Olhe para o céu em uma noite clara, e você pode ver algumas milhares de estrelas. Mas isso é quase nada. Nosso Sol é apenas uma estrela entre cem bilhões em nossa galáxia…
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6.1
A Terra, o Sol e a Lua
Programa
6.1.1 A Terra
Central
Suplementar
1 Saiba que a Terra é um planeta que gira em seu eixo, que está inclinado, uma vez em aproximadamente 24 horas, e use isso para explicar observações do movimento diário aparente do Sol e do ciclo periódico de dia e noite
2 Saiba que a Terra orbita o Sol uma vez em aproximadamente 365 dias e use isso para explicar a natureza periódica das estações
4 Defina a velocidade orbital média a partir da equação $v = \frac{2\pi r}{T}$ onde $r$ é o raio médio da órbita e $T$ é o período orbital; lembre-se e use essa equação
3 Saiba que leva aproximadamente um mês para a Lua orbitar a Terra e use isso para explicar a natureza periódica do ciclo de fases da Lua
6.1.2 O Sistema Solar
Central
Suplementar
1 Descreva o Sistema Solar como contendo: (a) uma estrela, o Sol (b) os oito planetas nomeados e saiba sua ordem a partir do Sol (c) planetas menores que orbitam o Sol, incluindo planetas anões como Plutão e asteroides no cinturão de asteroides (d) luas, que orbitam os planetas (e) corpos menores do Sistema Solar, incluindo cometas e satélites naturais
7 Saiba que planetas, planetas menores e cometes têm órbitas elípticas, e lembre-se de que o Sol não está no centro da órbita elíptica, exceto quando a órbita é aproximadamente circular
8 Analise e interprete dados planetários sobre distância orbital, duração orbital, densidade, temperatura superficial e intensidade do campo gravitacional uniforme na superfície do planeta
2 Saiba que, em comparação uns com os outros, os quatro planetas mais próximos do Sol são rochosos e pequenos e os quatro planetas mais distantes do Sol são gasosos e grandes, e explique essa diferença referindo-se a um modelo de acreção para a formação do Sistema Solar, incluindo: (a) a dependência do modelo na gravidade (b) a presença de muitos elementos em nuvens interestelares de gás e poeira (c) a rotação do material na nuvem e a formação de um disco de acreção
3 Saiba que a intensidade do campo gravitacional (a) na superfície de um planeta depende da massa do planeta (b) ao redor de um planeta diminui à medida que a distância do planeta aumenta
4 Calcule o tempo que a luz leva para percorrer uma distância significativa, tal como entre objetos no Sistema Solar
5 Saiba que o Sol contém a maior parte da massa do Sistema Solar e isso explica por que os planetas orbitam o Sol
6 Saiba que a força que mantém um objeto em órbita ao redor do Sol é a atração gravitacional do Sol
9 Saiba que a intensidade do campo gravitacional do Sol diminui e que as velocidades orbitais dos planetas diminuem à medida que a distância do Sol aumenta
10 Saiba que um objeto em uma órbita elíptica viaja mais rápido quando está mais próximo do Sol e explique isso usando a conservação de energia
Fonte: Programa Cambridge International
A Terra gira (rotaciona 自转) sobre o seu eixo 轴 uma vez em cerca de $24$ horas. O eixo está inclinado 倾斜 (não é vertical). Esta rotação causa o dia e a noite, e faz com que o Sol 太阳 pareça mover-se pelo céu todos os dias.
A Terra também se move à volta do Sol numa órbita 轨道, uma vez em cerca de $365$ dias (um ano). Como o eixo está inclinado, diferentes partes da Terra se inclinam em direção ao Sol em momentos diferentes do ano. Isso dá as estações 季节: é verão na metade da Terra que se inclina em direção ao Sol.
O eixo mantém a mesma inclinação durante todo o ano, assim cada hemisfério se inclina em direção ao Sol durante metade da órbita e para longe durante a outra
A Lua 月球 orbita a Terra uma vez em cerca de um mês. À medida que orbita, vemos diferentes quantidades do seu lado iluminado, o que dá as fases 月相 da Lua (lua nova, lua cheia, lua minguante/mingüante).
A metade iluminada da Lua sempre encara o Sol, assim ao orbitar vemos diferentes quantidades dela: uma lua nova entre nós e o Sol, uma lua cheia oposta ao Sol, e luas intermediárias no meio
Assim, do menor para o maior: um dia (rotação da Terra) < um mês (órbita da Lua) < um ano (órbita da Terra).
A Lua cheia, satélite natural da Terra
Explorar
Por que a Lua muda de forma
O Sol ilumina sempre metade da Lua; a fase é simplesmente quanto dessa metade iluminada fica voltada para nós à medida que a Lua orbita — não é a sombra da Terra.
Para um objeto a girar num círculo, a distância para uma órbita completa é a circunferência 周长$2\pi r$, onde $r$ é o raio da órbita. A velocidade orbital 轨道速率 é esta distância dividida pelo período 周期$T$ (o tempo para uma órbita):
$$v = \frac{2\pi r}{T}$$
A mesma equação funciona para planetas, luas e satélites.
Exemplo resolvido. Uma estação espacial orbita a Terra a um raio de $r = 7000\ \text{km}$ e leva $T = 5800\ \text{s}$ para uma órbita. Encontre a sua velocidade orbital.
Primeiro converta o raio para metros: $7000\ \text{km} = 7.0 \times 10^6\ \text{m}$. Então
O Sistema Solar 太阳系 tem uma estrela, o Sol, no centro. À volta dele movem-se os oito planetas 行星. Em ordem a partir do Sol são: Mercúrio, Vênus, Terra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano e Netuno.
Os quatro planetas mais próximos do Sol são pequenos e rochosos 岩石.
Os quatro planetas mais distantes do Sol são grandes e gasosos 气态 — são feitos principalmente de gás 气体, sem superfície sólida para pisar.
Os dois gigantes mais próximos, Júpiter e Saturno, são gigantes gasosos 气态巨行星. Os dois gigantes externos, Urano e Netuno, são gigantes de gelo 冰巨行星: retêm muito mais gelo, logo não são verdadeiros gigantes gasosos.
O Sol e seus oito planetas em ordem: quatro pequenos planetas rochosos, depois o cinturão de asteroides, depois quatro grandes planetas gasosos — os gigantes gasosos Júpiter e Saturno e os gigantes de gelo Urano e Netuno (não à escala)Marte, o planeta vermelho, um dos planetas rochosos internosJúpiter, o maior planeta, com suas faixas giratórias de gásSaturno e seus anéis, fotografados pela sonda Cassini
O Sistema Solar também contém:
planetas menores, como planetas anãs 矮行星 como Plutão, e asteroides 小行星 (a maioria fica no cinturão de asteroides entre Marte e Júpiter);
luas (satélites naturais 卫星) que orbitam os planetas;
cometas 彗星 e outros corpos pequenos.
Órbitas e gravidade
O Sol detém a maior parte da massa do Sistema Solar. Sua gravidade 引力 (atração gravitacional) estende-se e mantém os planetas em suas órbitas. Esta força é a atração gravitacional do Sol.
A intensidade do campo gravitacional 重力场强度 diz-lhe quão forte é a gravidade:
na superfície de um planeta, é maior para um planeta com mais massa;
ao redor de um planeta, diminui à medida que você se afasta.
Da mesma forma, a gravidade do Sol enfraquece mais para fora, então os planetas externos movem-se mais devagar (menor velocidade orbital) que os internos.
Dados planetários
As questões de exame frequentemente fornecem uma tabela como esta e pedem para ler um padrão dela.
Planeta
Distância do Sol / milhão km
Período orbital
Densidade / g/cm³
Temperatura superficial / °C
Campo gravitacional superficial $g$ / N/kg
Mercúrio
58
88 dias
5.4
170
3.7
Vênus
108
225 dias
5.2
460
8.9
Terra
150
365 dias
5.5
15
9.8
Marte
228
687 dias
3.9
−60
3.7
Júpiter
779
11.9 anos
1.3
−110
23
Saturno
1430
29.5 anos
0.7
−140
9.0
Urano
2870
84 anos
1.3
−195
8.7
Netuno
4500
165 anos
1.6
−200
11
Padrões a notar: quanto mais distante um planeta está do Sol, maior é o seu período orbital e menor é a sua temperatura superficial. Os quatro planetas internos são densos (rocha e metal), enquanto os quatro planetas externos têm baixas densidades (gás e gelo). A intensidade do campo gravitacional na superfície depende da massa e tamanho do planeta, não da sua distância do Sol.
Órbitas elípticas
A maioria das órbitas não são círculos perfeitos, mas elipses 椭圆 (círculos alongados), e o Sol não está no centro da elipse. Um cometa tem uma órbita muito alongada. Um objeto numa órbita elíptica move-se mais rápido quando está mais próximo do Sol. Explicamos isto com a conservação de energia 能量守恒 — a energia 能量 total permanece a mesma, assim à medida que a energia potencial gravitacional 重力势能 do objeto cai (aproximando-se), a sua energia cinética 动能 aumenta (ele acelera).
O Sol está em um dos focos da elipse; o planeta acelera ao aproximar-se e desacelera ao afastar-se
Tempo de viagem da luz
As distâncias no espaço são enormes, assim frequentemente calculamos quanto tempo a luz leva para atravessá-las. A luz viaja a $3.0 \times 10^8\ \text{m/s}$. Usando $\text{time} = \dfrac{\text{distance}}{\text{speed}}$, a luz do Sol (a cerca de $1.5 \times 10^{11}\ \text{m}$ de distância) leva cerca de $500\ \text{s}$, que são aproximadamente $8$ minutos, para chegar à Terra.
Explorar
Assista aos planetas correrem
Quanto mais próximo um planeta está do Sol, mais rápido ele orbita — Mercúrio em 88 dias, Júpiter em 12 anos — porque a gravidade do Sol é mais forte perto dele.
Os planetas se formaram a partir de uma enorme nuvem de gás e poeira 尘埃 no espaço, que continha muitos elementos químicos elementos 元素. Este é o modelo de acreção 吸积:
a gravidade puxou a nuvem para dentro;
a nuvem estava girando, assim ela achatou-se formando um disco de acreção 吸积盘 giratório;
a maior parte da matéria caiu para o centro e tornou-se o Sol, enquanto os planetas cresceram a partir do material restante no disco.
Perto do Sol jovem e quente, apenas rochas e metais podiam permanecer sólidos, por isso os planetas internos são rochosos. Mais longe, onde estava frio, gases também puderam se acumular, por isso os planetas externos cresceram grandes e gasosos.
Um disco de acreção real ao redor da estrela jovem HL Tauri: as lacunas escuras são onde novos planetas estão reunindo o pó — nosso Sistema Solar começou dessa mesma forma
1 Saiba que o Sol é uma estrela de tamanho médio, composta principalmente de hidrogênio e hélio, e que ele irradia a maior parte de sua energia nas regiões infravermelho, luz visível e ultravioleta do espectro eletromagnético
2 Saiba que as estrelas são alimentadas por reações nucleares que liberam energia e que em estrelas estáveis as reações nucleares envolvem a fusão de hidrogênio em hélio
6.2.2 Estrelas
Central
Suplementar
1 Enuncie que: (a) galáxias são compostas cada uma por muitas bilhões de estrelas (b) o Sol é uma estrela na galáxia conhecida como Via Láctea (c) outras estrelas que compõem a Via Láctea estão muito mais longe da Terra do que o Sol está da Terra (d) distâncias astronômicas podem ser medidas em anos-luz, onde um ano-luz é a distância percorrida no (vácuo do) espaço pela luz em um ano
2 Saiba que um ano-luz é igual a $9.5 \times 10^{15}$ m
3 Descreva o ciclo de vida de uma estrela: (a) uma estrela é formada a partir de nuvens interestelares de gás e poeira que contêm hidrogênio (b) uma protoestrela é uma nuvem interestelar colapsando e aumentando de temperatura como resultado de sua atração gravitacional interna (c) uma protoestrela se torna uma estrela estável quando a força interna de atração gravitacional é equilibrada por uma força externa devido à alta temperatura no centro da estrela (d) todas as estrelas eventualmente esgotam o hidrogênio como combustível para a reação nuclear (e) a maioria das estrelas expande para formar gigantes vermelhas e estrelas mais massivas expandem para formar supergigantes vermelhos quando a maior parte do hidrogênio no centro da estrela foi convertida em hélio (f) uma gigante vermelha de uma estrela menos massiva forma uma nebulosa planetária com uma anã branca em seu centro (g) uma supergigante vermelha explode como supernova, formando uma nebulosa contendo hidrogênio e novos elementos mais pesados, deixando para trás uma estrela de nêutrons ou um buraco negro em seu centro (h) a nebulosa de uma supernova pode formar novas estrelas com planetas orbitando
6.2.3 O Universo
Central
Suplementar
1 Saiba que a Via Láctea é uma de muitas bilhões de galáxias que compõem o Universo e que o diâmetro da Via Láctea é de aproximadamente 100 000 anos-luz
2 Descreva o desvio para o vermelho como um aumento no comprimento de onda observado da radiação eletromagnética emitida por estrelas e galáxias que se afastam
3 Saiba que a luz emitida por galáxias distantes aparece desviada para o vermelho em comparação com a luz emitida na Terra
4 Saiba que o desvio para o vermelho na luz de galáxias distantes é evidência de que o Universo está se expandindo e apoia a Teoria do Big Bang
5 Saiba que radiação micro-ondas de uma frequência específica é observada em todos os pontos do espaço ao nosso redor e é conhecida como radiação cósmica de fundo de micro-ondas (CMBR)
6 Explique que a CMBR foi produzida pouco depois da formação do Universo e que essa radiação foi expandida para a região de micro-ondas do espectro eletromagnético à medida que o Universo se expandiu
7 Saiba que a velocidade $v$ com que uma galáxia se afasta da Terra pode ser encontrada a partir da mudança no comprimento de onda da luz estelar dessa galáxia devido ao desvio para o vermelho
8 Saiba que a distância $d$ de uma galáxia distante pode ser determinada usando o brilho de uma supernova nessa galáxia
9 Defina a Constante de Hubble$H_0$ como a razão entre a velocidade com que a galáxia se afasta da Terra e sua distância dela; lembre-se e use a equação
$$H_0 = \frac{v}{d}$$
10 Saiba que a estimativa atual para $H_0$ é $2.2 \times 10^{-18}$ por segundo
11 Saiba que a equação
$$\frac{d}{v} = \frac{1}{H_0}$$
representa uma estimativa para a idade do Universo e que isso é evidência da ideia de que toda a matéria no Universo estava presente em um único ponto
Fonte: Programa Cambridge International
O Sol é uma estrela 恒星 de tamanho médio, composta principalmente por hidrogênio 氢 e hélio 氦. Ele irradia a maior parte de sua energia nas partes infravermelha, luz visível e ultravioleta 紫外线 do espectro eletromagnético 电磁波谱.
Uma estrela é alimentada por reações nucleares 核反应 em seu núcleo. Em uma estrela estável, a reação é fusão nuclear 核聚变: núcleos de hidrogênio se unem para formar hélio, liberando enormes quantidades de energia.
O Sol, nossa estrela mais próxima, visto na luz ultravioleta
Uma galáxia 星系 é um grupo de muitas bilhões de estrelas mantidas juntas pela gravidade. Nosso Sol é uma estrela na galáxia chamada Via Láctea 银河系. Todas as outras estrelas da Via Láctea estão muito mais distantes da Terra do que o Sol está.
Uma galáxia espiral: bilhões de estrelas unidas pela gravidade
As distâncias entre estrelas são tão grandes que as medimos em anos-luz 光年. Um ano-luz é a distância que a luz percorre em um ano (no vácuo do espaço), que é aproximadamente $9.5 \times 10^{15}\ \text{m}$.
A Via Láctea tem cerca de $100\,000$ anos-luz de largura (seu diâmetro 直径). É apenas uma das muitas bilhões de galáxias. Todas essas galáxias juntas formam o Universo 宇宙.
*Um telescópio gigante estuda o céu noturno; o laser ajuda a criar imagens nítidas de estrelas distantes
Uma estrela nasce, vive e morre ao longo de um tempo muito longo:
Uma estrela se forma a partir de uma nuvem interestelar 星际云 de gás e poeira que contém hidrogênio.
A gravidade puxa a nuvem para dentro, e ela aquece. Essa nuvem colapsando e aquecendo é uma protostrela 原恒星.
A protostrela se torna uma estrela estável 稳定 quando a atração interna da gravidade é equilibrada por uma pressão externa causada pela temperatura muito alta em seu centro.
Com o tempo, toda estrela fica sem o combustível 燃料 de hidrogênio para fusão.
O que acontece depois depende da massa da estrela:
Uma estrela média (como o Sol) incha-se para se tornar uma gigante vermelha 红巨星. Ela então expulsa suas camadas externas como uma nuvem brilhante chamada nebulosa 星云 planetária, deixando uma pequena anã branca 白矮星 quente no centro.
Uma estrela muito mais pesada incha-se para se tornar uma supergigante vermelha 红超巨星 e depois explode como uma supernova 超nova. Essa explosão espalha uma nebulosa contendo hidrogênio e novos elementos mais pesados, e deixa para trás uma estrela de nêutrons 中子星 ou um buraco negro 黑洞.
*Toda estrela começa em uma nebulosa; como termina depende de sua massa
A nebulosa de uma supernova pode posteriormente formar novas estrelas, com planetas orbitando-as — então nosso próprio Sistema Solar veio de estrelas anteriores.
Explorar
O ciclo de vida de uma estrela
A gravidade puxa uma nuvem de gás para dentro; a fusão acende a estrela; quando seu combustível acaba, ela incha e finalmente desvanece.
Explorar
O ciclo de vida de uma estrela semelhante ao Sol
Passe por como uma estrela como o nosso Sol nasce, vive e morre.
Quando uma estrela ou galáxia se afasta de nós (ela está recuando 退行), a luz que recebemos dela tem um comprimento de onda 波长 maior do que o normal — está deslocada para o extremo vermelho do espectro. Isso é deslocamento para o vermelho 红移.
*As linhas escuras no espectro de uma galáxia distante estão deslocadas para o extremo vermelho — isso é deslocamento para o vermelho
A luz de galáxias distantes sofre deslocamento para o vermelho, e quanto mais distante uma galáxia está, maior é seu deslocamento para o vermelho. Isso nos diz que as galáxias estão se afastando: o Universo está expandindo 膨胀. Fazendo isso ao contrário, tudo já esteve junto em um único ponto — esta é a evidência para a teoria do Big Bang 大爆炸.
Toda galáxia está se afastando de nós, e as mais distantes se afastam mais rápido — o Universo está expandindo
Mais evidências e a idade do Universo
Fraca radiação 微波micro-ondas 辐射 vem de todas as direções no espaço. Esta é a radiação de fundo micro-ondas cósmica 宇宙微波背景辐射 (CMBR). Foi produzida como radiação de alta energia logo após o Big Bang, e foi esticada para a parte micro-onda do espectro à medida que o Universo se expandiu.
*Todo o céu mapeado em micro-ondas: esse brilho fraco chega até nós de todas as direções como o calor residual do Universo jovem — forte evidência para o Big Bang
Para uma galáxia distante:
sua velocidade $v$ de se afastar pode ser encontrada a partir do deslocamento para o vermelho de sua luz estelar;
sua distância $d$ pode ser encontrada a partir do brilho de uma supernova 超新星 vista nela.
A constante de Hubble 哈勃常数$H_0$ liga essas duas:
$$H_0 = \frac{v}{d}$$
Seu valor hoje é de cerca de $2.2 \times 10^{-18}$ por segundo. Invertendo isso, obtém-se uma estimativa para a idade do Universo:
$$\frac{d}{v} = \frac{1}{H_0}$$
Exemplo resolvido. A constante de Hubble é de cerca de $H_0 = 2.2 \times 10^{-18}$ por segundo. Estime a idade do Universo.
Em $v = \dfrac{2\pi r}{T}$, $r$ é o raio da órbita e $T$ é o tempo para uma órbita completa em segundos — converta km para m e horas para segundos primeiro.
Planetas mais próximos do Sol sentem gravidade mais forte, então orbitam mais rápido e levam menos tempo. Em uma órbita elíptica, um corpo acelera ao se aproximar do Sol (energia potencial gravitacional se transforma em energia cinética).
Um ano-luz é uma distância, não um tempo — quão longe a luz viaja em um ano.
Uma estrela é estável 稳定 quando a atração interna da gravidade é equilibrada pela pressão externa da energia liberada pela fusão 核聚变 em seu núcleo. O que ela se torna quando seu combustível acaba depende de sua massa 质量.
Deslocamento para o vermelho — luz de galáxias distantes deslocada para comprimentos de onda mais longos (mais vermelhos), com maior deslocamento quanto mais distante — é a evidência de que o Universo está expandindo 膨胀, o que apoia o Big Bang.
Aulas interativas sobre este tópico
Passe por ele passo a passo, com exercícios de verificação instantânea.
*Um telescópio gigante estuda o céu noturno; o laser ajuda a criar imagens nítidas de estrelas distantes
*Todo o céu mapeado em micro-ondas: esse brilho fraco chega até nós de todas as direções como o calor residual do Universo jovem — forte evidência para o Big Bang