De onde vem a energia do Sol?

Dois dos princípios mais importantes da física clássica são o princípio da conservação das massas e o princípio da conservação da energia.

O primeiro, também conhecido como Lei de Lavoisier, em homenagem ao francês Antoine-Laurent Lavoisier, diz que, numa transformação, a massa total de matéria envolvida na transformação não se altera. Por exemplo, se 2g de gás hidrogênio reagirem com 16g de gás oxigênio para formar água, a massa de água formada será 18g.

O segundo princípio, o da conservação da energia, diz que numa transformação qualquer, a energia total de um sistema isolado (que não troque energia com a vizinhança) permanece inalterada, ou seja, Se tomarmos um veículo e seu combustível como nosso sistema, a energia de movimento que uma pedrinha adquire ao entrar em movimento quando impulsionada pelo elástico de um estilingue não veio do nada, mas estava armazenada no elástico.

Talvez todos já tenhamos ouvido que nada se cria nem se perde, mas tudo se transforma. No contexto da física clássica, referimo-nos com esta máxima ao conceito de massa, que não se cria nem se perde, e igualmente ao conceito de energia.

Mas então, de onde é que vem a energia emitida pelo Sol (e pelas estrelas em geral)?

A resposta a esta complexa questão não é completamente oferecida pela física clássica. A física moderna, mais especificamente a Teoria da Relatividade Especial, de A. Einstein, nos oferece uma resposta mais rica.

Para entender de onde vem a energia emitida por ume estrela é conveniente entendermos como elas surgem no Universo.

Imensas nuvens de gás e poeira encontram-se espalhadas pelo Universo. Por atração gravitacional, em algumas regiões dessas nuvens, onde a densidade for mais alta, pode se iniciar um colapso de matéria, ou seja, uma aglomeração de partículas e gás que, caso se inicie, tende a crescer rapidamente. Este acúmulo de matéria colapsada é uma proto-estrela, e será, no futuro, o núcleo da estrela.

Conforme a proto-estrela adquire mais massa, a pressão sobre si própria e a temperatura tornam-se mais e mais elevadas.

Caso a quantidade de matéria em torno da proto-estrela seja suficiente, ela pode adquirir temperatura e pressão altas o suficiente, à medida que aglutina mais matéria, para que se inicie em seu núcleo o processo de fusão nuclear, reação na qual dois ou mais núcleos atômicos se unem para originar um núcleo maior. Se este processo chegar a ocorrer, a proto-estrela se tornou uma estrela. Caso não, o processo de formação estelar fracassou.

Assim, define-se como estrela todo corpo celeste em cujo núcleo ocorram reações de fusão nuclear.

Mas será que a energia contida nas moléculas que a estrela aglutinou tinham tanta energia assim, a ponto de fazê-la emitir quantidades tão exorbitantes de energia?

Na verdade, o processo de fusão nuclear, que ocorre no núcleo de uma estrela, é um processo que viola os princípios clássicos de conservação de massa e energia. Esta 'violação', por assim dizer, foi prevista por Einstein, em sua célebre equação E = m . c², onde E é energia, m é massa e c é a velocidade da luz no vácuo (300.000km/s ou 300.000.000m/s). No processo de fusão nuclear, a massa dos núcleos que se formam é ligeiramente menor do que a massa dos núcleos que se fundiram. Essa diferença se transformou em energia! Mas quanta energia. Bem, se aplicarmos a equação acima, veremos que 1g de massa que 'desaparece" no interior estelar (multiplicado por c², que é um valor extremamente grande) dá uma quantidade de energia de 10 trilhões de Joules! (1 Joule é, aproximadamente, a energia necessária para erguem uma massa de 100 gramas a uma altura de 1m)

Assim, o grande segredo da 'geração' de energia nas estrelas é a conversão de massa em energia! Entretanto, a massa convertida é uma fração muito, mas muito pequena mesmo.

De acordo com a Teoria da Relatividade Especial, então, os conceitos de massa e energia são fundidos num só, uma vez que uma coisa pode se converter na outra.

O combustível das reações de fusão nuclear de uma estrela é o hidrogênio atômico (as elevadas temperaturas não permitem que os átomos de hidrogênios estabeleçam ligações moleculares). Na principal seqüência de reações que ocorre no núcleo de uma estrela, 4 núcleos de hidrogênio (4 prótons) se fundem originando um núcleo de hélio (2 prótons e 2 nêutrons) e liberando uma quantidade muito grande de energia, uma vez que a massa do produto é ligeiramente menor do que dos reagentes.

Pode-se concluir então que a vida de uma estrela se aproxima de seu fim quando a quantidade de hidrogênio em seu núcleo está perto de se esgotar. O que acontece a partir daí fica para outro post.

Para saber mais sobre evolução estelar, clique aqui.

Para saber mais sobre o conceito relativístico de massa-energia, clique aqui.

Química e Astronomia

A Química tem por objeto de estudo as substâncias, materiais e transformações por que estes passam. Não que isto defina a química completamente, mas, para o propósito desta postagem, serve.

Associar fatores químicos a estudos astronômicos é comum e extremamente útil para ambas as partes. Por exemplo: pode-se saber muito sobre as propriedades de uma estrela se conhecermos sua composição química. É claro que esta determinação seria indireta, pois não se pode coletar material estelar, mas ela pode ser feita analisando-se a luz (radiação eletromagnética visível ou não) que a estrela emite. A análise da luz decomposta é chamada espectroscopia.

Para os leigos, um dos conceitos mais importantes da química (e muito útil à astronomia) é o conceito de elemento químico.

Costumam-se categorizar átomos em elementos químicos, que são conjuntos de átomos com o mesmo número de prótons em seu núcleo. Por exemplo, diz-se que qualquer átomo que possua 8 prótons em seu núcleo pertence ao elemento oxigênio, que tem número atômico 8. Já o cálcio é o elemento com número atômico 20, assim, todo átomo de cálcio tem 20 prótons. Uma listagem completa dos elementos químicos conhecidos e organizada em ordem crescente de números atômicos é a famosa Tabela Periódica.

Big Bang e a Expansão do Universo

Há muita discussão, muita controvérsia, muita dúvida sobre a origem do Universo e sobre seu destino, mas não há tantas respostas...

Dentre as teorias mais aceitas para "modelar" a origem de nosso universo está a famosa teoria do Big-Bang, que nasceu de observações e conclusões de Edwin Hubble, astrônomo que verificou e quantificou a expansão do Universo.

Na década de 1920, Hubble (foto) verificou que as galáxias (corpos celestes que se mostram, a olho nu, como manchas difusas no céu ou nebulosas) se afastam de nós, e mais, verificou que as galáxias mais distantes afastam-se com maior velocidade de evasão! Esta é, basicamente, a forma qualitativa da Lei de Hubble.

Bem. Agora imaginemos este processo como se estivéssemos "voltando a fita do tempo"; a conclusão mais óbvia é que a matéria universal eseve concentrada num ponto e deste ponto evadiu a partir de um dado instante, considerado como o início do tempo.

Cálculos mostram que esta singularidade, esta grande concentração de matéria e energia, teria ocorrido há cerca de 13,7 bilhões de anos.

Por mais estranho que isto pareça, a Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein, explica de forma aceitável a expansão do Universo e o afastamento das galáxias de acordo com a Lei de Hubble, sendo um forte sustentáculo em prol da Teoria do Big-Bang.

Fato interessante sobre a Teoria do Big Bang, associado à propagação da luz com velocidade limite c, de aproximadamente 300.000km/s, é que, ao observarmos galáxias muito longínquas, estamos de fato olhando para o passado! Por exemplo: ao olharmos para um corpo celeste que se encontra a cem anos-luz da Terra, isto significa que sua luz viajou cem anos até chegar aqui, logo, estamos vendo o que se passou há cem anos neste corpo!

Com isto, os cosmólogos podem estudar a evolução das galáxias, contanto que tecnologia avançada o suficiente esteja disponível, pois, ao observarmos uma galáxia que está a 10 bilhões de anos-luz de nós, estamos olhando 10 bilhões de anos no passado, logo, estamos contemplando a juventude de uma galáxia! Resumindo:olhar pra longe é ver o passado!

A imagem acima é uma fotografia do tipo ultra-deep field, obtida pelo telescópio espacial Hubble, e mostra galáxias a até de 12 bilhões de anos-luz de distância. ou seja, ao observarmos esta fotografia, olhamos 12 bilhões de anos no passado destas galáxias.

Uma pergunta persistente acerca da Teoria do Big-Bang é como era o Universo antes da explosão primordial e no seu exato instante?

A Teoria da Relatividade Geral prevê uma densidade infinita imediatamente antes da explosão, o que é um resultado difícil de se interpretar e aceitar, constituindo um ponto fraco da Teoria do Big-Bang e da física contemporânea em geral.

No fim da década de 1940, George Gamow propôs que o Big-Bang pudesse ter deixado evidências, pistas observáveis até os dias de hoje, pois uma concentração tão compactada de matéria e energia deveria ter emitido muita luz, e que com a expensão, a temperatura dessa emissão tivesse baixado. Em 1965, dois engenheiros de telecomunicações verificaram, durante tentativas de eliminar um ruído persistente de sinal, que esta radiação, na banda das microondas, vinha de todas as direções, parecia isotrópica e tinha temperatura de 2,7 Kelvins. Este achado foi considerado como a comprovação fenomenológica do Big-Bang e rendeu aos engenheiros Arno Penzias e Robert Wilson, um prêmio Nobel.de física em 1978.

Dois outros mistérios sobre o Universo permanecem com muitas perguntas: a matéria escura e a energia escura.

Em 1933, o astrônomo Fritz Zwicky calculou a massa do algomerado de galáxias de Coma e verificou que esta massa seria cerca de 400 vezes maior do que a soma das massas das galáxias uma a uma. Isto o levou a concluir que deveria haver uma espécie de matéria escura, responsável por manter o aglomerado coeso, e que esta matéria existiria em proporções muito maiores do que a matéria que conhecemos. Até então, pouco ou quase nada se sabe sobre esta matéria escura.

Em 1998 descobriu-se que a expansão do Universo está acelerada. Os fenômenos gravitacionais são absolutamente incapazes de explicar tal aceleração, pois a gravidade tenderia a desacelerar a expansão e, se a massa total do Universo fosse suficiente, faria com que, a partir de certo momento, o Universo passasse a se contrair! Esta descoberta sugeriu a existência de uma misteriosa energia escura que provoca tal aceleração na expansão.

Tantos problemas e tantas dúvidas não nos permitem dizer que uma teoria como a do Big-Bang seja definitiva e verdadeira. Estima-se que 94% da matéria existente no universo seja do tipo escura e que 74% da massa-energia (conceito relativístico) do Universo seja do tipo energia escura. Se isto for verdade, conhecemos superficialmente uma porção minoritária do Universo, logo, fazer afirmações categóricas e assumir teorias como verdades absolutas seria, no mínimo, inocente.

Dependemos de tecnologia cada vez mais avançada para ampliarmos nosso conhecimento e isto é uma limitação para que respostas sejam encontradas em ritmo mais acelerado.

Para saber mais, clique nos números das referências a seguir: [1],[2].