TERRA E SUAS ORIGENS

Prof. Renê Macêdo

Referências • Baptista, J. P. Os Princípios fundamentais ao longo da história

da Física. 2006. Revista Brasileira do Ensino de Física, v 28(4): 541-553;

• http://astro.if.ufrgs.br/univ/

Sumário

• O homem e o universo: breve histórico

• Big Bang: a origem de tudo

• Formação do Universo

• Formação da via láctea (Sistema solar e o planeta Terra)

Qual a origem do planeta Terra?

Como estudar a origem de tudo?

O homem e o universo: breve histórico

• O homem sempre buscou entender a origem de tudo;

• Registro histórico das civilizações mostra tentativas de explicação da origem de tudo - cosmogonia;

• A Cosmogonia baseava-se em mitos narrativos;

• Mito vem do grego “mythos” que significa estória ou palavra final (qualquer um que se atrevesse a contestar o mito era acusado de cometer heresia);

• As forças ocultas da natureza eram guiadas por entes ocultos ou criadores;

Cosmogonia Maia – Vários deuses criaram o mundo

• Mito chinês (600 a.C.) diz que o Criador Gigante, Phan Ku, saiu de um ovo cósmico quebrando-o em duas partes formando o céu e a Terra, separando os princípios contraditórios (Ying-Yang), criando o Sol, a Lua e as estrelas no céu, morrendo logo em seguida;

• Em todo o mundo, cada cultura desenvolveu seus próprios mitos sobre a origem do Universo;

• Cada mito reflete o ambiente e sociedade onde se originou (enorme diversidade);

• Ao encararem a complexidade da criação, essas culturas concluíram que a transição de uma realidade em que nada existia para a incrível diversidade do mundo só poderia ter sido feita por um ser ou seres sobrenaturais;

• A maioria dos mitos tinham algo em comum: deuses criaram o mundo num determinado instante do passado;

Cosmogonia ocidental: a busca por explicações naturais

• Cosmogonia Grega mítico-religiosa: • Archilochus em 648 a.C. (visão mítica): “Zeus, pai dos olimpianos, tornou em noite o meio-dia,

ocultando a resplandecente luz do Sol, e (...) o medo acometeu a humanidade.”

• Influência religiosa: Correntes cosmogônicas divergentes

“Do nada, nada se tira”

• Corrente judaico-cristã: rejeita a afirmação acima – universo

criado do nada por um Deus;

• Corrente neo-platonista (século III): Deus, usando a matéria primordial, já existente, criou o universo dando-lhe forma e função – ideia de eternidade da matéria;

• Cosmogonia grega naturalista:

• Anaximandro de Mileto (Século III a.C.) afirmou que a substância primordial (Ápeiron) sofrendo um processo dele próprio, gera a partir dele toda a matéria do universo bem como sua organização.

“tudo provém do Ápeiron e tudo retorna ao Ápeiron”

• Xenófanes de Colofon (570 – 480 a.C.) explicava que a Terra liberava gases combustíveis que se acumulavam à noite atingindo uma massa crítica que se incendiava produzindo o Sol;

• Visões simplistas, mas que deram origem a perguntas cruciais que não estavam relacionadas com os mitos;

• As respostas foram o de menos, o maior fato foi a ousadia das perguntas;

• Os filósofos “naturalistas” não rejeitavam a ideia de deus, simplesmente recusavam a interferência divina como responsável pelos fenômenos naturais;

• Ex: Xenófanes era contra a concepção antropomórfica que se fazia de Deus;

• Estes filósofos foram os primeiros cosmólogos, na medida em que estavam interessados no estudo do universo e suas origens de maneira analítica;

• Cosmologia, do grego kosmeo que quer dizer “ordenar” ou “organizar”; O cosmo apresentava padrões que os gregos desejam entender;

• Pitágoras de Samos (540 a.C.) ajudou a consolidar os fundamentos desse racionalismo demonstrando como os números e equações poderiam ser usados para explicar a harmonia da natureza;

• Pitágoras explicou a harmonia musical através da harmonia dos números com a proporção das cordas de um monocórdio. Demonstrou que ao partir ou tocar a corda em 1/2 do seu comprimento, esta produzia o som da mesma nota oitava acima; Quando ¾, produzia a quarta nota;

• Quando as proporções não eram respeitadas (aleatórias = 15:7), as notas geravam sons desarmônicos;

Fonte: http://www.ghtc.usp.br/server/Sites-HF/Lucas-Soares/monocordio%20de%20pitagoras.html

Tudo é número! O movimento da Lua e do Sol geram notas musicais.

• Império romano (séculos IV e V) – O cristianismo explica a origem do universo como uma criação divina;

Agostinho de Hippo (354 – 430 d.C.):

*physici = natureza + conhecimento

“Não é necessário sondar a natureza das coisas, como faziam aqueles a quem os gregos chamavam physici*”

• Livro de Gênesis, primeiro livro da bíblia narra a criação do Universo e da Terra:

“No princípio Deus criou os céus e a Terra. A Terra, porém, estava informe e vazia; as trevas cobriam o abismo e o Espírito de Deus pairava sobre as águas. Deus disse: ‘Faça-se a luz’. E a luz foi feita. Deus viu que a luz era boa, e separou a luz das trevas. Deus chamou à luz DIA, e às trevas NOITE. Houve uma tarde e uma manhã: foi o primeiro dia”

Michelangelo – Criação de Adão

• Modelos geocêntricos: a Terra no centro do universo (desde os gregos até o século XIII);

• Modelo que se baseia na esfericidade da Terra; Todo o universo sofria uma força de atração para um único centro que era coincidente com o centro da Terra; Tudo girava no entorno da Terra;

• Aristarco de Samos, astrônomo grego (320 – 250 a.C.): propõe o heliocentrismo baseado nas estimativas dos tamanhos do Sol e da Terra; Não foi aceito por não explicar como as coisas ficaram “presas” a Terra;

Explicação para os movimentos retrógrados aparentes

• Heliocentrismo: Sol é o centro do universo e a Terra gira em torno dele; Nicolau Copérnico (1510 - anonimamente, 1543 - publicamente);

• Commentariolus (“Pequeno Comentário”), nunca publicado, escrito à mão. Circulou por volta de 1514 e propunha alguns axiomas:

http://www.astro.umontreal.ca/~paulchar/grps/site/images/copernicus.html

1. Corpos celestes não partilham centro comum;

2. O centro da Terra não é o centro do universo;

3. O centro do universo fica perto do Sol;

4. A distância da Terra ao Sol é insignificante comparada a distância até as estrelas;

5. O movimento aparente das estrelas é resultado da rotação da Terra em trono de seu eixo;

• Tycho Brahe, nobre dinamarquês (1546 – 1601) – observa a origem de uma nova estrela (supernova); propõe que os planetas giram em torno do Sol, porém o Sol e a Lua giram em torno da Terra;

• Em 1599 se muda para Praga; Convida um jovem cientista alemão Johannes Kepler (1571 – 1630) para trabalhar como seu assistente;

http://www.astro.umontreal.ca/~paulchar/grps/site/images/tycho.html

http://www.astro.umontreal.ca/~paulchar/grps/site/images/kepler.html

• Tycho morre por complicações 10 dias após um jantar com o barão Rosemberg, segundo Keppler;

• Keppler interpreta as observações de Tycho no modelo centrado no Sol, demorando 8 anos para concluir;

• Abandonou o princípio dogmático de que as órbitas planetárias eram círculos perfeitos demonstrando que Copérnico estava errado;

• Demonstrou que: 1. Os planetas se movem em elipses;

2. A velocidade dos planetas varia constantemente (mais rápida próximo ao Sol);

3. O Sol não é exatamente o centro dessas órbitas (excentricidade);

• Galileu Galilei (1564 – 1642) – Pisa, Itália: realizou testes experimentais sobre queda de corpos (corpo em queda = aceleração uniforme);

– Desenvolveu seu próprio telescópio;

– Em 1609 descobre que Vênus orbita o Sol; Identifica 4 luas de Júpiter; Verifica manchas no Sol;

– Observa a Lua – cheia de protuberâncias e abismos;

http://www.astro.umontreal.ca/~paulchar/grps/site/images/galileo.html

• Galileu defende o De Revolutionibus de Copérnico, sobre o modelo heliocêntrico;

• Em 1616, o livro de Copérnico é banido (63 anos depois de publicado) considerado herético;

• Apesar de católico Galileu afirmava que: “A escritura sagrada destina-se a ensinar aos homens como ir para o céu e não como o céu funciona”

• Galileu foi julgado pela e condenado pela Igreja por insistir no heliocentrismo;

• De joelhos, foi forçado a negar seus argumentos e confinado em sua casa até o dia de sua morte (8 de janeiro de 1642);

• Depois de ouvir a sentença, se levantou e murmurou:

“Eppur si muove!” – “E no entanto ela se move”

• A verdade é ditada pela realidade, não pela inquisição;

• Isaac Newton (1642 – 1727) – matemático inglês, aperfeiçoou os trabalhos de Galileu;

• Estabeleceu a lei da gravitação universal

partindo do princípio que a força da gravidade atua igualmente em todos os tipos de corpos (seja numa maçã ou na lua); Explicação de forma unificada;

• Nos séculos seguintes, a Igreja vai perdendo força e influência;

• Os cientistas passam a explicar fenômenos naturais de forma lógica por processos naturais;

• Apesar disso, a origem do universo estava além do conhecimento da época. Atribuindo-se agora quando Deus teria criado o universo;

• Influência bíblica do bispo James Usher (Terra criada há 4004 a.C.);

• A pressão científica foi de encontro com a bíblia de fato com a publicação de “A origem das espécies” de Charles Darwin;

• Lorde Kelvin com estudos de transferência de calor entre corpos também contribuiu para quebrar a barreira sobrenatural que ainda imperava;

• Immanuel Kant (1724 - 1804) – filósofo alemão, tomou as idéias de Newton e propôs que o sistema solar se originou a partir da condensação de um disco de gás e que fazia parte de uma estrutura achatada (galáxia), teoria da nebulosa;

Nebulosa olho de gato

Cat's Eye nebula. Hubble Space Telescope image of the Cat's Eye nebula (NGC 6543)

Em Busca da Teoria de Tudo

• A ciência moderna busca uma explicação concisa, simples e elegante para a origem do Universo;

• Entre várias possibilidades de resposta, geralmente, as soluções mais simples são as corretas;

• William de Ockham, monge medieval inglês expressou essa idéia; Conhecida como “A Navalha de Ockham”; Em termos lógicos, ao confrontar-se com uma sequência de dados, o cientista deve procurar a explicação mais simples para os fatos observados;

Universo Estacionário • Herman Bondi (1919-2005), Thomas Gold (1920-2004)

e Fred Hoyle (1915-2001) propuseram que o Universo era estacionário em todas as direções e imutável no tempo;

• O universo se expandia e contraia entre períodos de 40 bilhões de anos pela formação de massa;

• O termo Big Bang foi postulado pejorativamente por Fred Hoyle em 1950 para o evento de início do Universo;

Big Bang a origem de tudo

• Atualmente é a teoria mais aceita para a origem do cosmo (estrelas, planetas, gases, poeira cósmica, etc.);

• Postula que há cerca de 14 bilhões de anos toda a matéria do universo se concentrava em um único minúsculo ponto < que a cabeça de um alfinete;

• Lemaître, padre belga, propôs em 1927 que toda a matéria do universo estivesse concentrada no que ele chamou de átomo primordial, o qual se partiu em vários pedaços até formar os átomos presentes no universo;

• O modelo proposto por Lemaître estava

errado, porém inspirou os cosmologistas

modernos.

• O Universo surgiu por si mesmo, uma bolha de espaço vinda do vazio: creatio ex nihilo, criação a partir do nada!

• E a primeira causa??? (Religiões usam deuses);

• Teorias modernas abordam o “nada quântico” onde universos bebês podem surgir ocasionalmente do “multiverso” ou “megaverso”;

• Algumas versões do multiverso diz que ele é eterno, portanto, excluindo a primeira causa (não criado);

• Flutuações de energia a partir do nada dando origem a pequenas bolhas de espaço (universos-bebês);

• A maioria dessas flutuações desaparecem retornando à sopa quântica de onde vieram;

• Raramente alguns crescem ocorrendo equilíbrio entre a força da gravidade e energia armazenada no espaço surgindo sem qualquer custo de energia (hipótese);

• O tempo surge quando a bolha começa a evoluir, ou seja, mudanças podem ser quantificadas (se nada muda, o tempo é desnecessário);

• Problema: a teoria do multiverso deve ser formulada baseando-se nos princípios e leis da física (conservação de energia, velocidade da luz...) para que o modelo funcione;

• Um “nada quântico” formado por bolhas-bebês-universos, não é um nada absoluto;

• Problemas em formular a origem sem uma causa primária está na limitação humana;

• Não sabemos criar algo a partir do nada;

• Visão limitada do universo;

• Sempre haverão fenômenos sem explicação;

• Nada existia fora desse ponto – tempo e espaço eram nulos;

• Expansão se deu a partir desse ponto quente e instável através do vasto, gelado e inabitado cosmos;

http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2003/27/video/b/

Jornada pelo Big Bang – retroagindo

Fonte: http://map.gsfc.nasa.gov/media/030657/index.html

• Nos tempos primordiais do Big Bang, o cosmo era tão quente e denso que as diversas forças vistas atualmente agiam como uma só;

• Naqueles tempos, essa força poderia ser descrita por uma única teoria;

• Atualmente, a teoria das supercordas é cotada como a principal teoria unificada que possa responder estas questões do início do Universo;

• A Teoria das Cordas surgiu no fim dos anos 1960 e início dos anos 1970;

• Resultou da análise de experimentos de colisão de partículas;

• Ficou em segundo plano nos anos 1980 e 1990;

• Retomada atualmente, propõe que o universo, numa visão profunda, é composto de laços de cordas tão pequenos (10-

33cm) que vibram constantemente;

• Dependendo do seu modo de vibração, pensa-se que estas dão origem às propriedades observadas nas partículas conhecidas (quark ou eletron);

Formação do Universo – radiação de fundo

Fonte: http://map.gsfc.nasa.gov/media/030651/index.html

http://map.gsfc.nasa.gov/resources/imagetopics.html

Confirmações do Big Bang

Remanescentes desta matéria densa e quente são detectadas atualmente como radiação de fundo (microondas) – cosmic microwave background (cmb); Sinal eletromagnético proveniente das regiões mais distantes do universo resultantes do estado quente em que o universo se encontrava quando se formou; Radiação de fundo – descoberta em 1965 (Penzias & Wilson), possui comprimento de onda de 3.108 Hz

2.6978 C°

Difference 0.0002 C°

2.6976 C°

http://wmap.gsfc.nasa.gov/resources/edactivity1.html

• Em 1989 o satélite COBE (cosmic background explorer) foi lançado pela NASA;

• O satélite espacial foi capaz de enxergar toda radiação emitida pelo Big Bang quando o universo passou de opaco para transparente, cerca de 380 mil anos após a explosão;

• A Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – WMAP (Sonda Anisotrópica

de Microondas Wilkinson) mede a radiação cósmica de fundo – brilho remanescente direto do Big Bang. Esse brilho foi emitido pelo gás hidrogênio há 375.000 anos depois do Big Bang, antes da formação das estrelas e galáxias;

• A luz das ondas de microondas apresentam pequenas variações nas

densidades (1 em 100.000) oriundas dos gases primordiais. Esse padrão é igual a uma impressão digital. As “ripples”(pequenas ondas) da radição de fundo são moldadas pelas ondas sonoras no gás hidrogênio. Por sua vez, as ondas sonoras são moldadas pela matéria que compõe o universo e sua densidade. A temperatura das ripples, que cria um padrão nos céus, proporcionou aos cientistas computar essa assinatura singular chamada de “Power Spectrum” ou Espectro de Força (em tradução livre). Isto fornece informações necessárias para calcular idade, forma e composição do nosso Universo;

• Fonte: NASA / WMAP Science Team

http://map.gsfc.nasa.gov/media/030652/index.html

http://wmap.gsfc.nasa.gov/resources/edactivity1.html

Cálculo da idade do Big Bang:

• Duas formas: 1. Olhando para as estrelas mais

velhas (globular cluster), a partir da massa das estrelas – intensidade do brilho comparado com o sol;

2. Medindo a taxa de expansão do universo extrapolando o início do Big Bang (Hubble Constant - Ho);

• Pressupostos da teoria do Big Bang - A matéria no universo é homogênea e isotrópica*;

• Testes recentes identificaram, por meio de detectores de radiação de fundo, que o calor remanescente do Big Bang possui uma temperatura constante por todo o universo;

• Johann Doppler (1842) – descobriu que a frequência das ondas (sonoras, luz, etc.) emitidas por uma fonte em movimento relativo ao observador se altera com a rapidez e sentido do movimento (efeito Doppler);

• Em 1912, Vesto Melvin Slipher descobriu que as linhas espectrais das estrelas da galáxia de Andrômeda indicavam deslocamento para o azul (aproximando do sol);

• Nos anos seguintes Slipher percebeu que a maioria das 41 galáxias estudadas por ele apresentavam deslocamento espectral para o vermelho (redshift) indicando afastamento das galáxias em relação à nós;

http://www.clarkplanetarium.org/blog/what-is-dark-matter

• Edwin Powell Hubble em 1929 – baseado na mudança do brilho de algumas estrelas percebeu a periodicidade e intensidade da luminosidade – mediu a distância destas estrelas;

• Hubble descobre que as galáxias se afastam de nós com velocidades proporcionais à sua distância;

– Quanto mais distante a galáxia, maior sua velocidade de afastamento;

Distância x Velocidade

• O russo Alexander Friedmann (1922 e 1924) e o belga Georges Lemaître (1927) já haviam predito a relação entre distância e velocidade como evidência de expansão do universo;

Expansão constante segundo a lei de Hubble!!!

• O deslocamento para o vermelho indica que o espaço está se expandindo “esticando” o comprimento de onda;

Modelo do Bolo com Passas

• No tempo t1 = 0 as distâncias das passas em relação a uma passa de referência são: – Passa A: d1 = 1cm;

– Passa B: d1 = 3cm;

– Passa C: d1 = 4cm;

• Após 1 hora, o bolo dobra de tamanho e as distâncias serão: – Passa A: df = 2cm;

– Passa B: df = 6cm;

– Passa C: df = 8cm;

• Portanto, as velocidades são: – Passa A: v = 1cm/h;

– Passa B: v = 3cm/h;

– Passa C: v = 4cm/h;

Logo, a constante de velocidade:

C = (1cm/h)/2cm = (3cm/h)/6cm = (4cm/h)/8cm = 0,5/h

Paradoxo de Olbers: Escuridão da Noite

• Constatação – o céu é escuro à noite.

• Kepler em 1610 afirmava que a escuridão do universo era uma prova de um universo finito cerrado por uma parede cósmica;

• A questão foi retomada por Edmund Halley (1656 – 1742) e em seguida por Heinrich Wilhelm Olbers em 1826;

• Problema: suponha que as estrelas distribuem-se de forma uniforme em um espaço infinito. À medida que se olha mais longe o número de estrelas cresce com o quadrado da distância; Sua linha de visada sempre interceptará uma estrela em qualquer lugar que aponte;

• Analogia = no meio de uma floresta vemos árvores espaçadas entre si, porém, quanto mais longe, mais diminui o espaçamento entre elas de forma que chegará um momento em que não se verá nada além delas;

• O brilho das estrelas cai com o quadrado da distância enquanto que o número aumenta da mesma forma, logo, o céu deveria ser tão brilhante quanto a superfície de uma estrela média;

• O céu que vemos não brilha dessa forma!

• Solução: – Universo de idade finita!!!

– Como a velocidade da luz e a idade do Universo são finitas, a luz das estrelas mais distantes ainda não teve tempo de chegar até nós;

– O Universo que enxergamos é limitado no espaço, por ser finito no tempo;

– A escuridão é a prova de um início;

O Centro do Universo

• Se retroagirmos no tempo as galáxias estavam mais próximas até chegar a um ponto em comum, onde houve a explosão (Big Bang) – Assumindo-se a constante de Hubble imutável;

• Explicação por um modelo bidimensional do Big Bang (modelo da bexiga);

• A superfície de uma bexiga contem várias galáxias, na medida em que a enchemos as galáxias se distanciam; O futuro será uma distância maior;

• Se voltarmos no tempo, ela estava murcha e as galáxias estavam próximas;

• Logo, se estamos num momento em que a bexiga está cheia, onde deve está o ponto inicial de expansão?

• No centro da bexiga! O futuro está fora dela e o princípio dentro.

• Logo, o tempo surgiu com a explosão da singularidade assim como o espaço;

• Problema:

– o processo de expansão é cíclica (expansão e contração) ou é indefinida?

Evolução química do Universo:

• O universo se esfria à medida em que se expande;

• Tempo menor que 10-44 segundos = tempo de Planck, pelo princípio da incerteza nenhuma teoria física se aplica a este período;

• Era hadrônica 10-4 s– período em que se formam os hádrons (prótons e nêutrons);

• De 0,01 segundos a 380.000 anos após o Big Bang formam-se elementos de peso atômico leve: Hidrogênio, Deutério e Hélio;

• Outros elementos se formam bem como as forças nucleares se tornam presentes (forte e fraca) e a gravidade, juntas atuam aglutinando partículas;

• Formação de corpos gasosos atraem mais átomos se tornando mais massivos dando início a processos de fusão;

• Algumas explosões ocorreram devido ao processo de fusão enviando átomos para o universo;

• O colapso de partículas dá origem à planetas, pequenas estrelas, asteróides e outros corpos sólidos;

• Formação da Via Láctea:

– No início da formação do universo gigantes amontoados de matéria se formaram orbitando ao redor de um centro de massa comum;

– Origem de galáxias, que podem se formar também pela colisão com outras;

Formação do sistema solar

• Condensação de matéria formam estrelas assim como o sol dentro da nossa galáxia;

• Explosões, aglutinações

formam planetas e cinturões de asteróides bem como gás e poeira;

• Diversos corpos colidiram formando grandes planetas, luas e asteróides;

Formação da Terra

• Há cerca de 4.6 Ga uma nuvem (nebulosa) em forma de disco que orbitava o sol rica em poeira e gelo dá origem aos planetas, satélites, asteróides e cometas, por acresção;

• Etapas de formação da Terra e suas escalas:

Fusion

• Porções internas do sistema solar - sólidos em alta temperatura; gelo disponível mais distante;

• Posição relativa no sistema solar permite condensação de água e formação de oceanos;

• Pensava-se que a Terra primordial era composta por Hidrogênio, porém a leveza do elemento e seu alto grau de reação o dissiparia;

• Único planeta com a superfície azul visível, que pode ser explicado pela temperatura precisa, pressão atmosférica constante e distância do sol;

Diferenciação

• Resfriamento (4,5 Ga – 3,5 Ga)– Elementos leves flutuam e pesados afundam para o interior – Processo de diferenciação por densidade;

• Formação do núcleo interno (Ferro e Níquel);

• Colisões constantes na Terra jovem;

• Formação da Lua: Impacto gigante de um corpo celeste do tamanho de Marte com a Terra retirando material fundido que se condensou ao redor da Terra formando a Lua;

• Artigo publicado na Nature mostra fortes evidências da formação da Lua por impacto com a Terra. RC Paniello et al. Nature 490, 376-379 em 17/10/2012.

Isótopos de Zn na Lua são mais pesados que encontrados na Terra, indicando perda dos leves por vaporização do que atividade vulcânica; Vapor gerado devido ao impacto de alta energia;

• 4 Ga – Formação da crosta terrestre rica em rochas SiO2; Atividades vulcânicas;

• Atmosfera primordial – Liberação de CO2 do interior e acresção de gases do espaço, inclusive por impacto de cometas;

• Composição – CO2, H2O (vapor), N2;

• Condensação de gases e o esfriamento dá origem às primeiras chuvas (sopa primordial);

• Oceanos se formam em ~ 3,8 Ga – surgem as primeiras formas de vida;

Estromatólitos – Shark Bay, AU.

http://www.ucmp.berkeley.edu/bacteria/cyanofr.html

• 3,5 Ga em diante - CO2 incorporado às rochas (depósitos de rochas carbonáticas) e aos oceanos;

• Atmosfera contem O2 significativo oriundo da fotossíntese das cianobactérias;

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Aula 03

Estrutura Interna da Terra