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

(1)

Aula 1

Observando o Céu:

O Nascimento da Astronomia

(2)

Via láctea vista de um local

escuro

Em noites sem lua e com

o horizonte desobstruído,

pode-se ver aproximadamente

3000 estrelas

(3)

Céu noturno (!) de NY

(4)

fonte: wiki

Poluição luminosa

Céu brilhante causado pela luz artificial

espalhada pela atmosfera

Quanto mais brilhante o céu, menor o número de estrelas que podem ser vistas

Vários problemas: - astronomia;

-

saúde;

(5)

(6)

Resultado:

Natureza (e o ceú, em

particular) não mais

participa do nosso

quotidiano

Antiquidade:

TODOS os registros de

tempos antigos mostram

que os povos

observavam os astros e

tentavam endendê-los.

- agricultura

- cosmologia

- religião

- astrologia

Ex: príncipais deuses do

panteão grego eram

associados com os seis

planetas conhecidos.

(7)

Observando o Céu:

O Nascimento da Astronomia

Alex C. Carciofi - elementos do céu noturno e diurno que podem

ser observados a olho nu

-evolução da concepção humana do cosmos até o séc. XVI (cosmologia aristotélica)

(8)

Abrindo um parêntese

(9)

O que é ciência?

Conjunto de todo o conhecimento humano. Correto? não

Ciência abarca, também, o método pelo qual tentamos

entender a Natureza e a forma como ela se comporta.

Conjunto do conhecimento humano gerado e sujeito ao método científico.

(10)

O que é ciência?

série de observações modelo novas observações novo modelo Ingredientes fundamentais: - auto-correção

- revisão pelos pares Ex: fusão a frio

Movimentos do Sol, Lua, estrelas e planetas geocêntrico Tycho Brahe heliocêntrio

X

validação mudança de paradigma

(11)

(12)

Movimento Diurno e Anual dos Astros

Imaginemo-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 a precessão dos equinócios

Vamos, então, estudar quais seriam nossos “dados observacionais”

(13)

A Abóbada Celeste

= céu = firmamento

Nadir Horizonte Horizonte Zênite Dia Noite Zênite Nadir

(14)

Pólo Sul

20 horas

22 horas

24 horas

Movimento noturno aparente olhando ao Sul

Sul

Oeste Leste

(15)

Norte

Leste

Oeste

Leão

20 horas

22 horas

24 horas

(16)

Movimento noturno aparente de uma estrela

circumpolar norte

Norte Leste Oeste Pólo Norte Polaris

(17)

(18)

Movimento diurno aparente em torno do

PS visto dos Andes

Ojos del Salado

Mais alto vulc

Mais alto vulcãão ativo da Terrao ativo da Terra Altitude = 6000 m

Altitude = 6000 m

Temperatura = -18

Temperatura = -18 00_C_C

Exposi

Exposiçãção o _≅_≅ 1 hora 1 hora

Nuvens de Magalhães Via Láctea

(19)

Movimento Aparente visto do

Hemisfério Norte

Z

PN

Equador

N S E W Circumpolar (sempre visível) Astros nesta

posição são sempre invisíveis

(20)

Movimento aparente visto do

hemisfério Sul

Z PS N S E W Equado_r

(21)

Movimento aparente visto do

equador

Z

E W S = PS PN = N Equador

(22)

Movimento aparente visto do Polo Sul

PS

Horizonte =

(23)

Muito importante

: o movimento aparente dos astros

depende da latitude do observador...

(24)

Sistema Altazimutal (local)

Neste sistema, a posição de um astro é dada por dois ângulos:

azimute (φ): ângulo entre o plano

que contém a estrela, o zênite e o observador (ZOS) e a direção norte

(0 < φ < 360o₎

altura (h): ângulo entre o plano

do horizonte e a estrela (0 < h < 90o)

É útil para certas situações, mas não pode ser usado em catálogos astronômicos, por exemplo, pois varia com o tempo de forma

complicada. Horizonte zênite (Z) N φ h O S

(25)

Azimute de um astro ao longo do dia no HN

Como varia o azimute de um astro ao longo do dia?

Z

PN

Equador

N S W A t 1800 00 3600 Passagem meridiana A_Nascer A_Ocaso

(26)

Azimute de um astro ao longo do dia no HS

Como varia o azimute de um astro ao longo do dia?

A t 1800 00 3600 Passagem meridiana A_Nascer A_Ocaso Z PS N S E W Equado_r

(27)

A esfera celeste

Eixo de rotação Equador PNC PSC PN PS N L

- pólos sul e norte - equador celeste

Movimento do astro é ao longo de linhas formadas pela intersecção entre uma esfera e planos paralelos ao equador

(28)

Coordenadas Celestes

Um sistema de coordenadas muito mais útil para a Astronomia usa a esfera celeste como referência. Neste sistema, a posição de um astro é dada por duas coordenadas (ascenção reta e declinação), análogas à latitude e longitude

terrestres.

Ascenção reta (α): ângulo entre o

mediriano que cruza a estrela e um ponto de referência (γ), medido ao longo do equador celeste.

Declinação (δ): ângulo entre a

equador e a estrela, medido ao longo do meridiano (-90o_{< δ < 90}o₎

Ponto vernal (γ): posição do Sol na

esfera celeste no dia do equinócio da primavera no HN

α δ

γ

equador celeste

(29)

Condição de visibilidade de um astro

Dado um observador situado a uma latitude ϕ, determinar para quais intervalos de declinação uma estrela:

- seja sempre visível; - tenha nascer e ocaso; - seja sempre invisível.

(30)

Círculo de perpétua visibilidade

olhando para

o norte

Polo Norte Leste Oeste Norte Círculo de perpétua visibilidade Círculo de perpétua visibilidade: Região do céu permanentemente visível para aquele observador

(31)

Condição de (in)visibilidade no

Hemisfério Norte

Z

PN

Equador

PS

N S Horizonte Circu mpola res visíve is Z PN Equado r ϕ δ_Máx - δ_Mín ϕ δ_Máx + ϕ = 900 δ_Máx = 900 - ϕ δ_* ≥ 900 - ϕ Circumpolares visíveis - δ_Mín + _ϕ = 900 δ_Mín = - 900 + ϕ δ_* ≤ - (900 - ϕ) Circumpolares invisíveis Circu mpola res invisí veis - (900_-_{ϕ) ≤ δ} * ≤ + (900 - ϕ)

Estrelas com nascer e ocaso

(32)

Polo Sul

Círculo de perpétua visibilidade

olhando ao Sul

Sul Oeste Leste Círculo de perpétua visibilidade Círculo de perpétua visibilidade: Região do céu permanentemente visível para aquele observador

(33)

Condição de (in)visibilidade no

hemisfério Sul

Z

PN

Equador

PS

N _S Horizonte Circ_um pola res vis_íve is Z PS N S E W Equ_ador - ϕ δ_Máx - δ_Mín - ϕ δ_Máx - ϕ = 900 δ_Máx = 900 + ϕ δ_* ≥ 900 + ϕ Circumpolares invisíveis - δ_Mín - _ϕ = 900 δ_Mín = - 900 - ϕ δ_* ≤ - (900 + ϕ) Circumpolares visíveis - (900₊_{ϕ) ≤ δ} * ≤ + (900 + ϕ) Estrelas com nascer e ocaso Circ_um pola res inv isív eis

(34)

Movimento do Sol

Inverno na Itália (Mar Tireno) Que horas são neste ponto?

(35)

Gnômon

( Relógio de Sol )

Sol

Ch

ão

Gn

ô

mon

Som

bra

(36)

Determinação do meridiano e dos

pontos cardeais

(sombra mínima)

Nascente Ocaso Linha do Meiodia Meridiano Ponto Leste Ponto Oeste Ponto Sul Ponto Norte

(37)

Astronomia a serviço da

polícia

(38)

Ângulo entre o

equador e o

horizonte

Ângulo entre o

equador e o plano

do horizonte: 90

o

_{- ϕ}

PS

W

Equador

E

_Nascer Ocaso ϕ ϕ ϕ 90- ϕ 90- ϕ 90- ϕ 90- ϕ 90- ϕ

N

S

Z

Z PN Equador PS N _S Horizonte 90+ϕ 90+ϕ - ϕ 90+ϕ 90+ϕ - ϕ

(39)

Nascer do Sol

Horizonte

N S

Visto por um observador

no Hemisfério Sul

L

Horizonte

N S

no Hemisfério Norte

L

Observador no Hemisfério Norte

Oeste Leste Sul Norte Oeste Leste Sul Norte

(40)

Ocaso do Sol

Horizonte

S N

no Hemisfério Sul

W

Horizonte

S N

no Hemisfério Norte

W

Observador no Hemisfério Norte

Oeste Leste

Sul Norte

Observador no Hemisfério Oeste Sul

Leste

Sul Norte

(41)

Sequestradores distraídos

(42)

Mapa do crime!

Cativeiro dentro desse círculo

ϕ

(43)

Pergunta: a duração do pôr (ou nascer) do sol é a mesma em todos os pontos da Terra?

Resposta: não. Em altas latitudes o pôr do sol é muito mais longo que próximo ao equador

Próximo aos pólos: há dias em que o sol nunca se põe ou nunca nasce (próxima aula...)

(44)

Nascer do Sol

Leste

é o ponto onde

o Sol nasce.

(45)

Noção de ano e de

estações do ano

Nascente Nascente Ocaso Meridiano Inverno Primavera Verão Outono

Ano das Esta

(46)

Noção de ano e de

estações do ano

Nascente Nascente Ocaso Meridiano

(47)

Ano das Estações

IV

II

Norte

Sul

IP

IO

Sol

Primavera

Verão

Inverno

Outono

Ano das Esta

(48)

6 7 9 10 8 11 12 13 14 15 16 17 18

Trajetórias

diurnas

do Sol

Leste Oeste N _S Inverno 17 7 Verão 19 5 Pri/Out

(49)

Pergunta: como os astrônomos

da antiguidade explicavam isso?

(50)

Eclíptica:

Trajetória anual

aparente

do Sol ao longo

da esfera

celeste

Eixo de rotação

Equador

γ

Ω

PN Ecl

Eclíípticaptica

(51)

Declinação do Sol ao longo do ano

0 21 21 mar mar 23 set 22 jun + 23,5o - 23,5o

Declina

çã

o

jan

jun

dez

γ

Ω PN PS 22 dez

γ

Ω

(52)

Trajetória anual

aparente do Sol

por entre as

constelações

sígnos...

Polo Celeste Norte Sol

(53)

Movimentos dos planetas

Planeta vem do grego “planetes”, que significa aquele que vagueia

Já na antiguidade notou-se que havia seis “estrelas” que se moviam lentamente

em relação às demais (chamadas, por isso, de estrelas fixas)

Alguns planetas (ex. Marte) moviam-se mais rapidamente que outros (ex. Saturno)

Além disso, o brilho do planeta mudava com o tempo. Distância??

(54)

Movimento de Marte

no céu

Movimento retrógrado! Como explicar isso?

Enorme desafio para os

(55)

Precessão dos equinócios

Se observarmos a posição das estrelas (declinação e ascenção reta) por muito tempo (séculos), notaremos que ela não é constante!

Isso foi descoberto em por volta de 150 AC pelo

astrônomo grego Hiparco, que notou diferenças entre as coordenadas da estrela Spica por ele obtidas e as obtidas por Timocaris dois séculos antes.

(56)

Precessão

PN PN

Hoje

PN

Período da Precessão:

~ 26.000 anos

PN

Daqui a

13 mil anos

(57)

(58)

Estrelas

Polares

Estrelas

Polares

2000 0 - 2000 - 4000 Dragão Ursa Menor 4000 6000 8000 Cefeidas γ β 10000 12000 14000 Cisne Lira δ 16000 18000 20000 Hércules ι τ PNE

Trajetória do PN ao longo do tempo visto por um observador no HN

Trajetória do PN ao longo do tempo visto por um observador no HN

(59)

Estrelas

Polares

Estrelas

Polares

Pintor 2000 0 - 2000 - 4000 4000 6000 8000 γ β Cisne Canopus δ 10000 12000 14000 16000 18000 20000 Popa ι τ PSE _Octanti Hydra β Achernar Cruzeiro do Sul Columbae Carina Eridani PS

Trajetória do PS ao longo do tempo visto por um observador no HS

Trajetória do PS ao longo do tempo visto por um observador no HS

(60)

Movimento Diurno e Anual dos Astros

Já 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 equinócios

(61)

Modelos do Sistema Solar

(a visão do cosmos da antiguidade até o século XVI)

(62)

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 do

Método Científico, propôs que o

Universo era Geocêntrico, i.e. a Terra ocuparia seu centro.

 Modelo geocêntrio era baseado tanto

em observações (ciência) quanto em conceitos filosóficos (não ciência)

(63)

Platão

e Aristóteles

Platão Aristóteles Idéias são reais.

O mundo é só uma

imagem das idéias. Sim, mestre!

Bobagem! O mundo dos fenômenos é o mundo real. As idéias

(64)

Alguns Astr

ô

nomos Famosos

200 400 200 400 600 800 ₁₀₀₀ ₁₂₀₀ ₁₄₀₀ ₁₆₀₀ Newton Kepler Galileu Tycho Brahe Copérnico 0 Ptolomeu Hiparcos Eratóstenes Aristarco Aristóteles Heráclides Pitágoras 1800 2000 600 Terra esférica Sistema híbrido Geocentrismo filosófico

Processo p/ obter a distância até o Sol

Raio da terra Distância Terra-Lua Sistema Geocêntrico Mecânica Clássica Raios orbitais Órbitas elípticas Uso do telescópio Excelente observador Sistema Heliocêntrico Filolau Helioocentrismo religioso

(65)

Aristóteles já sabia que a Terra

é esférica. Algumas evidências:

1) Variação da latitude astronômica

(66)

Altura do PN em

diferentes posições na

Terra suposta plana

Horizonte PN Observador na posição 1 h₁ S Sentido do deslocamento do observador

h

₂

= h

₁

_{= ϕ}

N h2 Observador na posição 2 PN Estrela Polar suposta no infinito

(67)

Variação observada na altura

da estrela Polar

Horizonte N Polar Observador na posição 1 h₁ h₂ Observador na posição 2 S Sentido do deslocamento do observador

h

₂

_{≠ h}

₁

Inferência:

A estrela Polar estaria

muito próxima da Terra e

(68)

Outra

explicação para

a variação na

altura do PN

_NHoriz. 1 h1 PN Horiz. 2 h2 N PN w Horiz. 2 Horiz. 1 h₂ h1 N PN PN PN PS

(69)

Aristóteles já sabia que a Terra é

esférica. Algumas evidências

1) Variação da latitude astronômica

2) Nos eclipses da Lua, a sombra

projetada pela Terra é sempre

(70)

(71)

Aristóteles já sabia que a Terra é

esférica. Algumas evidências

1) Variação da latitude astronômica

2) Nos eclipses da Lua, a sombra

projetada pela Terra é sempre

redonda

3) Em navios que se afastam do porto

sempre a parte de baixo desaparece

primeiro que a parte de cima

(72)

Esfericidade da Terra

(73)



Hiparco (190 – 120 a.C.) foi o

maior astrônomo da antiguidade



Seus modelos geométricos do Sol

e da Lua permitiam-lhe fazer

previsões de eclipes



Compilação de uma catálogo com

850 estrelas com coordenadas



Invenção do astrolábio



Descoberta da precessão dos

equinócios

(74)



Claudio Ptolomeu (83 – 161 d.C.)

escreveu diversas obras científicas,

entre elas o Almagesto.



O Almagesto utilizava um modelo

geocêntrico para se calcular a

posição dos planetas no céu, no

passado ou futuro.



Também fazia parte do Almagesto

um catálogo estelar com

aproximadamente 1000 estrelas e

48 constelações.



O modelo geocêntrico perdurou até

o século XVI.

(75)

Geocentrismo:

um modelo amplamente aceito



A Terra parece firme e estável.



As estrelas parecem descrever

circunferê ncias no céu, em

torno dos pólos celestes.



Os “planetas” da época (Lua,

Sol, Mercúrio, Vênus, Marte,

Júpiter e Saturno ) parecem

mover-se em torno da Terra.



Profundas raízes filosóficas e

religiosas



Argumento bíblico: Josué

ordenou ao Sol e à Lua que

parassem.

(76)

O Modelo Geocêntrico:



A Terra ocupa o centro do

Universo.



Os planetas giram em

órbitas circulares em torno

da Terra.



Os planetas mais “rápidos”

estão mais próximos: Lua,

Mercúrio, Vênus, Sol,

Marte, Júpiter e Saturno.



As estrelas estariam

incrustadas numa esfera

de cristal, muito distante.

(77)

O que é ciência?

série de observações modelo novas observações novo modelo Movimentos do Sol, Lua,