodevíamos fingir surpresacomo fatodevivermosemumaépocaparticularmentehospitaleira.Amesmaideiabásicaestánocoraçãodo“princípioantrópico”proposto sobduas formaspeloastrofísiconorte-americanoBrandonCarter,em1973.OprincípioantrópicofracodeCarterafirmasimplesmenteque,comoestamosaqui,anossalocalizaçãonoespaçoenotempodeveseradequadaaosurgimentodevida.Jáseuprincípioforteargumentaomesmoparaosvaloresdas constantes físicas, chamando a atenção para o fato de que, se elas fossemmuitodiferentes,nãoestaríamosaquiparamedi-las.

“Existemduaspossibilidades:ouestamossósnoUniverso,ounão.Asduassãoigualmenteaterradoras.”ArthurC.Clarke

Em1986,oscosmólogosJohnBarroweFrankTiplerrevisitaramaquestãoemumbest-seller,TheAnthropicCosmologicalPrinciple[Oprincípiocosmológicoantrópico]. Confusamente, eles surgiram com suas próprias definições dosprincípiosfracoeforte,queerambastantediferentesdasdeCarter,esãoessasversõesasgeralmenteusadasnadiscussãohoje.OprincípioantrópicofracodeBarroweTipler essencialmente abrange as duasvariantes – fraca e forte –deCarter, argumentando que todos os aspectos físicos do Universo irãonaturalmente ser adequados à vida, simplesmente porque estamos aqui paramedi-los. O princípio forte, no entanto, vai muito além, sugerindo que podehaveralgumacoisacomrespeitoaoUniversoquedáaeleum imperativoparaproduzirvida–emoutraspalavras,elerealmente temumajustefinodadoporuma influência externa.Os autores apresentam três explicações possíveis paraseuprincípioforte:ouoUniversofoideliberadamenteprojetadoparadarorigemà vida por alguma agência externa; ou a presença de observadores nele é, dealgummodo,necessáriaparaqueelepasseaexistir (umaabordagemqueecoaalguns elementos da física quântica); ou, finalmente, nossoUniverso é apenasum entre um vasto “conjunto” que permite que todos os parâmetros possíveissejamexplorados.Comoveremosnocapítulo49,essa terceiraopçãopodenãosertãoimprovávelcomoparece.

A ideia condensada: A adequação doUniverso à vida faz surgir questõescomplicadas49OmultiversoPoderia o Universo ser apenas uma parte minúscula de ummultiversomuitomaioretalvezinfinito?Muitoscosmólogosestãocada vez mais inclinados para essa ideia, mas que evidênciaspoderiamserencontradasparasustentá-la?Equalseriaaformadaspartesinvisíveisdomultiverso?

Provavelmente,aformamaisamplamenteconhecidademultiversoétambémamais difícil de se imaginar. Tratase do conjunto de um número infinito deuniversosparalelossugeridopela“interpretaçãodemuitosmundos”damecânicaquântica e adorado pelos escritores de ficção científica. De acordo com essaideia,apresentadaprimeiramentepelofísicoHughEverett,em1957,asoluçãoparaefeitosincertosinerentesaomundosubatômicodateoriaquânticaéqueoUniversoseramifiqueconstantemente,criandocópiasnasquaistodososefeitospossíveis de cada evento possível são esgotados. Por sorte, os dois casos demultiversosmaiscomumentedefendidosporcosmólogossãoumtantofáceisdeentender, embora suas implicações sejam, em muitos aspectos,

proporcionalmenteprofundas.

AlémdoslimitesOobjetomaissimplesquepoderiaserchamadodemultiversoé um que podemos ter certeza de que existe – a extensão do nosso própriocosmos bem além do limite de 46,5 bilhões de anos-luz do “Universoobservável”estabelecidopelavelocidadeda luz (verpágina179).A existênciadesse multiverso é bastante óbvia quando se considera a situação de umobservadorhipotéticoemumplanetanamargemdonossoUniversoobservável.AoolharnumadireçãoelepodeveratravésdoabismodeespaçonadireçãodaTerra,masolhandonaoutra,podeverregiõesdeespaço-tempoeternamenteforadoslimitesdasnossasprópriasobservações.

Com base na evidência de que nosso Universo visível é “homogêneo eisotrópico” nas escalasmaiores (em outras palavras, parecemais oumenos omesmo, independentemente de onde você esteja ou em que direção estejaolhando), é razoável concluir que esse multiverso é essencialmente “mais damesmacoisa”;mas,exatamente,qualoseutamanho?Arespostaaessaperguntadependedacurvaturadopróprioespaço-tempo,determinadapeloequilíbriodematéria, matéria escura e energia escura no cosmos (ver página 202). Se oespaço-tempo se encurva para dentro, como uma esfera, então omultiverso éfechado,etalveznãomaisde150vezesmaiordoqueonossoUniversovisível.Se o espaço-tempo se dobra para fora, comouma sela (como a descoberta daenergia escura sugere), entãoomultiverso é aberto e efetivamente infinito emtamanho.Éestranho,masumuniversoverdadeiramenteinfinitolevacomeleamesmaimplicaçãoqueahipótesedosmuitosmundos–emalgumlugar,láfora,cada efeito possível de cada evento está sendo exaurido em um Universo“paralelo”.

Quatrosaboresdemultiverso?O teórico e pioneiro em multiversos, Max Tegmark, define 4 níveis demultiversos:1.Espaço-temponormalalémdoslimitesdoUniversoobservável.2. Universos com constantes físicas diferentes, como aquelas criadas porinflaçãoeterna.3.OUniversoparalelogeradopelainterpretaçãodemuitosmundosdamecânicaquântica.4.Oconjuntofinal–umaestruturapuramentematemáticaqueincorporatodososmultiversospossíveis.

Inflação eterna O segundo tipo de multiverso, que intriga os cosmólogos, éainda mais estranho, oferecendo a possibilidade de universos radicalmentediferentesdonosso.Eletemsuasraízesnateoriadainflação,inventadaporAlanGutheoutrosnoiníciodosanos1980,comoummeiodeampliarumapequenaseção do cosmos primordial e criar umUniverso feito o que vemos hoje (verpágina168).Umaquestãoevidentenaépocaeraoquefaziacomqueainflaçãochegasse a um fim, mas, em 1986, o eventual colaborador de Guth, AndreiLinde, levantouumapossibilidade aindamais ousada– e se a inflação jamaischegasseaumfim?

Nomodelodainflaçãoeterna,oucaótica,novos“Universosbolha”sãocriadoscontinuamenteporumprocessodemudançadefase,queéanálogoàformaçãodasbolhasnaáguacomgás.Navidadodiaadia,conhecemosasfases,sólida,líquidaegasosa,dosmateriais,e talvezsaibamosvagamentequeas transiçõesentre elas absorvem ou liberam energia. Mas na física fundamental, muitasoutraspropriedadestêmfases,indodascaracterísticasdepartículaselementaresàs dimensões do próprio espaçotempo, e a energia do vácuo, que permeia ocosmos(verpágina188).

BranasedimensõesmaisaltasTentativasparaseencontrarumateoriadeunificaçãoparaafísicadepartículasnas últimas décadas fizeram surgir outra forma possível de multiverso,conhecida como cosmologia de branas. A candidata atual mais provável paraunirasforçasfundamentaisdanatureza–umaideiacomplexaconhecidacomoTeoriaM– exige que o espaço-tempo contenha mais sete outras dimensões deespaço, que ignoramos atualmente. Algumas dessas poderiam ser“compactificadas”, ou enroladas para dentro delas mesmas em escalas tãopequenasquenãoseriamnotadasnonossoUniverso(domesmomodoqueumapequena bola de barbante parece um único ponto se visto de uma distânciasuficientementegrande),maseseumadelasnãofosse?

No final dos anos 1990, cosmólogos desenvolveram a teoria de que o nossoUniversopoderiaserapenasumaregiãodoespaço-tempofeitoumamembrana,chamadabrana,separadadeummultiversodebranassemelhantesporpequenasdistânciasemuma“dimensãohiperespaço”invisível.Em2001,PaulSteinhardte Neil Turok usaram branas como a base para um novo modelo cíclico deevoluçãocósmica,sugerindoquebranasseafastamlentamentenohiperespaço,eisso se manifesta como energia escura dentro de cada brana. Colisões entrebranas em escalas temporais de trilhões-anos provocam eventos de GrandeColapso(verpágina203),seguidosporBigBangs.

Transiçõesentreessasfasesliberammuitomaisenergiadoqueentreasfasesdamatéria, e novas fases podem pipocar espontaneamente no vácuo do espaço.Seus destinos dependem de suas misturas precisas de propriedades – aquelascom energia de vácuo negativa rapidamente colapsam de volta para elasmesmas,masaquelascomenergiapositivacomeçamaexpandir,potencialmentecriando um Universo bolha com suas propriedades e leis físicas, e até suasprópriasmisturasdedimensões.Emmuitoscasos,aenergiadevácuopodesermuitomaiordoqueéemseupróprioUniverso,talvezlevandoumuniversoaseexpandirexponencialmente.Alémdanossabolhaparticular,omultiversomaisamploseriatudo,menoshomogêneoeisotrópico.

Variedade infinita Se esse modelo de multiverso estiver correto, então eleresolvemuitosdosmistériosdacosmologiamoderna.Porexemplo,aexistênciade inúmeras fases com propriedades radicalmente diferentes tornaria menosproblemáticaanaturezabemafinadadonossopróprioUniversoeobaixovalor

desuaenergiadevácuo.(verpáginas196e188).Aquestãodoqueaconteceu“antes”doBigBangecomoelefoiprovocadofinalmenteteriasentido,mas,poroutrolado,nossaimagemhámuitoaceitadeumUniversocom13,8bilhõesdeanosdeidadeteriadeserabandonada,jáqueissoseriaapenasaidadedanossabolhaparticularemumprocessoeterno.

“No espaço infinito, até os eventos mais improváveis devemaconteceremalgumlugar.”MaxTegmark

No momento, entretanto, essa teoria extraordinária permanece não provada.Alguns podem perguntar se seria possível confirmar a existência de taisuniversosvariadosalémdonossopróprio,masumavantagemdainflaçãoeternaé que ela produz previsões que podem ser testadas. Em teoria, as bolhasdeveriamcolidirocasionalmenteumascomasoutras,comsuasparedesexternasse despedaçando a altas velocidades.O resultado no nossoUniverso seria um“rastro cósmico”, cuja passagem teria efeitos diversos, e que imprimiriampadrõesdistintosnaradiaçãocósmicadefundoemmicro-ondas.Emboraessespadrões ainda não tenham sido encontrados, eles estariam bem no limite dasnossas técnicas atuais de observação, de modo que o caso para esse tipo demultiversopermanecetentadoramentenãoprovado.

A ideia condensada: Nosso Universopode ser apenas um em um cosmosinfinito50OdestinodoUniversoExatamente qual é o destino final do nosso Universo? Desde onascimento da cosmologia moderna, os astrônomos buscaramdistinguirentrediversasalternativasdiferentes,masadescobertarecente da energia escura introduziu um importante fator novo,aparentementesentenciandoocosmosaumamortelongaefria.

AideiadequeoUniversopoderiaalgumdiachegaraofimeratãoestranhaaosastrônomosnoiníciodoséculoXXquantoàideiadequeeletenhatidouminício.Atéesseponto,ocosmostinhasido,emgeral,consideradoeterno,etendosidosempremaisoumenosomesmonopassadodistante comoéhoje.Aprimeirapessoa a considerar seriamente essa alternativa foi Alexander Friedmann, queem1924elaborousuaideiaanteriordoespaço-tempoemexpansão(verpágina163) com propostas sobre como o Universo poderia evoluir. FriedmannargumentouqueoUniversodeveestarexpandindoparasobrepujarainfluênciagravitacionaldamatériadentrodele.Durantequanto tempoessa expansão iria

continuardependeriadeumfatorcrucialconhecidocomooparâmetrodensidade(representado pela letra grega ômega Ω) – a distribuição média de massa eenergiacomparadaacertadensidadecrítica.

Se Ω for exatamente 1 (isto é, a densidade média do Universo é igual àdensidadecrítica),entãoagravidadeserásuficienteparadesaceleraraexpansãocósmica, mas nunca exatamente fazê-la parar. Se Ω for menor do que 1, aexpansãocontinuaráparasempre;enquantoseformaiordoque1,iráretardareeventualmente retroceder, e o Universo cairá de volta sobre ele mesmo.Friedmann descreveu esses três cenários como planos, abertos ou fechados,respectivamente.

Seguindo-seaotrabalhodeFriedmanneàconfirmaçãodaexpansãocósmicadeHubble, em1929,Einstein,Lemaître eoutros consideraramapossibilidadedeumuniversocíclicoeoscilante,queperiodicamente se expandia e se contraía,passandoporumestadoquente,denso,emqualquerfinaldeciclo(umBigBangeumBigCrunch[Grandecolapso]).Umuniversocíclicopareciamaiseternodoqueomomentodefinitivodacriação,sugeridopelomodelodeexpansãodireta,mas, em 1934, Richard Tolman mostrou que nenhum universo oscilantecontinuaria para sempre sem romper com as leis da termodinâmica. Aindaprecisaria de um início definitivo, então os defensores estavam simplesmentetrocandoummomentomaisrecentedecriaçãoporoutromaisdistante.

“AsleisdanaturezasãoelaboradasdeumamaneiratalatornaroUniversoomaisinteressantepossível.”FreemanDyson

Grandecolapsooumortetérmica?Depoisdessealvoroçoinicialdeinteresse,a evolução futura do Universo permanece algo como uma contracorrentecientífica até meados dos anos 1960, quando a teoria do Big Bang foiconclusivamente provada pela descoberta da radiação cósmica de fundo emmicro-ondas.Em1969,MartinRees revisitou o assunto comum reexamedascondições em umUniverso fechado em colapso. Ele descobriu que, àmedidaque o Universo se contrai, ele também se aquece, alcançando eventualmentetemperaturasquefariamcomqueasprópriasestrelasseevaporassem,antesquetudomaisfossedestruídoemumasingularidade,ourecicladoemumUniversoemoscilação.

Enquanto isso, em 1977, o cosmólogo de Bangladesh Jamal Nazrul Islamelaborou o primeiro estudo do que poderia acontecer emumUniverso aberto.

Ele predisse que, ao longo de trilhões de anos, ou até mais, grande parte domaterial nas galáxias iria acabar como buracos negros colapsados quelentamenteirradiariamsuamassaatravésdaradiaçãodeHawking(página134).Além disso, em escalas temporais ainda mais longas, muitas das partículassubatômicas na matéria ordinária se mostrariam vulneráveis ao decaimentoradioativo. Outro modo de olhar para esse cenário é por meio das leis datermodinâmica, comoWilliamThomson (LordKelvin) fez nos anos 1850.Defato,energiaeinformaçõesficamcadavezmaisespalhadasatéqueoUniversoseja efetivamenteuniforme,umacondiçãoconhecidacomomorte térmica.Em1979,FreemanDyson tratoude todosessesconceitosemmaioresdetalhesemseuestudoaltamenteinfluente,TimeWithoutEnd[Temposemfim],apresentandoumcenárioconhecidogeralmentecomooBigChill[GrandeFrio].

UmBigSlump?Desdeosanos1970,osfísicosdepartículastêmtidoconsciênciadeumdestinopossível para o Universo que tende a ser desconsiderado nas discussõescosmológicas.Trata-sedapossibilidadedequeovácuoatualdoespaçonãosejatão estável quanto aparenta ser, mas, ao contrário, seja “metaestável” evulnerável a uma possível mudança dramática em algum ponto. Na física, oestadometaestáveléoqueparece terummínimodeenergia,eseráestávelnamaior parte das situações, mas que pode repentinamente desabar, se forintroduzidaapossibilidadedequedaparaumestadodeenergiaaindamenor.Naescala cósmica, umeventodessespoderia acontecer seumapequenabolhadoverdadeiro estado de vácuo pipocasse brevemente para a existência devido aefeitosquânticos(deummodoparecidoàspartículasvirtuais–verpágina188).Abolhaseexpandiriaàvelocidadedaluz,destruindoqualquermatériaemseutrajeto, ao afrouxar as ligações das forças fundamentais – um cataclismoapelidado de Big Slurp [engolida forçada]. Embora um evento desses estejaquasecertamenteadezenasdebilhõesdeanosnofuturo,cálculoscombaseemdados, como a massa do recém-descoberto Boson de Higgs, cada vez maisapontamparaaideiadequeonossoUniversoestá,defato,emumfrágilestadometaestável.A distinção entre os dois cenários, de um Universo aberto e de um fechado,tornou-se preocupação principal dos cosmólogos nos anos 1980, sendo maisdifícil pela necessidade de se medir acuradamente a contribuição da matériaescura. Amaior parte das estimativas sugere que o Universo estava pairandopróximoàdensidadecrítica,oquelevouaesforçosredobrados.

Entretanto,adescobertadaenergiaescuraem1998mudoutudo.Ofatodequeaaceleraçãocósmicaestá,naverdade,aumentando,pareceueliminaroscenáriosdeespaçotempofechadoeplano.Nolugardeles,oGrandeFriofoiacrescidodeumaopçãoaindamaisalarmante.Atéaqui,nãosabemososuficientearespeitoda energia escura para entender como ela se comportará no futuro, mas umapossibilidade (apelidadadeenergia fantasmaporRobertCaldwell, em2003)éque a força da energia escura vai continuar a aumentar exponencialmente,acabando por se tornar forte o suficiente para afetar as menores escalas edespedaçaramatériaemumBigRip[GrandeRasgo].AndreiLindesugeriuem2002queelapoderásemostrarcapazdesereverter,atirandooUniversodevoltanadireçãodoGrandeColapso,afinaldecontas.Confirmaçãodequeaenergia

escura parece ter alterado seu comportamento com o tempo (ver página 188)apenas aumenta a dúvida que rodeia quaisquer previsões sobre sua futurapotência.

Aindanãoexatamenteofim?Seaideiadeumlongo,frio,crepúsculocósmico,oudeumdilaceramentodramáticode todamatérianãoaliviaocoração,entãoideias a respeito do multiverso (ver página 200) pelo menos deveriam deixaralgumaesperançaparao futurodistante.Deacordocomomodeloda inflaçãoeterna, novos universos estão brotando o tempo todo, e um pode até pipocardentrodanossaprópriaregiãodoespaço-tempoantesqueasgrandes trevasseestabeleçam.Alternativamente,omodelodeUniversocíclicodePaulSteinhardteNeilTurokpodeofereceroutromododeregeneraroUniverso,emboramuitodepoisdetudooqueéinteressantearespeitodonossoprópriotenhamurchadoesumido.

PossíveissinasparaoUniversoforamtradicionalmenteanalisadosemtermosdoparâmetro densidadeΩ–mas a descoberta da energia escura parece superar asoutraspossibilidades.

A ideia condensada: Como acabará oUniverso – de fato, será que vai acabarmesmo?GlossárioAglomerado aberto Um grande grupo de jovens estrelas brilhantes quenasceramrecentementedamesmanebulosa.AglomeradoglobularUmaboladensadeestrelasantigas,longevas,emórbitaemtornodeumagaláxia.

AnãbrancaOnúcleodenso,emesfriamentolento,deixadoparatráspelamortedeumaestrelacommenosde8vezesamassadoSol.

Anã marrom Uma “estrela fracassada” que não tem massa suficiente parafundirhidrogênioemseunúcleo.

AnãvermelhaUmaestrelacomconsideravelmentemenosmassadoqueoSol–pequena,pálidaecombaixatemperaturasuperficial.

Ano-luzAdistânciapercorridapelaluz(ououtraradiaçãoeletromagnética)emumano,equivalenteaaproximadamente9,5milhõesdemilhõesdequilômetros.

AsteroidesUmdosinúmerosobjetosrochososnosistemasolarinterior.AtmosferaUmacascadegasesmantidosemtornodeumplanetaouestrelaporsuagravidade.BináriaeclipsanteUmsistemabináriocujasestrelaspassamregularmenteemfrenteumasdasoutras,causandoumadiminuiçãonobrilhototal.

Buraco negro supermassivo Um buraco negro com a massa de milhões deestrelas,queseacreditaficarnocentrodemuitasgaláxias.

CinturãodeKuiperUmanelemformatoderoscasituadonosmundosgeladoslogoalémdaórbitadeNetuno.Cometa Um aglomerado de rocha e gelo dos lugares longínquos do sistemasolar.

Espaço-tempo “Variedade” quadridimensional no qual as três dimensõesespaciaisestãointerligadascomadimensãodotempo,dandoorigemaosefeitosderelatividadeespecialegeral.

EspectroscopiaOestudodadistribuiçãodascoresdaluzvindadeestrelasedeoutros objetos, revelando informações tais como a composição química doobjeto,tamanhoetrajetoatravésdoespaço.

EstrelaUmagigantescaboladegás cujo centro équente edensoo suficienteparapermitiradeflagraçãodereaçõesdefusãonuclearquefazemcomqueelabrilhe.

EstrelabináriaUmpardeestrelasemórbitaemtornoumadaoutra.

EstreladenêutronsOnúcleocolapsadodeumaestrelasupermassiva,deixadopara trás por uma explosão de supernova. Muitas estrelas de nêutroninicialmentesecomportamcomopulsares.

EstrelavariávelUmaestrelacujobrilhovaria,oudevidoàinteraçãocomoutraestrela,ouporcausadealgumacaracterísticadaprópria.EstrelaWolf-RayetUmaestrelacommassaextremamentealtaquedesenvolveventosestelarestãofortesquefazemsoprarsuacamadaexterior.

FlareUma enorme liberaçãode partículas superaquecidas acimada superfíciedeumaestrela,provocadaporumcurto-circuitoemseucampomagnético.

Fusão nuclear A união de núcleos atômicos leves para formar outros maispesadosatemperaturasepressõesmuitoaltas, liberandoexcessodeenergianoprocesso.Afusãoéoprocessoresponsávelpelobrilhodasestrelas.

GaláxiaUm sistema independente de estrelas, gás e outrosmateriais comumtamanhomedidoemmilharesdeanosluz.

GaláxiaativaUmagaláxia que emite grandesquantidadesde energia de suasregiõescentrais.

GigantevermelhaUmaestrelaquepassaporumafaseemsuavidanaqualsualuminosidadeaumentaenormemente,fazendocomquesuascamadasexterioresseexpandamesuasuperfícieesfrie.

JatosrelativísticosFachosdepartículas emmovimentopróximoàvelocidadedaluz,geradosemtornodeobjetoscomoosburacosnegros.

LinhadeneveOpontoemqualquersistemasolaremquearadiaçãodaestrelacentraléfracaosuficienteparaquegelodeáguaeoutrassubstânciasquímicasvoláteissobrevivamemformasólida.

NebulosaUmanuvemdegásoupoeiraflutuandonoespaço.Asnebulosassãoomaterial de origemdas estrelas, e onde são novamente espalhadas no final desuasvidas.NebulosaplanetáriaUmanuvemdegásemexpansãoformadapelascamadasexterioresexpelidaseumaestrelagigantevermelhamorrendo.

NovaUmsistemabináriodeestrelasemqueumaanãbrancaroubamaterialdeumaestrelacompanheiraedisparaexplosõesocasionais.

NuvemdeOortUmacascaesféricadecometasadormecidos,comaté2anos-luzdediâmetro,envolvendoosistemasolarinteiro.

PlanetaUmmundoesférico emórbita em tornodeumaestrela, commassa egravidade suficientes para limpar o espaço em torno de sua órbita de outrosobjetos,forasuasprópriasluas.

Planeta-anãoUmobjetoparecidocomumplanetaquenãotemmassasuficienteparasequalificarcomoumplanetaverdadeiro.

Pulsar Uma estrela de nêutron girando rapidamente com um intenso campomagnéticoquecanalizasuaradiaçãoem2fachosestreitos.

RadiaçãoeletromagnéticaUmtipodeenergiaconsistindoemumacombinaçãodeondaselétricasemagnéticas,capazesdesepropagaratravésdeumvácuonavelocidadedaluz.

SequênciaprincipalExpressãousadaparadescreveramaislongafasenavidade uma estrela, durante a qual ela é relativamente estável e brilha ao fundirhidrogênioemhélioemseunúcleo.

SupergiganteUmaestrelamassivaeextremamente luminosa tendoentre10e70vezesamassadoSol.SupernovaUmaexplosãocataclísmicaquemarcaamortedeumaestrela.

TrânsitoApassagemdeumcorpocelestepelafacedeoutro.

UnidadeastronômicaUmaunidadedemedidaequivalenteàdistânciamédiadaTerraaoSol–aproximadamente150milhõesdequilômetros.

Vela padrão Qualquer objeto astronômico cuja luminosidade possa serconhecida independentemente, permitindo que sua distância seja calculada apartirdeseubrilhoaparente.

ÍndiceAAbell,GeorgeOgden113,160acreçãoporcolisão19-20,22,36Aglomeradosabertosdeestrelas82,83,84,85,139,208AGNsverNúcleosgalácticosativosAlpher,Ralph166-167,170,171,178,180Anãsbrancas81,90,91,111,113,126-127,130-131,132,184,186,209Anãsmarrons90,91,92-93,103,207Anãsvermelhas90,91-92,98,208Antenae,Galáxias149Antrópico,Princípio194,195,197Arecibo,Mensagemde195Aristarco16Arquea50,51-52asteroides15,24,42,46-49,145asteroidespróximosdaTerra47

BB2FH,artigo(1957)121,123,124,171Baade,Walter122,123,127,128,131,143,147,150,154,155,160,175Barnard,E.E.172Barnard,Estrelade90,98Bell,Jocelyn127,128-129Bessel,Friedrich58,59,60,126Betelgeuse62,64,110Bethe,Hans75,76,77,80,171BigBang7,143,164,166-169,170,171,174,175,176,179,180,181,184,187,191,

193,196,198,200,203Bináriaeclipsante96,97,114,130,207Bode,Leide47Bohr,Niels63Bok,glóbulos86-87Buraconegro125,126,127,128,129,130,134-137,142,143,144,145,154,155-

157,159,174-175,177,179,180,184,193,203,208

CCalisto38,39,40calor,mortepor203Canopus59Caranguejo,Nebulosado122,123carbono,planetade103Caronte44Carter,Brandon194,197cataclísmicas,variáveis130-131Cefeidas114,115-116,117,119,148,162,164-165,186CentaurusA156Ceres15,16,42-43,44,45,46,47Chandrasekhar,Limitede124,126,127-128,138,134,135,186CicloCNO75,76,77,79,143,170Ciclosolar55-56,57cometas15,46-49Constantecosmológica162,186,188contatobinário97Copérnico,Nicolau6,7-8,14Cosmologiabrane199,200,203Criovulcanismo41,45Ctônicos,planetas104CygnusA154,155

CygnusX-1135,137

DDarwin,George27densidade,Teoriadaondade140,147Dicke,Robert196Dione41Doppler,efeito/desvio56,62,63,64,96,99,102,104,137,144,154,155,162,

164Draper,Catálogo63,64-65,66

EE=mc275,123,167,189,191Eddington,Arthur70-73,75-76,78-80,110-111,115-116,118-119,134,166,172,

191,192,193,Einstein,Albert70,75,123,134,162-163,166,167,186,188-189,190-193,202Encélado39,40-41,51-53Energiaescura163,186-189,199,200,202,203,204-205Éris42,43

espectroscopia12,38,60,62,70,72,208espiralbarrada,galáxia139,141,146-147,149Estrelas,

aglomeradosde82-85ciclodevida75,78-81,172-173classificaçãoespectral64-67coretemperatura60-61distânciaeluminosidade58-59,69estrutura70-73,81fontedeenergia74-77,78-80,111medidas58-61nascimento82-85,86-89peso61química62-65relaçãomassa-luminosidade,78-80remanescentesde91,126-129tempodevida79

Estrelasanãs84,90-93,110,111Estrelasbebês88,110Estrelasbinárias56,58,79,94-97,114,115,130-133,207Estrelasbináriasextremas130-133Estrelasescuras135Estrelasmonstros125,144,174-177Estrelasmúltiplas94-97Estrelaspulsantes114-117Estrelasvariáveis56,69,96,115,164Eucariotos52Europa38,39,40,41,51Exoplanetas22,56,98-101,102,103,104,105,106,108-109,196Explosõessolares56,57Extremófilos50,52,108

Fferro,planetasde105Fleming,Williamina65,66Formaçãoplanetária18-21,103Fraunhofer,linhasde62-63Friedmann,Alexander162,163,166,202fusão,Modelode76

GGaláxiaelíptica143,149,152,153,156,159,179Galáxiaelípticagigante153,159,160

Galáxiaespiral143,146,151,152,154,158,183Galáxiasaglomerados137,158-160,182emcolisãoeevolução150-53,155,156,160tiposde146-149Galáxiasanãsesferoidais146,148-149Galáxiasativas136,142,154-157,179,191Galáxiasirregulares148,152Galáxiaslenticulares146,147-148,149,153Galáxiasprimitivas174-177Galilei,Galileu10-11,14,54,138Gamow,George75,76-77,79,80,81,110,111,166,167,170-171Ganímedes38,39,40geocêntrico,Modelo7Gigantevermelha78,79,81,84,110-113,119,130,141,170,208Gigantesdegás21,34-37,93,103vertambémJúpiter;SaturnoGigantesdegelo24,34-35,37vertambémNetuno;UranoGoldilocks,zonasde106-109GrandeColapso(BigCrunch)203GrandeSorvo(BigSlurp)204gravitacionais,lentes183,184,193gravitacionais,ondas133,135,156,190-193Guth,Alan167,168,198,199

HHalley,Edmond15,46,48,54Hartmann,Johannes170,172Hawking,radiaçãode137,203Hawking,Stephen137hélio,fusãode111,170heliocêntrico,Modelo7,8,10heliosferaheliosismologia71,72Helmholtz,Hermannvon74-75HerbigAe/Be,estrelas88Hermann,Robert166,178,180Herschel,William7,14,15,34,55,58,82,83,94,95,126,138,180Hertzsprung,Ejnar67,78,84,91,110,148Hertzsprung-Russell,diagramade66-69,70,78,91,113hipernovas125,177Holmberg,Erik150,153Horizontedeeventos135-137Hoyle,Fred112,120,123,166,170

Hubble,Constantede163,164,186Hubble,Edwin7,9,146,147,148,150,158,162,166Hubble,Leide156,163,186Hubble,TelescópioEspacial16,39,42,44,47,49,87,113,148,151,153,165,

179,186,187Huggins,William10,63,64,82,83

IImpactogigantehipótese26,28-29inflação167,169,198,199,201,204InteligênciaExtraterrestre,Buscade(SETI)194,195,196IntensoBombardeioTardio22,24

Io39IRASverSatéliteAstronômicoInfravermelho

JJansky,Karl142,143Jovianas,luas38-39Júpiter8,10,14,15,23,24-25,34-35,36,38-39,40,46,47-8,178Júpiteresquentes102,103,104

KKant,Immanuel18,19,49,138Kappa,mecanismo116-117Kapteyn,Jacobus138-139Kelvin,lord75,203Kepler,Johannes7,10,54Kepler,satélite101Kirchhoff,Gustav59,62Kuiper,Cinturãode15,16,18,20,23,42,43,44,46-49,207Kuiper,Gerard49,130Kuiper,ObjetosdoCinturãode(KBOS)16,43Luminosidade,classesde118,121Luz,velocidadeda124,125,134,135,178,190-191,198Lynden-Bell,Donald135,136,142,155,157Novasanãs132NovoCatálogoGeral(NGC)83Newton,Isaac10,11,14,62,135,191Nice,Modelode22,23-24,36NúcleosGalácticosAtivos(AGNS)157Nucleossíntese168,169,170-173,184

LLaplace,Pierre-Simon18LeVerrier,Urbain15-16,34Leavitt,HenriettaSwan115,148Lemaître,Georges162,163-164,166,202Linde,Andrei169,199,204Lowell,Percival16,50Lua,nascimentoda26-29Luasoceânicas38-41,106MMACHOS174,183-184magnetares128magnéticos,campos34,40magnitude,sistemade58,59manchassolares54-55,56,57marés,Modelodoaquecimentode38,39-40,41MarsGlobalSurveyor(MGS)31Marte8,14,15,16,21,23,24,25Águaem30-33,51Vidaem33,50-52,53Matériaescura152,169,174,176,182-185,188,189,192,193,199,204Maury,Antonia66-67,95,96Maxwell,JamesClerk178,190Meiointerestelar(ISM)17,172,176Mercúrio8,14,16,105,192Messier-77154Messier-87159meteoritos48,52,53,124Migraçãoplanetária22-25,36,103Milankovitch,ciclosde32Minkowski,Hermann190,192Minkowski,Rudolph122,123,154,155Mira114,117Mizar/MizarA94-95,96-97

MK,classificação(Yerkes)118Modelodeaquecimentodasmarés37-39Movimentosplanetários6-8,14muitosmundos,interpretaçãode198multiverso9,198-201,204

Nnebular,hipótese18,19nebulosas82-85Netuno8,15,16,22,23-24,34-37,38,46Netunosquentes104neutrino124,183,185nêutrons,estrelasde123,124,126,127,128,130,133,135,137,184,191,193,207

OOort,Jan49,139,140,182Oort,Nuvemde17,18,46,49,208Öpik,Ernst47,49,71,73,78,80-81,110-111Oppenheimer,Robert135

PPacini,Franco128-129panspermia52paralaxe,efeitode8,58,59,60-61,68,98partículas,aceleradoresde168Pauli,princípiodaexclusãode127Payne,Cecilia70,72,7651PegasiB98,99,102Pickering,Edward65Pickering,William66-67,95,96-97“PilaresdaCriação”,imagem87Pistola,Estrelada144Planetas-anões14,16,42-45planetesimais20,21,24,36

Plutão15,16,17,41,42-45Pogson,NormanR.58,59PopulaçãoI,estrelasda143,146,164,175

PopulaçãoII,estrelasda117,142,143,144,146,147,164,175PopulaçãoIII,estrelasda174,175-177Princípioantrópico197Processo-r121,124Processo-s121Processotriplo-alfa111,112,120,170-171próton-próton,cadeia75,76,79,80,89,91,92,143,170,176ProximaCentauri90,91Ptolomeu6,7,8,82pulsar98,99,127,129,133,208

Qquarks,Estrelasde129quasar135,142,154-157,175-176,179,192quinta-essência189

RRCoronaeBorealis,estrelas116Radiaçãocósmicadefundoemmicro-ondas(CMBR)164,166,167,168,176,

178,179,180,181,184,187,188,201,203Radiaçãoeletromagnética11-13,207Radioastronomia129,142,155Radiogaláxia154,156-157raiosx,Bináriasde133Rees,Martin136,142,174,202,203reionização,Problemada175RelatividadeGeral70,134,162,166,184,186,188,190,191,193Relatividadeespecial190,191-193,208retrógrado,movimento8RRLyrae,estrelas117,164Rubin,Vera182,183Russell,HenryNorris68,78,110

SSafronov,Viktor19-21Sagan,Carl7,107,133,195SagitárioA142-145Sandage,Allan154,155,163,164-165SatéliteAstronômicoInfravermelho(IRAS)86Saturno8,11,14-15,22-24,34-37,40Schiaparelli,Giovanni30,46,49,50Schwabe,Heinrich55Schwarzschild,raiode135Secchi,Angelo63,64seixos,acreçãode18,21,36SETIverInteligênciaExtraterrestre,BuscaporSeyfert,galáxias154-155,156,157Shapley,Harlow115,138,139,142,146,149,163,166Shklovsky,Iosif79,111,112-113sinais,Caçade194-197Sirius6,58-59,62,64,90,126Sistemasolar8,14-17nascimentodo18-21,22-25,26,36-37,38,46,48-49outros102-105

Sol14,19,54-57,61,72,74Struve,Otto99super-Terras102,104superaglomerados158,159-161,174superestrelas,aglomeradosde149supergigantes68,78,118-121,126,170supergigantesvermelhas118-119supernovas87,120,121,122-125,126,131,132,133,143,147,151-152,171,176,

177,185,186-187,209

TTAurigae130,131TTauri,estrela86,87,88-89,116Tabby,estrelade196telescópios10-13,14Teoriadaondadedensidade140,147Teoria-m200Theia28,29TipoIa,supernovas123,125,131,132-133,186,187Titã36,40,41Toomre,AlareJüri150-151,152-153trânsito,Métododo99,100-102

Uunidadeastronômica(AU)14,207Universo

destinodo202-205emlargaescala158-161expansão156,162-165,186,188,202-203,205formação166-169margemdo178-181nossolugarno6-9nucleossínteseeevolução170-173observável178,179

Universosbolha168,198,199-200Urano8,14,15,22,23-24,34,35,36,37,46,47UrsaMaior,grupoemmovimentoda85

VVácuo,energiado188Variáveisazuisluminosas(LBVS)119-120velocidaderadial,Métododa99-101,102

Vênus8,10,14,21,50,108ViaLáctea7,8,9,58,91,122,137,138-141,142-145,146,147,151,158,170,182Vidaalienígena33,50-53,103,106-109,128,194-197

WWVirginis,estrelas116Waterston,JohnJames74Weizsäcker,CarlFriedrichvon76-77WIMPS183,184,185Wolf-Rayet,estrelasde118,119,125,209Wow!sinal195

ZZeeman,efeito56Zwicky,Fritz122-123,127,128,131,158,159,182,183,184

AgradecimentosAgradeçoaPaulCrowther,MatthewKleban,HalLevison,GiulianadeTomaeosmuitos outros cientistas operantes que gentilmente criaram tempo parameajudar a avançar rapidamente em algumas das mais excitantes áreas daastronomiamodernanosúltimosmeses.

EstelivronãoteriasidopossívelsemaajudacapazdeTimBrowneDanGreen–agradeçoaambosporseusesforçossuper-humanos!

Eacimadetudo,agradeçoaKatjaporseuapoioinfalível.

Créditosdeimagens28:RobinCanup,SouthwestResearchInstitute;33:NASA/JPL/MalinSpaceScienceSystems;

44:NASA,ESA,H.Weaver (JHU/APL),A. Stern (SwRI), and theHSTPlutoCompanionSearchTeam;

53:NASA;84:ESO;93:ESO/I.Crossfield;

140:User:DbenbennviaWikimedia;161:2dFGalaxyRedshiftSurveyteam/http://www2.aao.gov.au/2dFGRS/;181:NASA/WMAPScienceTeam;187:NASA/ESA, The Hubble Key Project Team and The High-Z SupernovaSearchTeam;195:PengoviaWikimedia.