Observando o Céu O Nascimento da Astronomia

Aula 1Observando o Céu:O Nascimento da AstronomiaAlex C. Carciofi

Via láctea vista de um localescuroEm noites sem lua e como horizonte desobstruído,pode-se ver aproximadamente3000 estrelas

Céu noturno (!) de NYfonte: wiki

Poluição luminosaCéu brilhante causadopela luz artificialespalhada pelaatmosferaQuanto mais brilhante o céu,menor o número de estrelasque podem ser vistasVários problemas:- astronomia;- saúde;- ecossistemas.fonte: wiki

Resultado:Natureza (e o ceú, emparticular) não maisparticipa do nossoquotidianoAntiquidade:TODOS os registros detempos antigos mostramque os povosobservavam os astros etentavam endendê-los.- agricultura- cosmologia- religião- astrologiaEx: príncipais deuses dopanteão grego eramassociados com os seisplanetas conhecidos.

Alex C. CarciofiObservando o Céu:O Nascimento da Astronomia- elementos do céu noturno e diurno que podemser observados a olho nu-evolução da concepção humana do cosmos até oséc. XVI (cosmologia aristotélica)

(Abrindo um parêntese

O que é ciência?Conjunto de todo o conhecimento humano.Correto? nãoCiência abarca, também, o método pelo qual tentamosentender a Natureza e a forma como ela se comporta.Conjunto do conhecimento humano gerado e sujeito aométodo científico.

O que é ciência?série deobservaçõesMovimentos do Sol, Lua,estrelas e planetasmodelogeocêntricovalidaçãoXIngredientes fundamentais:- auto-correção- revisão pelos paresEx: fusão a frionovasobservaçõesTycho Brahenovomodeloheliocêntriomudança deparadigma

fechando o parêntese)

Movimento Diurno e Anual dos AstrosImaginemo-nos vivendo em um local escuro (longe de cidades)e que observássemos e registrássemos o movimento do Sol,Lua, planetas e estrelas. O que veríamos?• Movimentos diurnos dos astros• Movimento mensal da Lua em relação à abobada celeste• Movimento anual do Sol em relação à abobada celeste• Movimento complexo dos planetas em relação à AC• E se observássemos por muito, muito tempo veríamos aprecessão dos equinóciosVamos, então, estudar quais seriam nossos “dadosobservacionais”

A Abóbada Celeste = céu = firmamentoZêniteZêniteHorizonteHorizonteNadirDiaNadirNoite

Movimento noturno aparente olhando ao Sul20 horas22 horas24 horasPólo SulSulEstrelas circumpolaresLesteOeste

Movimento noturno aparente olhando ao Norte24 horas20 horas22 horasLeãoNorteOesteLeste

Movimento noturno aparente de uma estrelacircumpolar nortePolarisPólo NorteNorteOesteLeste

Star trails...

Movimento diurno aparente em torno doPS visto dos AndesVia LácteaNuvens de MagalhãesOjos del SaladoMais alto vulcão o ativo da TerraAltitude = 6000 mTemperatura = -18 0 CExposiçãção ≅ 1 hora

Movimento Aparente visto doHemisfério NortePNZCircumpolar(sempre visível)ENSWEquadorAstros nestaposição são sempreinvisíveis

Movimento aparente visto dohemisfério SulZPSENSWEquador

Movimento aparente visto doequadorZEPN = NS = PSWEquador

Movimento aparente visto do Polo SulPSHorizonte=Equador

Muito importante: o movimento aparente dos astrosdepende da latitude do observador...Como descrever esse movimento?

Sistema Altazimutal (local)zênite (Z)Neste sistema, a posição de umastro é dada por dois ângulos:hSOφHorizonteNazimute (φ): ângulo entre o planoque contém a estrela, o zênite e oobservador (ZOS) e a direçãonorte(0 < φ < 360 o )altura (h): ângulo entre o planodo horizonte e a estrela(0 < h < 90 o )É útil para certas situações, masnão pode ser usado em catálogosastronômicos, por exemplo, poisvaria com o tempo de formacomplicada.

Azimute de um astro ao longo do dia no HNPNZComo varia o azimute de umastro ao longo do dia?NS360 0 PassagemA OcasoAEquadorW180 0meridianaA Nascer0 0t

Azimute de um astro ao longo do dia no HSZPSComo varia o azimute de umastro ao longo do dia?ENSWEquador360 0 A180 0PassagemA OcasoA Nascer0 0meridianat

PNCEixo derotaçãoA esfera celeste- pólos sul e norte- equador celesteMovimento do astro é aolongo de linhas formadaspela intersecção entre umaesfera e planos paralelosao equadorPNPSEquadorNPSCL

Coordenadas CelestesUm sistema de coordenadas muito mais útil para a Astronomia usa a esferaceleste como referência. Neste sistema, a posição de um astro é dada por duascoordenadas (ascenção reta e declinação), análogas à latitude e longitudeterrestres.polo norte celesteAscenção reta (α): ângulo entre omediriano que cruza a estrela e umponto de referência (γ), medido aolongo do equador celeste.equador celesteδαγDeclinação (δ): ângulo entre aequador e a estrela, medido ao longodo meridiano (-90 o < δ < 90 o )Ponto vernal (γ): posição do Sol naesfera celeste no dia do equinócio daprimavera no HN

Condição de visibilidade de um astroDado um observador situado a uma latitude ϕ, determinar para quaisintervalos de declinação uma estrela:- seja sempre visível;- tenha nascer e ocaso;- seja sempre invisível.

Círculo de perpétua visibilidadeolhando parao norteCírculo deperpétuavisibilidadeCírculo deperpétuavisibilidade:Região do céupermanentementevisível paraaqueleobservadorPolo NorteNorteOesteLeste

Condição de (in)visibilidade noHemisfério NorteCircumpolaresvisíveisδ Máx + ϕ = 90 0δ Máx = 90 0 - ϕδ * ≥ 90 0 - ϕNPNCircumpolaresvisíveisϕδ MáxZϕ- δ MínHorizonteCircumpolaresinvisíveis- δ Mín + ϕ = 90 0δ Mín = - 90 0 + ϕδ * ≤ - (90 0 - ϕ)SPNZEquadorEquadorCircumpolaresinvisíveisPSEstrelas com nascere ocaso- (90 0 - ϕ) ≤ δ * ≤ + (90 0 - ϕ)

Círculo de perpétua visibilidadeolhando ao SulCírculo deperpétuavisibilidadeCírculo deperpétuavisibilidade:Região do céupermanentementevisível paraaqueleobservadorPoloSulSulLesteOeste

Condição de (in)visibilidade nohemisfério SulCircumpolaresinvisíveisZPSCircumpolaresvisíveisδ Máx - ϕ = 90 0δ Máx = 90 0 + ϕδ * ≥ 90 0 + ϕNHorizonteδ Máx- ϕCircumpolaresvisíveis- ϕ- δ Mín- δ Mín - ϕ = 90 0δ Mín = - 90 0 - ϕδ * ≤ - (90 0 + ϕ)SEquadorZPSEstrelas comnascer e ocasoCircumpolaresinvisíveisPNNES- (90 0 + ϕ) ≤ δ * ≤ + (90 0 +ϕ)WEquador

Movimento do SolInverno na Itália(Mar Tireno)Que horassão nesteponto?

SolGnômon( Relógio de Sol )GnômonChãoSombra

Determinação do meridiano e dospontos cardeais(sombra mínima)NascentePontoLestePontoNorteMeridianoLinha do MeiodiaPontoSulOcasoPontoOeste

Astronomia a serviço dapolícia

90- ϕZE90- ϕPSNascerϕÂngulo entre oequador e ohorizonteϕN90- ϕϕS90- ϕW90- ϕOcaso- ϕZ90+ϕPSEquador- ϕ90+ϕNHorizonte90+ϕ90+ϕSÂngulo entre oequador e o planodo horizonte: 90 o - ϕPNEquador

LesteLesteNorteSulNorteSulOesteObservador no Hemisfério SulOesteObservador no Hemisfério NorteNascer do SolNHorizonteLSNLHorizonteSVisto por um observadorno Hemisfério SulVisto por um observadorno Hemisfério Norte

LesteLesteNorteSulNorteSulOesteObservador no Hemisfério SulOesteObservador no Hemisfério NorteOcaso do SolSWHorizonteNSHorizonteWNVisto por um observadorno Hemisfério SulVisto por um observadorno Hemisfério Norte

Sequestradores distraídos90 0 - ϕ

Mapa do crime!Local do seqüestroϕCativeiro dentrodesse círculo

Pergunta: a duração do pôr (ou nascer) do sol é amesma em todos os pontos da Terra?Resposta: não. Em altas latitudes o pôr do sol é muitomais longo que próximo ao equadorPróximo aos pólos: há dias em que o sol nunca se põeou nunca nasce (próxima aula...)

Nascer do SolLesteé o ponto ondeo Sol nasce.(?!?)

Noção de ano e deestações do anoAno das Estaçõções ~ 365 diasNascenteMeridianoPrimaveraVerãoInvernoOutonoOcaso

Noção de ano e deestações do anoNascenteMeridianoOcaso

SolAno das EstaçõesNorteIVIPPrimaveraVerãoIOInvernoOutonoIISulAno das Estaçõções ~ 365 dias

1312Pri/Out1110Trajetóriasdiurnasdo Sol9148Verão157Inverno167Leste65N17S1718Oeste19

Pergunta: como os astrônomosda antiguidade explicavam isso?

Eclíptica:Trajetória anualaparentedo Sol ao longoda esferacelesteΩPNEixo derotaçãoEclípticaEclγEquadorPS

+ 23,5 oDeclinaçãoDeclinação do Sol ao longo do ano22jun0janγ21marjunPN23setΩdezΩ- 23,5 oγPS22dez

PoloCelesteNorteTrajetória anualaparente do Solpor entre asconstelaçõesSolsígnos...

Movimentos dos planetasPlaneta vem do grego “planetes”, que significa aqueleque vagueiaJá na antiguidade notou-se que havia seis “estrelas”que se moviam lentamenteem relação às demais (chamadas, por isso, deestrelas fixas)Alguns planetas (ex. Marte) moviam-se maisrapidamente que outros (ex. Saturno)Além disso, o brilho do planeta mudava com o tempo.Distância??

Movimento de Marteno céuMovimento retrógrado!Como explicar isso?Enorme desafio para osastrônomos da antiguidade

Precessão dos equinóciosSe observarmos a posição das estrelas (declinação eascenção reta) por muito tempo (séculos), notaremosque ela não é constante!Isso foi descoberto em por volta de 150 AC peloastrônomo grego Hiparco, que notou diferenças entreas coordenadas da estrela Spica por ele obtidas e asobtidas por Timocaris dois séculos antes.Como explicar isso?

PNPrecessãoPNHojePNPNPeríodo da Precessão:~ 26.000 anosDaqui a13 mil anos

Pião

LiraCisne12000δ100008000Cefeidasβ6000EstrelasPolaresγ400014000ι16000PNEDragãoUrsaMenorPN2000Hércules018000τ- 200020000Trajetória do PN ao longo do tempovisto por um observador no HN- 4000

EstrelasPolaresCisne18000δ20000- 4000β AchernarEridani- 2000Hydraβγ0Columbae16000ιCanopusPSEOctantiPS2000Pintor14000CarinaPopa400012000τ6000Trajetória do PS ao longo do tempovisto por um observador no HS100008000Cruzeirodo Sul

Movimento Diurno e Anual dos AstrosJá temos nossos dados observacionais:• Movimentos diurnos dos astros• Movimento mensal da Lua em relação à abobada celeste• Movimento anual do Sol em relação à abobada celeste• Movimento complexo dos planetas em relação à AC• Precessão dos equinóciosQual o modelo que melhor os explica?

Modelos do Sistema Solar(a visão do cosmos da antiguidade até o século XVI)Roberto Ortiz - EACH/USP

Grécia antiga(750 a.C. - 146 a.C.)Desenvolvimento da Matemática,Geometria, Astronomia, Filosofia,Política, etc.Em sua obra Metafísica, Aristóteles(384 a.C. - 322 a.C.), o precursor doMétodo Científico, propôs que oUniverso era Geocêntrico, i.e. a Terraocuparia seu centro.Modelo geocêntrio era baseado tantoem observações (ciência) quanto emconceitos filosóficos (não ciência)

Idéias são reais.O mundo é só umaimagem das idéias.Sim,mestre!Bobagem! O mundodos fenômenos é omundo real. As idéiassão sua essência.Platãoe AristótelesPlatãoAristóteles

PitágorasAlguns Astrônomos FamososFilolauHeráclidesAristótelesAristarcoEratóstenesHiparcosPtolomeuMecânica ClássicaRaios orbitaisÓrbitas elípticasUso do telescópioExcelente observadorSistema Heliocêntrico6004002000200400600800100012001400160018002000Sistema GeocêntricoDistância Terra-LuaRaio da terraProcesso p/ obter a distância até o SolGeocentrismo filosóficoSistema híbridoHelioocentrismo religiosoTerra esféricaCopérnicoTycho BraheGalileuKeplerNewton

Aristóteles já sabia que a Terraé esférica. Algumas evidências:1) Variação da latitude astronômica

PNEstrelaPolarsupostanoinfinitoAltura do PN emdiferentes posições naTerra suposta planaPNh 2= h 1= ϕNh 2HorizonteObservador na posição 2Sentido do deslocamentodo observadorh 1Observadorna posição 1S

Variação observada na alturada estrela PolarPolarInferência:A estrela Polar estariamuito próxima da Terra eessa seria plana.h 2≠ h 1Nh 2Horizonteh 1SObservador na posição 2Sentido do deslocamentodo observadorObservadorna posição 1

PNOutraexplicação paraa variação naaltura do PN Horiz. 1h 1NPNPNPNNHoriz. 2PNh 2h 1Horiz. 1wNHoriz. 2h 2PS

Aristóteles já sabia que a Terra éesférica. Algumas evidências1) Variação da latitude astronômica2) Nos eclipses da Lua, a sombraprojetada pela Terra é sempreredonda

Aristóteles já sabia que a Terra éesférica. Algumas evidências1) Variação da latitude astronômica2) Nos eclipses da Lua, a sombraprojetada pela Terra é sempreredonda3) Em navios que se afastam do portosempre a parte de baixo desapareceprimeiro que a parte de cima

Esfericidade da Terra

Hiparco (190 – 120 a.C.) foi omaior astrônomo da antiguidadeSeus modelos geométricos do Sole da Lua permitiam-lhe fazerprevisões de eclipesCompilação de uma catálogo com850 estrelas com coordenadasInvenção do astrolábioDescoberta da precessão dosequinócios

Claudio Ptolomeu (83 – 161 d.C.)escreveu diversas obras científicas,entre elas o Almagesto.O Almagesto utilizava um modelogeocêntrico para se calcular aposição dos planetas no céu, nopassado ou futuro.Também fazia parte do Almagestoum catálogo estelar comaproximadamente 1000 estrelas e48 constelações.O modelo geocêntrico perdurou atéo século XVI.

Geocentrismo:um modelo amplamente aceitoA Terra parece firme e estável.As estrelas parecem descrevercircunferências no céu, emtorno dos pólos celestes.Os “planetas” da época (Lua,Sol, Mercúrio, Vênus, Marte,Júpiter e Saturno ) parecemmover-se em torno da Terra.Profundas raízes filosóficas ereligiosasArgumento bíblico: Josuéordenou ao Sol e à Lua queparassem.

O Modelo Geocêntrico:A Terra ocupa o centro doUniverso.Os planetas giram emórbitas circulares em tornoda Terra.Os planetas mais “rápidos”estão mais próximos: Lua,Mercúrio, Vênus, Sol,Marte, Júpiter e Saturno.As estrelas estariamincrustadas numa esferade cristal, muito distante.

O que é ciência?série deobservaçõesMovimentos do Sol, Lua,estrelas e planetasmodelogeocêntricovalidaçãoXnovasobservaçõesTycho BraheXXXnovomodeloheliocêntrio

Problemas do Modelo Geocêntrico(notados por Ptolomeu)A velocidade dos planetasno céu é variável.O brilho dos planetas évariável.Há ocasiões quando osentido do movimento dosplanetas temporariamentese inverte: as “laçadas”.Solução: ciclos, epiciclos,equantes...

Epiciclos

O Nascimento da Astronomia ModernaO complicadíssimo modelo geocêntrico de Ptolomeu (masque já remontava ao primórdios da Grécia Antiga)sobreviveu por 15 séculos sem alterações.Ele só foi questionado por Copérnico no séc. XVI.Assunto da próxima aula...

Para saber mais:Uma História da AstronomiaJean-Pierre Verdet, pags. 49-57,61-67, 95-110.Astronomia & AstrofísicaKepler Oliveira & Maria de FátimaSaraiva, Caps. 9, 10, 11 e 12.