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O ornitorrinco, a estrela e o telescópio


ENSAIO : O ornitorrinco, a estrela e o telescópio

Por : Herik Zorneck

1- Introdução

A taxonomia – ou ciência das classificações – é um tema recorrente nas mais diversas áreas do conhecimento.

O problema das classificações tem ocupado – ao longo dos séculos – algumas das mentes mais brilhantes de todos os tempos.

Começando por Aristóteles, e pelas classificações taxonômicas propriamente científicas de Lineu no século XVIII, passando pelas especulações epistemológicas de Immanuel Kant, e pelas contribuições de Emile Durkheim (“As Formas Elementares da Vida Religiosa”) e Claude Lévi-Strauss (“O Pensamento Selvagem”)  ao estudo das taxonomias populares, até chegar ao domínio da Química com o russo Mendeleiev e sua tabela periódica dos elementos.

Uma das características mais importantes da linguagem e do pensamento  é a de que utilizamos conceitos e categorias organizados em pares de oposições para descrever a realidade.

Através do uso de dicotomias, segmentamos o contínuo da realidade para dar sentido ao discurso.

Contudo, alguns objetos do mundo real desafiam nossas classificações (por não se enquadrarem bem em nenhuma categoria) e pertencem a uma espécie de “terra de ninguém” entre os conceitos, fazendo com que – muitas vezes – sejamos obrigados a repensar nossos paradigmas.

No domínio da astronomia, um desses objetos é conhecido pelo nome de anã marrom; um “objeto subestelar” de características bastante peculiares : grande demais para ser um planeta, porém sem massa suficiente para se tornar uma estrela, ele pode ser considerado como o elo perdido entre eles, ou como um tipo de ornitorrinco cósmico.

 

 

 

IMAGEM: ornitorrinco de pelúcia

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” (…) o ornitorrinco não é horrível, mas prodigioso e providencial para pôr à prova uma teoria do conhecimento. À propósito, pela sua aparição muito remota no desenvolvimento das espécies, insinuo que não seja feito com pedaços de outros animais, mas que os outros animais é que são feitos dos seus pedaços (…) Para falar rapidamente, Kant não sabia nada sobre o ornitorrinco, paciência, mas o ornitorrinco, para resolver sua própria crise de identidade, deveria saber algo sobre Kant.” (trecho do livro “Kant e o ornitorrinco”, de Umberto Eco)

2- Histórico

Na Idade Média, todos os astros eram genericamente designados como sendo estrelas. O que chamamos atualmente de estrelas eram as “estrelas fixas“, os planetas as “estrelas errantes” e os cometas as “estrelas de cabeleira“.

A palavra planeta tem a sua origem no vocábulo grego planétes << πλανήτης >>, e significa errante, andarilho.

Nesse trecho do “Sidereus Nuncius” Galileu Galilei descreve a descoberta de 3 dos 4 maiores satélites de Júpiter : “Eis que no sétimo dia de Janeiro do presente ano de 1610, na primeira hora da noite, enquanto contemplava com o óculo os astros celestes, apareceu Júpiter. Dispondo, então, de um instrumento excelente, percebi (coisa que antes não me havia acontecido em absoluto pela debilidade de outro aparelho) que o acompanhavam três estrelinhas, pequeninas, ainda que claríssimas, as quais por mais que considerasse que eram do número das fixas, me produziram certa admiração, pois pareciam dispostas exactamente em linha recta paralela à eclíptica e também mais brilhantes que as outras de magnitude parecida.”

O Sol e a Lua (satélite natural da Terra), também eram designados – sem contradição – como planetas, uma vez que eram considerados “estrelas errantes” de acordo com a teoria geocêntrica.

Somente com a Revolução Copernicana – e as posteriores contribuições de Galileu, Kepler e Newton – esses termos vão ganhando o sentido moderno que hoje atribuimos a eles.

Portanto, as atuais definições dos  conceitos de “estrela“, “planeta” e “lua” foram evoluindo aos poucos, a medida que melhoravam nossos instrumentos e nosso conhecimento sobre o sistema solar.

3- Classificação pela influência gravitacional

Pelas características do nosso sistema solar, composto por uma única estrela G2 – que detém sozinha cerca de 99% da massa total do sistema – e oito planetas de tamanho bastante modesto (comparados com muitos dos planetas extrassolares já detectados), é natural definir uma estrela como um corpo que emite luz e ocupa o centro do sistema, sendo os planetas – por oposição – definidos como corpos que não emitem luz e orbitam uma estrela.

Em outros sistemas estelares, essa forma de classificação pode não se mostrar tão boa. Vale lembrar que dois corpos interagindo gravitacionalmente orbitam sempre em torno do centro de massa do sistema.

Dizer que um corpo orbita o centro de massa de outro corpo pode ser uma boa aproximação (quanto as diferenças de massa são muito grandes), mas é preciso ter em mente que a interação gravitacional entre dois corpos que produz uma órbita do tipo planetária  é apenas um caso especial de uma regra mais geral.

 

IMAGEM: hipotético planeta no sistema triplo HD 188753

Mesmo no sistema solar existem alguns problemas em classificar os corpos celestes através de uma hierarquia gravitacional . 

Algumas luas  são maiores que  planetas, como Ganímedes e Titã, satélites de Júpiter e Saturno, respectivamente, que são maiores que Mercúrio. Assim sendo, estes satélites – se não orbitassem planetas – seriam eles mesmos planetas por direito.

Por outro lado, existem outros satélites que  têm menos de 5 km de diâmetro, como várias luas do planeta Júpiter.

Caronte, uma das luas de Plutão, tem mais ou menos metade do diâmetro deste último, e – visto que o primeiro não gira exatamente em torno do segundo,  já que o baricentro do sistema localiza-se acima da superfície plutoniana –  certos astrônomos  pensam o conjunto como um planeta duplo.

Recentemente, a definição do conceito de planeta pela União Astronômica Internacional foi motivo de uma grande controvérsia. Tudo isso por causa do “rebaixamento”  de Plutão para a nova categoria de “planeta anão” (a definição do conceito de lua deve ser revista em breve também).

3.1- Planemos

 

IMAGEM: sistema binário, composto por dois planemos, a 400 anos-luz da Terra

Planemo (ou sub anã marrom) é o nome dado a um corpo celeste de massa planetária, que vaga pela galáxia sem orbitar as estrelas, designando todos os corpos celestes nessa situação com massa inferior a 13 massas de Júpiter (13MJ), mas grandes o suficiente para que consigam assumir um formato esférico.

Os planemos podem se formar quando um planeta é expulso de sua órbita ao redor de uma estrela em direção ao espaço interestelar, ou – alternativamente – pela contração de uma nuvem de gás e poeira cósmica com massa a partir de 1 até 13 massas de Júpiter (MJ).

Planemo é uma contração de planetary mass object (objecto de massa planetária). Esse termo foi oficializado pela comunidade científica em Outubro de 2007.

4- Classificação através da massa

Na extremidade superior da escala de massa dos planetas, existe também o problema de separar os planetas gigantes gasosos dos objetos sub-estelares que se situam entre eles e as estrelas propriamente ditas, ou seja, de estabelecer um limite preciso entre os planetas jovianos e as anãs marrons.

Segundo a definição do WORKING GROUP ON EXTRASOLAR PLANETS (WGESP), pertencente à IAU (INTERNATIONAL ASTRONOMICAL UNION), a separação do conceito de planeta extrassolar e de anã-marrom baseia-se (basicamente) na massa dos objetos para fazer a classificação (tomando a massa de Júpiter como unidade padrão):

1.       Objetos com massas abaixo do limite inferior que permite a fusão termonuclear do deutério (atualmente estimada em 13 vezes a massa de Júpiter para objetos com metalicidade similar à do Sol) e que orbitam estrelas ou objetos remanescentes de estrelas (exemplos: anãs-brancas, estrelas de nêutrons, pulsares, buracos negros) são considerados “planetas” (não importando a maneira que foram formados). A massa/tamanho mínima requerida para um objeto extrassolar ser considerado um planeta deve ser a mesma usada no Sistema Solar.

2.       Objetos sub-estelares com massas acima do limite mínimo de massa que permitem a fusão termonuclear do deutério são considerados “anãs-marrons”, não importando a maneira como foram formados nem a sua localização.

3.       Objetos livres gravitacionalmente em aglomerados estelares jovens (com massas abaixo do limite inferior para a fusão termonuclear do deutério) não são considerados “planetas”, mas são denominados “sub-anãs-marrons” (ou outro nome mais apropriado a ser estabelecido).

 

IMAGEM: comparação da relação entre massa e volume em alguns objetos celestes.

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4.1 Fatores que influenciam a fusão do deutério

Como vimos anteriormente, a definição da União Astronômica Internacional depende basicamente da massa para definir se um objeto é uma anã marrom.

Porém, a massa necessária para que um objeto inicie a queima do deutério pode variar, dependendo de sua composição química primordial.

Entre as variáveis analisadas, a equipe da IAU considerou a fração inicial de hélio, de deutério, e dos “metais” (em astronomia os “metais” são todos os elementos mais pesados que o Hélio na tabela periódica).

Suas simulações mostraram que a quantidade de deutério queimado e quão rápido se deu a queima foi altamente dependente das condições iniciais presentes.

Assim, objetos que se formam originalmente com uma maior concentração de hélio necessitam de menos massa para conseguir fundir uma determinada quantidade de deutério.

Da mesma forma, quanto maior a fração inicial de deutério, mais facilmente este pode se fundir.

Além disto, as diferenças entre as massas requeridas não eram sutis. Elas poderiam variar em até algumas vezes a massa de Júpiter.

O limite mínimo da massa teórica das anãs marrons foi reduzido para meramente 11 vezes a massa de Júpiter (11 MJ), quase 20% abaixo do limite teórico aceito até então (13 MJ). Por outro lado o limite máximo calculado chegou ao valor de 16,3 Mj.

 

 

 

 

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IMAGEM: anã marrom e um planeta orbitam sistema triplo

4.2 – Hipótese Cosmogônica

Devido às dificuldades da classificação através da massa, os astrônomos adeptos da hipótese cosmogônica têm defendido o uso de outros critérios, baseando-se em como se deu a história da formação de objetos desta escala :

 ·  Os objetos que se formaram em discos, em torno de outras estrelas, seriam considerados planetas;

·  Os objetos que se formaram a partir do colapso gravitacional, de forma independente do objeto que orbitam, seriam considerados anãs marrons.

4.3 – Brown Dwarf Desert

O “deserto de anãs marrons” é a área do disco de acreção em torno da estrela principal na qual , segundo a teoria vigente, seria impossível a formação de anãs marrons.

Para uma estrela com a massa do Sol, essa distância seria de 5 U.A. Dentro dessa distância, qualquer anã marrom que tentasse se formar seria gravitacionalmente atraída e engolida pela estrela maior.

Segundo Mike Brown, apesar do grande número de gigantes gasosos descobertos em órbitas próximas da estrela principal (hot jupiters), existe uma ausência de detecções de objetos extrassolares com massa entre 5 a 60 massas de Júpiter (Mj) orbitando nessas condições. Acima dessa massa entramos no reino dos sistemas de estrelas binários ou múltiplos.

Recentemente foram descobertos sistemas binários de baixa massa (pares de anãs marrons) cujos membros têm órbitas bastante próximas (o que parece contradizer a teoria do deserto de anãs marrons), contudo, o debate sobre o tema continua aberto. 

5- Classificação pelo estado da matéria

Segundo os modelos cosmológicos mais recentes, a massa do nosso universo é constituída por  aprox. 4 % de matéria comum (também chamada de matéria bariônica), 30% de “matéria escura” e 66% de “energia escura“.

Vamos analisar aqui somente a matéria “comum” (bariônica), da qual são feitas as estrelas, os planetas e os  demais corpos que podemos observar no universo.

Desses 4% de matéria bariônica, 99% está sob a forma de “matéria degenerada”, ou seja, em estado de plasma (como nas estrelas) ou como matéria degenerada de elétrons ou neutrons (como nas anãs brancas, nas anãs marrons e nas estrelas de neutrons). Uma parte da matéria bariônica também está presa no interior dos “buracos negros“, para além do horizonte de eventos, em algum tipo de configuração que não podemos detectar.

A matéria bariônica “normal”,  que existe nos estados sólido, líquido e gasoso, representa apenas 1% do total da matéria bariônica.

Não me estenderei nesse ensaio sobre a configuração da matéria nas estrelas (plasma), estejam elas na sequência principal ou não.

De certa forma, o equilíbrio hidrostático atingido pela estrela –  usando a fusão nuclear para contrabalançar a força da gravidade – é só um adiamento (embora possa ser bastante longo) de alguma outra configuração que a matéria terá de adquirir quando o combustível da estrela acabar.

A matéria bariônica “normal”  – da qual são feitas os planetas, luas, asteróides, cometas e todos os corpos menores do universo – está sob o domínio da força eletromagnética (a força responsável pelas ligações químicas), e é sustentada contra a força da gravidade pela pressão de Coulumb dos elétrons presentes na eletrosfera dos átomos e moléculas, que mantêm o corpo em equilíbrio hidrostático.

A partir de uma massa mínima, os corpos começam a sofrer uma ação intensa da gravidade, que os obriga a assumir uma forma esférica (esferóide), sendo esse um dos critérios usados para se definir o limite inferior do que deve ser considerado um planeta.

Em planetas a partir de 2 massas de Júpiter (2 Mj), a força da gravidade faz com que a barreira de Coulumb seja superada em seus núcleos e – uma vez que as temperaturas não atingem níveis suficientes para realizar fusão nuclear de nenhum elemento – isso força a matéria a se reorganizar na forma de matéria degenerada de elétrons no núcleo do planeta, para sustentar a pressão da gravidade.

Quando atingimos uma massa crítica de 13 massas de Júpiter (13Mj), começa a ocorrer a fusão do deutério (um isótopo do hidrogênio, com ponto de fusão bem abaixo do hidrogênio normal) no núcleo desses objetos, sendo esse o limite superior que separa um planeta gigante gasoso de uma anã marrom.

Infelizmente – para a anã marrom – o deutério é cerca de 50.000 mais raro no universo do que o hidrogênio convencional, e – quando ele acaba – o equilíbrio hidrostático proporcionado pelo cabo de guerra entre a força da gravidade versus a pressão de radiação proporcionada pela fusão nuclear é interrompido e a “estrela” começa a colapsar.

A solução que a natureza encontra para restabelecer o equilíbrio é rearranjar a matéria na forma de matéria degenerada de elétrons .

Os elétrons ficam livres de seus núcleos por causa das altas temperaturas (pressão). Como dois elétrons não ocupam o mesmo estado quântico, quando o núcleo é muito denso os estados de baixa energia são preenchidos e muitos elétrons são forçados a ocupar altos estados de energia. Isso gera uma pressão insensível à temperatura, e a força da gravidade que tenta colapsar a “estrela” é contrabalançada.

 

IMAGEM: representação artística do sistema binário Sírius . Sírius B foi a primeira anã branca descoberta.

Um outro objeto cósmico composto por matéria degenerada de elétrons são as estrelas anãs brancas.

Diferentemente das anãs marrons – que nunca chegaram a entrar na sequência principal para se tornarem estrelas propriamente ditas – as anãs brancas representam a última fase evolutiva das estrelas de massa até 8 vezes a massa solar.

Estrelas com massa maior do que 8 massas solares continuarão queimando outros tipos de combustível após esgotar o hidrogênio e o hélio do seu núcleo, até chegar ao ferro. Elas terminarão sua vida como estrelas de nêutrons ou buracos negros (dependendo de quão massivas elas eram e do tamanho do núcleo remanescente após sua explosão SN).

O núcleo remanescente com massa abaixo de 3 massas solares vai reencontrar seu equilíbrio hidrostático assumindo a forma de matéria degenerada de nêutrons (ou neutrônio) em uma estrela de nêutrons.

       

IMAGEM: concepção artística de um buraco negro com um disco de acreção de plasma

Quando a massa remanescente da explosão de uma estrela massiva fica acima de 3 massas solares, nenhuma configuração que a matéria pode assumir será capaz de deter a força da gravidade. O núcleo dessa estrela vai continuar colapsando até se tornar um ponto onde a densidade tende a ser infinita.

Nessas condições extremas, nem mesmo a luz consegue escapar de sua atração gravitacional . Estamos diante de um buraco negro.

Como não podemos ver o que acontece além do horizonte de eventos, não sabemos o que ocorre dentro do buraco negro, e – por esse motivo – não podemos especular aqui sobre a forma de (des)organização da matéria em seu interior.   

O escritor e semiólogo Umberto Eco afirmou certa vez – em um de seus livros – que a morte (considerada do ponto de vista individual) era o único evento não semiotizável que existia.

Gostaria de acrescentar – pelos motivos expostos acima – que o que ocorre no interior de um buraco negro é  um outro tipo de evento não semiotizável, pois toda a informação sobre a matéria/energia que cai dentro dele está irremediavelmente perdida para nós.

E assim – de forma um tanto quanto melancólica – chega ao fim o meu ensaio sobre taxonomia estelar.

Esse pequeno artigo tentou mostrar como as classificações científicas dos objetos cósmicos – longe de serem categorias lógicas a priori , estabelecidas de uma vez por todas  e completamente “racionais” – são  produtos da evolução histórica de nosso conhecimento, pois – a medida que observamos o céu com um número cada vez maior de cientistas envolvidos nessa tarefa e utilizando telescópios cada vez mais potentes – descobrimos mais e mais objetos cósmicos (alguns de novos tipos, que “nunca tínhamos visto antes”), sendo que cada nova descoberta contribui (em maior ou menor parcela) para reconfigurar  nossos modelos de entendimento do universo.

Tentei esboçar aqui as três “formas puras” possíveis de classificação dos objetos cósmicos e mostrar como as classificações que utilizamos sempre apresentam uma mistura de dois ou mais tipos. Por último, tentei sugerir uma forma (talvez) um pouco menos ambígua de classificação (a classificação pelo estado da matéria).

Espero que esse esboço possa contribuir para que  – no futuro, quando nosso conhecimento sobre os tipos de objetos cósmicos existentes no universo for mais extenso – possamos elaborar melhores categorias de classificação.

 6- (Epílogo) Os telescópios e suas descobertas

IMAGEM: Uma anã marrom (objeto menor na foto) orbita a estrela Gliese 229, que está localizada na constelação do Lobo a cerca de 19 anos-luz da Terra. Esta anã marrom, batizada de Gliese 229B, possui cerca de 20 a 50 vezes a massa de Júpiter.

As anãs marrons foram propostas como objetos teóricos na década de 60 do século passado.

Porém, devido às dificuldades em conseguir observá-las com a tecnologia da época, só foram confirmadas no ano de 1995, quando o telescópio de 5 metros do observatório do Monte Palomar detectou uma companheira da estrela Gliese 229, descoberta essa que foi confirmada pelo telescópio orbital Hubble dias depois.

A era dos telescópios orbitais trouxe um grande impulso à busca por anãs marrons, por estarem esses telescópios livres das interferências provocadas pela atmosfera da Terra.

O telescópio Spitzer, trabalhando na região do infravermelho, descobriu inúmeras anãs marrons durante sua “fase fria”, encerrada em 2009.

Seu substituto, o telescópio WISE , está especialmente equipado para trabalhar na região do infravermelho, realizando buscas de campo amplo e com uma sensibilidade sem precedentes para objetos de baixa luminosidade.

Segundo afirma Peter Eisenhardt, cientista do JPL e membro do projeto WISE :

O “WISE está olhando em toda parte, assim as anãs marrons mais frias vão surgir em todas as direções ao nosso redor. Podemos até encontrar uma anã marrom fria mais perto de nós do que Próxima Centauri, a estrela mais próxima conhecida… Nós estaremos estudando esses novos vizinhos em pormenor – um dos quais poderá conter um sistema exoplanetário mais próximo ao nosso.”

7 – Referências :

Anã marrom – Wikipédia

O Leão, a Feiticeira e o Guarda Roupa

Kant e o ornitorrinco

http://eternosaprendizes.com/2010/11/23/astronomos-encontram-finalmente-a-ana-marrom-padrao/#more-13204

http://eternosaprendizes.com/2010/09/09/o-que-diferencia-um-exoplaneta-gigante-de-uma-ana-marrom-novas-pesquisas-desafiam-os-limites-teoricos/

http://eternosaprendizes.com/2010/08/24/conjecturas-sobre-anas-marrons-discos-protoplanetarios-e-a-formacao-de-exoplanetas/

http://eternosaprendizes.com/2010/06/29/ha-numerosas-anas-marrons-nas-vizinhancas-do-sistema-solar-pesquisa-do-spitzer-indic-que-sim/

http://eternosaprendizes.com/2009/11/28/spitzer-revela-par-de-anas-marrons-bebes/

http://eternosaprendizes.com/2010/05/04/ana-marron-errante-descoberta-a-9-anos-luz-da-terra-nos-lembra-um-jupiter-solitario/

http://eternosaprendizes.com/2010/03/23/conjecturas-sobre-onde-estaria-o-verdadeiro-planeta-x-onde-estaria-nemesis/

Sol escuro pode ser o vizinho mais próximo do Sistema Solar

Planemos : nem estrelas, nem planetas

Brown Dwarf – Wikipedia

Planet – Wikipedia

The Star, the Dwarf and the Planet

Planetesimals to Brown Dwarfes : What is a Planet ?

The Other End of the Planetary Scale

The Deuterium-Burning Mass Limit for Brown Dwarfs and Giant Planets

Gravity Rules: The Nature and Meaning of Planethood

Astronomers Announce First Clear Evidence of a Brown Dwarf

Thoughts on Brown Dwarfs, Disks and Planets

Do Brown Dwarfes Pulsate ?

WISE: Brown Dwarf Hunter Extraordinaire

http://www.ras.org.uk/news-and-press/157-news2010/1894-astronomers-find-rosetta-stone-for-t-dwarf-stars

WGESP – IAU : Definition of a “planet”

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