O que dizem as estrelas gêmeas do Sol

Uma equipe composta de quatro astrônomos da Universidade de São Paulo (USP), o autor deste texto e mais um cientista da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) e dez estrangeiros, em parceria com o Observatório Europeu do Sul (ESO), ajudou a descobrir a estrela gêmea do Sol mais velha já identificada, com 8,2 bilhões de anos – quase o dobro da idade do nosso astro, que tem 4,6 bilhões de anos.

A Hipparcos 102152 (ou HIP 102152) fica a 250 anos-luz de distância da Terra, na constelação de Capricórnio. Para observá-la, foi usado o Very Large Telescope (VLT) do ESO, localizado no norte do Chile, durante 40 noites desde 2011.

Leia atividade didática de Física baseada neste texto
Competências: Apropriar-se de conhecimentos da Física para interpretar intervenções científico-tecnológicas
Habilidades: Caracterizar a composição de corpos celestes; compreender fenômenos decorrentes da radiação eletromagnética em suas manifestações tecnológicas

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A seguir propomos uma atividade para compreender alguns fundamentos da luz como uma radiação que ocupa uma estreita faixa do espectro eletromagnético. O objetivo é associar esse conhecimento às cores. Os alunos vão observar como a luz branca do sol pode ser refratada para formar um espectro padrão de cores.

Material: Prisma transparente.

Conceitos científicos

Nosso Sol é uma estrela com as mesmas características de outras estrelas visíveis no céu, sendo ele a estrela mais próxima da Terra – nosso planeta orbita em torno dele. O Sol é formado por um plasma, que contém diferentes elementos e produzem diferentes assinaturas no espectro solar (luz branca). O Sol emite esta luz branca, que chega até a Terra. Nós podemos, por exemplo, refletir esta luz ou refratá-la. Ao refratar a luz branca, temos as cores que compõem a luz branca em um “arco-íris”.
Encaminhe grupos de trabalho que possam explicar:

a) Qual o fenômeno da difração que nos mostra o caráter ondulatório da luz? A luz que é uma onda eletromagnética, que juntamente com outras radiações (raios X, infravermelho e micro-ondas), pode ser localizada na figura do espectro eletromagnético. Peça para que escolham pelo menos três radiações das que estão mostradas na figura e relacione-as com aplicações que conhecemos no dia a dia.

b) As frequências do espectro eletromagnético diferem de acordo com a natureza da fonte emissora da radiação. Quanto maior a energia, maior a frequência. O grupo deve observar que, de todo o espectro eletromagnético, apenas uma pequena faixa é possível de ser percebida pelo olho humano. Nesta faixa, cada cor observada pode ser identificada por um intervalo de frequências de vibração da onda e, portanto, por um intervalo correspondente de valores para o comprimento de onda. Assim, as cores têm lugares definidos no espectro eletromagnético.

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Através dos tempos, o céu tem sido um ótimo laboratório para testar as leis fundamentais da Física. Newton, em sua época, propôs que a Lua, em órbita da Terra, seguia as mesmas leis do movimento que uma maçã descreve ao cair de uma árvore.

Desde muito tempo, várias teorias fundamentais foram construídas por meio das observações dos astros e da luz que é emitida ou refletida por eles. Hoje, a astrofísica tornou-se um rico terreno de testes e aplicações das leis macroscópicas e microscópicas não somente da Física, mas da ciência em geral.

Para astrônomos e astrofísicos, o Sol é fascinante porque é a estrela mais próxima de nós. Além dele, outro grupo de estrelas muito interessantes são as chamadas estrelas “gêmeas” solares. Elas representam um tópico único no estudo do passado e do futuro da nossa estrela central.

As estrelas gêmeas solares são, por definição, objetos com valores de temperatura, massa, composição química e luminosidade, idênticos aos do Sol. É grande o interesse em sua identificação. A recente descoberta de sistemas planetários reacendeu a busca por estrelas muito semelhantes ao Sol e que possam também abrigar planetas como a Terra, com formas de vida baseadas nas que encontramos no nosso planeta.

A busca, em mais de duas décadas, por uma estrela que efetivamente pudesse ser considerada uma gêmea do Sol só terminou com a identificação da estrela HR 6060 (18 Sco), pelo astrônomo brasileiro Gustavo Porto de Melo, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, em 1997.

Esta foi, de fato, a primeira gêmea solar descoberta. A partir daí, a evolução das técnicas observacionais e da tecnologia de detecção fez com que a precisão das médias atingisse um nível antes nunca visto.

Hoje sabemos que a estrela gêmea 18 Sco é ligeiramente mais nova que o Sol. Trinta anos depois conhecemos apenas meia dúzia de estrelas consideradas boas gêmeas solares, com idades em torno da mesma idade do Sol.

Tais estrelas ajudam os astrônomos e astrofísicos a melhor compreender o nosso sistema solar: elas nos guiam por meio dos processos físicos que governam o ciclo evolutivo do Sol e de outras bilhões de estrelas visíveis no céu em uma noite qualquer.

Estudar sobre o Sol e suas gêmeas pode ser surpreendente. O Sol é um astro de cor amarelada e com brilho tão intenso que pode causar cegueira se olharmos para ele diretamente.  Podemos sentir seu calor todos os dias através da radiação (luz) por ele emitida.

Por outro lado, as estrelas são meros pontinhos de luz visíveis apenas na escuridão noturna e sem nenhum efeito de aquecimento perceptível na Terra.

A primeira e básica questão é saber como pode dois objetos que são eventualmente tão parecidos terem efeitos tão diferentes. A resposta dessa aparente inconsistência está na distância. Em termos astronômicos, podemos dizer que o Sol está relativamente próximo de nós. Ou seja, ele está a 150 milhões de quilômetros da Terra.

As estrelas estão muito mais distantes. A mais próxima delas está em torno de 40 milhões de milhões de quilômetros da Terra. A ideia pode ser explorada com uma simples experiência.

Ao observarmos uma lâmpada incandescente de muito perto e, em seguida observarmos a mesma lâmpada de muito longe, veremos que o bulbo da lâmpada será um pequeno ponto de luz para uma grande distância.

No Sol, a parte que vemos é chamada de fotosfera, que significa a “esfera de luz”.  Essa porção pode ser pensada como a “superfície” do Sol, embora não tenha nenhuma relação física com a superfície sólida e bem definida de um planeta rochoso como a Terra.

Pelo contrário, é uma fina camada de material gasoso e quente (plasma), com aproximadamente 500 quilômetros de profundidade e com uma temperatura média de cerca de 5,5 mil K. Seu diâmetro é perto de 1,4 milhão de quilômetros e isso torna seu volume cerca de 1 milhão de vezes maior que o volume da Terra.

Estudos detalhados da estrutura do Sol requerem normalmente equipamentos especiais. No entanto, o fenômeno natural conhecido como eclipse total do Sol (ao lado) oferece uma oportunidade única de se obter mais conhecimentos sobre a natureza da estrutura do Sol.

Passado, presente e futuro do Sol
A astronomia brasileira tem destacada posição internacional no estudo das estrelas gêmeas solares. Os professores Gustavo Porto de Melo (UFRJ), Jorge Melendez  (USP), juntamente com o autor deste texto e Matthieu Castro (UFRN), formam a equipe brasileira responsável pelas últimas grandes descobertas de estrelas gêmeas solares. Recentemente, os autores anunciaram a mais antiga gêmea solar até então conhecida.

A estrela HIP 102152, que juntamente com outra gêmea solar, a   CoRoT Sol 1, mostram idades avançadas além de massa e composição química semelhantes às do Sol. Essas estrelas, assim como a 18 Sco que é uma gêmea mais nova, ajudam a entender o passado, o presente e o futuro do nosso astro-rei e consequentemente do nosso sistema solar.

Os experimentos com gêmeas solares podem ainda revelar outro aspecto extremamente importante para a astrofísica atual: a possibilidade de detectar planetas rochosos como a Terra, a partir de uma análise de sua constituição química revelada pelo espectro.

*José Dias do Nascimento Júnior é Ph.D., professor do DFTE da UFRN. Pesquisador no Smithsonian-CfA da Harvard University

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Lições de Física, Feyman, Leighton, Sands, tradução Adriana Válio. Ed. Bookman.

Física Conceitual, 9a edição, Paul G. Hewitt, Ed. Bookman

Fundamentos de Astrofísica, Kepler de Souza O. Filho e Maria de Fatima O. Saraiva
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