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Astrofísica do Sistema Solar
Tipologia: Notas de estudo
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Não perca as partes importantes!
Dra. Daniela Lazzaro Coordenação de Astronomia e Astrofísica Observatório Nacional/MCT -- Rio de Janeiro -- Brasil
Dr. Antares Kleber (in memorian)
Dr. Carlos Henrique Veiga Divisão de Atividades Educacionais Observatório Nacional/MCT -- Rio de Janeiro -- Brasil
Anderson de Oliveira Ribeiro (Mestrando) Divisão de Pós-Graduação Observatório Nacional/MCT -- Rio de Janeiro -- Brasil
Introdução ao Sistema Solar
Nos últimos 30 anos aprendemos mais sobre o Sistema Solar do que sobre a maioria das outras áreas da astronomia. Isto se deve não apenas à melhoria dos detectores e telescópios atualmente existentes nos observatórios terrestres mas, principalmente, às várias sondas espaciais que cruzaram o Sistema Solar fotografando e realizando experiências científicas ao longo das últimas décadas.
Uma grande série de lançamentos espaciais permitiu que os astrônomos conhecessem cada vez mais detalhes sobre a estrutura dos nossos vizinhos do Sistema Solar. Algumas sondas penetraram nas atmosferas de Vênus, de Marte e de Júpiter. Outras pousaram nas superfícies de Vênus, de Marte, da Lua e do asteróide Eros. Algumas missões colheram material da Lua e do cometa P/Wild2 para posteriores análises em laboratórios.
Até agora sondas espaciais visitaram todos os planetas, com a única exceção de Plutão. Além disso, vários sistemas de satélites e de anéis foram descobertos e estudados por essas sondas, assim como alguns asteróides e cometas.
Conheça as sondas espaciais que têm nos revelado segredos do Sistema Solar
Na verdade, todas essas missões espaciais foram automáticas pois, como sabemos, o ser humano, por enquanto, caminhou apenas na superfície da Lua. Ao mesmo tempo em que essas sondas eram lançadas, uma série de missões espaciais tripuladas foi realizada pelos Estados Unidos, as missões espaciais Apollo. Essa seqüência de lançamentos culminou com o extraordinário feito de, pela primeira vez, um ser humano, o astronauta norte-americano Neil A. Armstrong, ser levado até um outro corpo celeste, a Lua, no dia 20 de julho de
Conheça as missões Apollo que orbitaram em torno da Lua ou pousaram na sua superfície.
Novas missões espaciais estão sendo desenvolvidas para complementar e melhorar nosso conhecimento sobre os objetos do Sistema Solar. Uma coisa, no entanto, é certa: o que sabemos hoje em dia sobre o nosso sistema planetário é muito diferente do que sabíamos há menos de 50 anos. O conjunto de conhecimentos adquiridos a partir dessas missões mudou totalmente a visão que tinhamos sobre o
Mercúrio Vênus Terra^ Marte
Júpiter Saturno^ Urano^ Netuno^ Plutão
Além desses corpos maiores, existe também uma grande quantidade de objetos menores, que também orbitam em torno do Sol, tais como os:
Asteróides Cometas
Espalhados por todo o Sistema Solar temos pequeníssimos grãos de poeira, resquícios da formação do próprio Sistema Solar. Essa matéria recebe o nome de Poeira Interplanetária.
Por fim, em órbita em torno de todos os maiores planetas, e também em torno de alguns menores, temos outros pequenos corpos, os satélites e os anéis.
Satélites Anéis
A seguir vamos dar uma rápida visão das principais características do Sistema Solar. Logo depois detalharemos alguns pontos que consideramos mais importantes fazendo uma descrição comparativa dos corpos e dos processos físicos existentes no nosso sistema planetário.
Propriedades planetárias
A distribuição dos corpos do Sistema Solar
Como foi dito acima, o Sistema Solar é muito mais do que apenas os planetas e seus respectivos satélites. Podemos definir o Sistema Solar como sendo o conjunto de todos os corpos celestes, independente de tamanho, estado físico ou propriedades, que estão gravitacionalmente ligados ao Sol e que descrevem órbitas em torno dele. Assim, o Sol é o centro de referência em torno do qual todos
os objetos pertencentes ao Sistema Solar descrevem suas órbitas. Entre esses objetos estão incluidos os planetas, satélites, asteróides, cometas, e partículas de gás e poeira interplanetárias que se espalham pelo espaço existente entre os moradores desse Sistema.
Para melhor descrever o Sistema Solar os astrônomos preferem dividí-lo em algumas partes que abrigam corpos possuidores de características semelhantes. Além dos Sol, planetas e seus satélites, existem três regiões no Sistema Solar que, ao invés de abrigarem apenas um corpo celeste, são a moradia de milhares ou milhões de pequenos objetos que também descrevem órbitas em torno do Sol. Essas regiões são:
Cinturão de Asteróides Localizado entre os planetas Marte e Júpiter, o Cinturão dos Asteróides é o local onde estão distribuídos a maioria dos asteróides que conhecemos.
Cinturão Trans-Netuniano , também conhecido como Cinturão de Kuiper Esta região em forma de disco, com milhões de objetos, está localizado a partir da órbita do planeta Netuno. Ela é o local de origem de vários cometas que cruzam o Sistema Solar.
Nuvem de Oort Com possivelmente milhões de objetos, que seriam restos da formação do Sistema Solar, esta é a região mais longinqüa do Sistema Solar, situada muitíssimo depois do planeta mais afastado do Sol, Plutão. A Nuvem de Oort tem a forma de uma imensa esfera que envolve todo o Sistema Solar.
A figura abaixo mostra, esquematicamente, essas regiões.
O que é a notação científica?
Podemos dizer então que um ano-luz equivale, aproximadamente, a 9460530000000 km ou então a 9500 bilhões de quilômetros!
Comumente aproximamos o resultado mais ainda, dizendo que um ano-luz é equivalente a 10^13 km.
Também usamos sub-unidades do ano-luz tais como a hora-luz , o minuto-luz e o segundo-luz.
Uma hora-luz é a distância percorrida pela luz em uma hora. Ela corresponde a 1 079 252 820 km.
Um minuto-luz é a distância percorrida pela luz em um minuto. Ele corresponde a 17 987 547 km.
Um segundo-luz é a distância percorrida pela luz em um segundo. Ele corresponde a 299 792 km.
Importante: o ano-luz e seus submúltiplos, hora-luz, minuto-luz e segundo-luz, são unidades de medida de distância e não de tempo.
objeto celeste distância média ao Sol Mercúrio 3,21 minutos-luz Vênus 6,01 minutos-luz
Terra 8,30 minutos-luz Marte 12,67 minutos-luz
Cinturão de Asteróides (mínima) 18,29 minutos-luz Cinturão de Asteróides (máxima) 27,44 minutos-luz
Júpiter 43,27 minutos-luz Saturno 1,32 horas-luz Urano 2,66 horas-luz
Netuno 4,17 horas-luz Plutão 5,47 horas-luz
Cinturão de Kuiper (mínima) 4,15 horas-luz Cinturão de Kuiper (máxima) 6,93 horas-luz
Nuvem de Oort (interna) de 41,58 a 1386,14 horas-luz Nuvem de Oort (externa) de 1386,14 a 13861,44 horas-luz
A unidade astronômica é definida como a distância média entre a Terra e o Sol. Sua abreviação é U.A. (sempre em letras maiúsculas).
Uma unidade astronômica equivale a 149597870,691 km mas, em geral, consideramos o valor aproximado de 150 milhões de quilômetros.
Uma unidade astronômica é equivalente a, aproximadamente, 499 segundos-luz. Um feixe de luz leva aproximadamente 8,3 minutos para viajar uma unidade astronomica. Isso simplesmente nos diz que uma partícula de luz, ou seja um fóton, depois que deixa o Sol leva 8,3 minutos para alcançar a Terra.
planeta
distancia média ao Sol em unidades astronômicas (UA)
em quilômetros (valor aproximado)
Mercúrio 0,387 57 900 000 Venus 0,723 108 200 000 Terra 1,000 149 600 000
Marte 1,524 227 900 000 Cinturão de Asteróides (mínima) 2,206^ 330 000 000 Cinturão de Asteróides (máxima) 3,342^ 500 000 000
Júpiter 5,203 778 300 000 Saturno 9,539 1 427 000 000 Urano 19,182 2 869 600 000
Netuno 30,058 4 496 600 000 Plutão 39,44 5 900 100 000
Cinturão de Kuiper (mínima) 30 4 488 000 000
Cinturão de Kuiper (máxima) ~ 50^ ~ 7 480 000 000
Nuvem de Oort (interna) de 300 a 10000 44 880 000 000 a 1 496 000 000 000
Nuvem de Oort (externa) de 10000 a 100000 de 1 496 000 000 000 a 14 960 000 000 000
Podemos representar o Sistema Solar graficamente da seguinte forma:
conhecida como "lei de Titius-Bode".
Para obter a série de Titius-Bode para o nosso Sistema Solar, começamos com 0,4 unidades astronômicas, e então formamos uma série adicionando 0,0; 0,3; 0,6; 1,2; 2,4; etc, e dobrando sempre esses valores. Os resultados que ela preve são :
Planetas "Lei" de Titius-Bode distâncias calculadas Mercúrio 0,4 U.A. 0,3871 U.A. Venus 0,7 U.A. 0,7233 U.A. Terra 1,0 U.A. 1,0000 U.A. Marte 1,6 U.A. 1 ,5237 U.A. Cinturão de Asteróides 2,8 U.A. -- U.A. Júpiter 5,2 U.A. 5,2026 U.A. Saturno 10,0 U.A. 9,5547 U.A. Urano 19,6 U.A. 19,2181 U.A. Netuno 38,8 U.A. 30,1096 U.A. Plutão-Caronte 77,2 U.A. 39,4387 U.A.
No entanto, verificou-se logo depois que não existia apenas um corpo entre Marte e Júpiter, mas sim, uma miríade de pequenos objetos. Claro que os defensores da "lei" procuraram se adaptar à nova descoberta e propuseram que o que estaríamos vendo agora seriam apenas os restos de um planeta que havia existido nesse local, entre Marte e Júpiter, e que teria explodido. A descoberta de Netuno e Plutão pôs fim ao reinado dessa "lei" que falha completamente na previsão das posições destes dois novos planetas. Além disto, estudos mostraram que a diversidade de órbitas e de composições que encontramos entre os asteróides, também não é compatível com a hipótese de fragmentação de um único corpo. É importante ressaltar que a "lei de Titius-Bode" é apenas uma regra numérica empírica e não fornece nenhuma explicação física de porque razão as distâncias planetárias deveriam seguir esta regra.
Hoje em dia, a "lei" de Titius-Bode não passa de uma interessante peça histórica de numerologia.
As órbitas dos corpos do Sistema Solar
Uma segunda característica importante do Sistema Solar é a de que todos os planetas giram em torno do Sol em uma única direção. Um observador imaginário colocado no pólo norte do Sol veria os planetas se deslocando da direita para a esquerda, sentido esse que chamamos de anti-horário.
Os planetas, em seu movimento em torno do Sol, descrevem órbitas quase circulares e aproximadamente coplanares. As únicas exceções são Mercúrio e Plutão, os menores planetas de todo o sistema, os quais, embora girando na mesma direção que os outros, seguem órbitas ligeiramente excêntricas e inclinadas.
É importante conhecermos algumas propriedades físicas que são comumente citadas quando falamos das órbitas descritas por corpos celestes.
Propriedades físicas das órbitas
excentricidade
é o valor que nos indica o quanto a órbita descrita pelo corpo celeste em torno do Sol difere de uma circunferência. A excentricidade pode assumir valores que vão de 0, quando a órbita é uma circunferência, até o valor 1, quando a órbita descrita pode ser representada por uma parábola. Veja na imagem abaixo, que mostra a excentricidade das órbitas dos planetas, que praticamente não notamos diferenças entre elas. No entanto, essas órbitas não são circulares e sim elípticas. Ao contrário, as órbitas dos cometas, que possuem uma excentricidade bem maior, são bem mais distintas do círculo.
inclinação
esse valor nos diz qual é o ângulo entre a órbita descrita pelo corpo celeste e um plano de referência que, por convenção, é adotado como sendo o plano da órbita da Terra. Ao plano imaginário sobre o qual a Terra descreve a sua órbita em torno do Sol damos o nome de eclíptica
semi-eixo maior representa basicamente a distância média do corpo celeste ao Sol
Na tabela acima consideramos que "ano" equivale a um ano terrestre ou seja, 365,256 dias.
Algumas definições básicas sobre as configurações planetárias no céu
planetas inferiores
são os planetas cujas órbitas estão localizadas entre a órbita da Terra e o Sol. Eles são Mercúrio e Vênus. Os planetas inferiores podem ter duas configurações geométricas características no céu, formadas pela Terra, o planeta e o Sol: a conjunção inferior e a conjunção superior. conjunção inferior
ocorre quando Mercúrio ou Vênus está alinhado entre a Terra e o Sol, visto por um observador na Terra. O alinhamento na conjunção inferior é Terra - planeta - Sol. conjunção superior
ocorre quando Mercúrio ou Vênus está no lado oposto ao Sol, visto por um observador na Terra. O alinhamento na conjunção superior é Terra - Sol - planeta.
elongação
é o ângulo entre o Sol e um planeta inferior, determinado por um observador na Terra. Existem duas elongações características: a elongação máxima a oeste e a elongação máxima a leste. elongação máxima a oeste
ocorre quando Mercúrio ou Vênus está em uma posição mais a oeste possível em relação ao Sol. Nesse caso o planeta "nasce" antes do Sol como uma "estrela matutina".
elongação máxima a leste
ocorre quando Mercúrio ou Vênus está em uma posição mais a leste possível em relação ao Sol. Nesse caso o planeta aparece acima do horizonte a oeste depois do por do Sol como se fosse uma "estrela vespertina".
planetas superiores
são os planetas cujas órbitas estão localizadas após a órbita da Terra. Eles são Marte, Júpiter, Saturno, Urano, Netuno e Plutão. Os planetas superiores podem ter duas configurações geométricas características no céu, formadas pela Terra, o planeta e o Sol: a conjunção e a oposição.
conjunção ocorre quando o planeta superior está localizado "atrás" do Sol, visto por um observador na Terra. O alinhamento na conjunção é Terra - Sol - planeta superior.
oposição
ocorre quando o planeta superior está localizado de modo que a Terra está entre ele e o Sol, visto por um observador na Terra. O alinhamento na oposição é Sol - Terra - planeta superior.
período sinódico
é o intervalo de tempo que separa duas configurações idênticas e sucessivas do sistema planeta-Sol-Terra como ocorre, por exemplo, entre duas oposições ou entre duas conjunções. O período sinódico de um planeta pode ser determinado observando-se o céu.
período sideral
é o verdadeiro período orbital de um planeta, o intervalo de tempo que o planeta leva para realizar uma órbita completa em torno do Sol em relação às estrelas. O período sideral é obtido somente através de cálculos.
A rotação dos planetas do Sistema Solar
Além do movimento de translação que cada corpo celeste pertencente ao Sistema Solar descreve em torno do Sol existe um outro movimento, de rotação, que é realizado por todos esses corpos individualmente. Os planetas e satélites naturais que formam o Sistema Solar giram em torno de um eixo imaginário que os atravessam. Na maioria dos casos o sentido dessa rotação é o mesmo que aquele descrito pelo corpo celeste ao realizar o seu movimento de translação em torno do Sol. Uma das exceções é Vênus, que gira muito lentamente em direção contrária ao seu movimento de translação. Dizemos então que o planeta Vênus tem uma rotação retrógrada.
Planeta período de rotação Mercúrio 58,646 dias
Vênus (^) ( MOVIMENTO RETRÓGRADO^243 ,00 dias )
Terra 23 horas 56 minutos 04 segundos Marte 24 horas 37 minutos 23 segundos Júpiter 9 horas 50 minutos a 9 horas 56 minutos Saturno 10 horas 14 minutos a 10 horas 39 minutos Urano 17 horas 06 minutos Netuno 15 horas 48 minutos Plutão 6 dias 9 horas 18 minutos
onde M 1 e M 2 são as massas dos corpos e D é a medida da separação, ou distância, entre eles. O número representado por G é chamado de constante da gravitação.
A tabela abaixo nos mostra quantos por cento da massa total do Sistema Solar está localizada nos objetos mais característicos do Sistema Solar.
Objeto
Percentagem da massa total do Sistema Solar Sol 99, Júpiter 0, todos os cometas 0, todos os demais planetas 0, satélites e anéis 0,
asteróides 0,
poeira cósmica 0, Como é mostrado nessa tabela, mais de 99% de toda a massa do Sistema Solar se concentra no Sol e quase todo o restante em um único planeta, Júpiter. A massa dos outros oito planetas representa apenas 40% daquela possuida por Júpiter. Portanto, o movimento de qualquer corpo do Sistema Solar é regido pela atração gravitacional do Sol, perturbado em maior ou menor grau pelos demais corpos.
A massa dos planetas do Sistema Solar é mostrada na tabela abaixo.
Planeta (^) (em quilogramas)massa^ massa em relação à massa da Terra
Mercúrio 3,300 x 10^23 0, Vênus 4,870 x 10^24 0, Terra 5,976 x 10^24 Marte 6,420 x 10^23 0, Júpiter 1,900 x 10^27 317, Saturno 5,690 x 10^26 95, Urano 8,680 x 10^25 14, Netuno 1,020 x 10^26 17, Plutão 1,290 x 10^22 0,
A massa de cada planeta em relação à massa da Terra é obtida dividindo-se o valor da massa do planeta pelo valor conhecido da massa da Terra (mTerra = 5,976 x 10^24 kg). Esse valor nos mostra de modo bem rápido se um determinado planeta tem mais massa, ou não, que a Terra.
A gravidade superficial
Um corpo com massa exerce atração gravitacional sobre outros corpos situados na sua vizinhança. Dizemos então que a massa de um corpo cria, em volta dele, um campo gravitacional. Todos os outros corpos colocados na superfície desse corpo sentem a ação do seu campo gravitacional, que é exercida por intermédio de uma força que recebe o nome de força gravitacional.
Assim, sabemos que todos os planetas, satélites, etc exercem atração gravitacional sobre outros corpos celestes e sobre todos os objetos colocados na sua superfíce.
Para que qualquer corpo possa deixar a superfície de um planeta ou satélite é necessário que ele possua
O gráfico acima mostra as densidades de várias substâncias comparadas com as densidades planetárias. Note, por exemplo, que a densidade da pedra-pomes e do planeta Saturno são menores que a da água, o que significa que tanto a pedra-pomes como este gigantesco planeta flutuariam se colocados em um recipiente com água (haja recipiente para colocar Saturno!). Do mesmo modo, o aço e o planeta Mercúrio flutuariam no elemento químico mercúrio uma vez que suas densidades são menores do que a desse elemento.
Veremos mais tarde que os valores das densidades dos planetas do Sistema Solar permite-nos separá- los em dois tipos básicos: os que apresentam densidade em torno de 5 g/cm^3 , como a Terra, e aqueles com densidades muito menores, em torno de 1 g/cm^3 , como Júpiter.
Os elementos químicos que compõem o Sistema Solar e suas vizinhanças
Naturalmente, a densidade de um corpo é função direta de sua composição. Uma maneira conveniente de expressar as abundâncias relativas dos vários elementos químicos presentes no Sistema Solar e nas suas vizinhanças é dizer quantos átomos de um elemento particular são encontrados para cada milhão, bilhão ou trilhão de átomos de hidrogênio, o elemento químico mais abundante no Universo.
Como pode ser visto na Tabela 8 abaixo os elementos mais abundantes no Sistema Solar são o
hidrogênio, o hélio, um pouco de oxigênio e de carbono além de traços de outros elementos tais como o neônio, o nitrogênio, o magnésio, o silício, o ferro e alguns outros.
Elemento Símbolo
Número de átomos do elemento químico por milhão de átomos de H Hidrogênio H 1000000 Helio He 68000 Oxigênio O 690 Carbono C 420 Neônio Ne 98 Nitrogênio N 87 Magnesio Mg 40
Silício Si 38
Ferro Fe 34 Enxofre S 19 Argônio Ar 4 Alumínio Al 3 Calcio Ca 2 Níquel Ni 2
Essa tabela nos diz que, por exemplo, para cada milhão de átomos de hidrogênio encontramos 68000 átomos de hélio, 690 de oxigênio, etc.
O gráfico abaixo mostra as abundâncias dos 30 elementos químicos mais leves (do hidrogênio ao zinco) comparados com um valor de 1012 átomos de hidrogênio (ou seja, um trilhão de átomos de hidrogênio). Por exemplo, para cada trilhão de átomos de hidrogênio existentes no espaço, existem cerca de 70 bilhões de átomos de hélio. Todos os elementos mais pesados que o zinco têm abundâncias menores do que 1000 átomos por trilhão de átomos de hidrogênio. A maioria dos outros elementos químicos são muitíssimo mais raros. Sabemos, por exemplo, que para cada trilhão de átomos de hidrogênio existem somente seis átomos de ouro.
