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A luz no espaço e no tempo

10/11/2014 - Por Eder Martioli


A luz no espaço e no tempoAfinal, de onde vem a luz? A receita para se fazer luz é de certa forma muito simples. Basta chacoalhar uma carga elétrica. Isso mesmo, pode começar a balançar uma pilha bem rápido que ela produzirá luz. Só não sei se você conseguirá balançar rápido o suficiente para produzir luz visível! A luz, também conhecida como radiação eletromagnética, não é nada mais do que uma onda que transporta a energia eletromagnética gerada pelo movimento acelerado de uma carga elétrica. Da mesma forma que a luz, o som também é uma onda, só que ele é gerado pelo movimento do ar. O som da nossa voz, por exemplo, vem do movimento do ar causado pela vibração das cordas vocais. Até mesmo aquela ondinha num lago que se forma quando atiramos uma pedra na água é um fenômeno muito parecido com a luz. A natureza de todos esses fenômenos é a mesma, ou seja, todos são ondas responsáveis pela propagação no espaço da energia que se gastou para chacoalhar um certo meio. No caso do som o meio é o ar, no caso da onda no lago o meio é a água, mas e a luz? A luz carrega a energia da chacoalhada de uma carga elétrica, e o campo elétrico gerado por essa carga não precisa de nenhum meio físico para se propagar. Isso mesmo, o campo elétrico pode caminhar no vácuo! Por isso, a luz também não precisa de um meio físico para se propagar, além do próprio vácuo, é claro. Muito bem, então qual é a importância da luz para nós? Na verdade, ela é extremamente importante para nossas vidas e logo saberemos o porquê. A luz é, sem dúvida nenhuma, o nosso maior vínculo com o Universo. É ela a fonte de informação mais precisa sobre lugares e épocas distantes, tanto no espaço quanto no tempo. A luz também transporta a principal fonte de energia que chega à Terra, a energia do Sol. Imaginem que o Sol, mesmo estando a uma distância de aproximadamente 150 milhões de quilômetros da Terra, é a nossa principal fonte de energia. Ele é responsável por manter a atmosfera da Terra numa temperatura e pressão suficiente para que a água coexista nos três estados físicos da matéria, sendo em sua maior parte no estado líquido. Isso é muito importante para a existência e evolução da vida em nosso planeta. Devemos muito ao Sol, pois, sem ele, tudo aqui seria frio, escuro, sem ar, sem movimento das águas e dos ventos, sem chuvas, enfim, sem vida. Mas, adivinhem! O principal responsável por transportar a energia do Sol até a Terra é a luz! Antes de prosseguir, vamos deixar uma coisa clara, tão clara como a luz! A luz que me refiro tem um conceito mais amplo do que somente aquela luz que enxergamos. A luz que enxergamos, ou luz visível, é apenas uma fração muito pequena da luz que existe por aí. A luz visível é somente aquela gerada quando uma carga elétrica recebe entre 400 e 700 trilhões de chacoalhadas por segundo! O que aconteceria se chacoalhássemos essa mesma carga numa velocidade menor, por exemplo, a 1 milhão de chacoalhadas por segundo? Isso também produziria luz, porém, ela teria uma “cor”, ou frequência, que não é detectável pelos nossos olhos, mas sim pelas antenas de TV, que são as ondas de rádio. Da mesma forma, outros tipos de luz podem ser produzidos através da vibração de cargas elétricas em uma diversidade infinita de frequências. Cada um desses tipos de luz possui propriedades particulares, que tornam esse fenômeno tão especial!

Ilustração mostrando os diversos tipos de luz e seus respectivos intervalos de frequência e temperatura necessária para emitir radiação térmica naquela frequência.

Ilustração mostrando os diversos tipos de luz e seus respectivos intervalos de frequência e temperatura necessária para emitir radiação térmica naquela frequência.



Agora pensem um pouco: a luz é produzida através da aceleração de uma carga elétrica. Quase tudo que conhecemos na natureza é formado por átomos, que por sua vez, possuem prótons e elétrons, ambos com cargas elétricas — o próton com carga positiva e o elétron com carga negativa. Estes átomos estão em constante agitação, seja devido à vibração térmica, à vibração do som ou por colisões. Os elétrons também se encontram em constante movimento em torno do núcleo. Logo, como quase tudo no Universo possui átomos e se movimenta, quase tudo produz luz! Deixamos uma ressalva aqui. Há outros tipos de entidades físicas no Universo que ainda não conhecemos muito bem, como é o caso da matéria escura. Mesmo sem saber da sua natureza, sabe-se que a matéria escura se apresenta em uma quantidade muito maior do que os átomos, porém, não entraremos neste assunto, pois o assunto aqui é luz e uma das particularidades da matéria escura é de que ela não possui carga elétrica e, portanto, ela não produz nem interage com a luz. Toma os como exemplo o corpo do ser humano, que é feito de milhões e milhões de átomos que possuem cargas elétricas em seu núcleo e elétrons carregados se movimentando o tempo todo. Esses átomos vibram por possuírem uma certa temperatura. A temperatura do corpo humano está em torno de 36,5ºC, fazendo com que, em média, nosso corpo emita luz com frequência de aproximadamente 30 trilhões de chacoalhadas por segundo (30 THz), ou seja, luz infravermelha, que é invisível ao olho humano. O fato de enxergarmos uns aos outros durante o dia é porque nosso corpo também reflete a luz visível do Sol ou de uma lâmpada. Há objetos mais quentes que emitem luz visível, como é o caso de umabrasa queimando na fogueira ou do próprio Sol. Não é coincidência o Sol emitir luz na frequência (ou cor) exata onde nosso olho é mais sensível, ou seja, na cor amarela (~600 THz). Essa aparente coincidência na verdade é um produto da evolução do nosso corpo que teve seus sensores adaptados à fonte de luz mais abundante em nosso meio, que é a luz do Sol.

ilustracao_temperatura_corporal

Imagem mostrando em cores falsas a intensidade de luz infravermelha emitida pela pele de uma pessoa realizando atividades físicas. Note a barra ao lado mostrando a correspondência decada cor à temperatura.



Assim como o corpo humano, qualquer objeto no Universo emite luz. Bom, qualquer um não, existe alguns objetos estranhos que não emitem luz, como é o caso dos buracos negros. Os buracos negros são objetos muito interessantes, pois são formados pelo mesmo tipo de matéria que constitui os átomos, porém, ao contrário dos átomos, eles não emitem luz. A força da gravidade gerada pela quantidade de matéria concentrada no buraco negro é tão grande que a luz não consegue sair do campo gravitacional, por isso ele não brilha. Qualquer feixe de luz que caminhe na direção de um buraco negro será atraído para dentro dele e não conseguirá sair de lá. A luz absorvida pelo buraco negro adiciona energia na forma de matéria, fazendo o buraco negro crescer em tamanho, seguindo a famosa relação entre massa e energia proposta por Albert Einstein (Energia = massa x c2, onde c é a velocidade da luz, ou seja c ~ 300.000 km/s). O fato da luz ser atraída pela gravidade é um dos fenômenos que revolucionaram a física dos tempos modernos. A Teoria da Relatividade Geral de Einstein considera a gravitação como uma alteração na forma do espaço e do tempo. A luz não possui massa e, portanto, não deveria ser atraída pela gravidade. Porém, considerando que a gravidade seja uma deformação no espaço, qualquer coisa que se movimentar por ele (inclusive a luz) terá o seu caminho alterado de acordo com a intensidade do campo gravitacional, seguindo a curvatura do espaço causado pela presença de matéria. A Teoria da Relatividade é comprovada hoje com inúmeros experimentos, onde, observa-se o comportamento da luz de galáxias distantes ou de estrelas próximas que estejam sob o efeito de campos gravitacionais intensos. A luz é ou não é importante para aprendermos sobre nosso Universo!? É através da luz também que os astrônomos observam estrelas distantes. Até mesmo os buracos negros, que não podem ser observados diretamente, são estudados através da luz emitida por estrelas e por outros materiais que se encontram em órbita do buraco negro. Esses corpos em órbita possibilitam realizar medições da quantidade de matéria concentrada em uma região escura do espaço. O centro da Via Láctea, a nossa galáxia, é o melhor exemplo que temos de um buraco negro. Próximo ao centro da galáxia observamse estrelas brilhantes orbitando uma região escura a velocidades incríveis. O que mais poderia possuir um campo gravitacional tão intenso e não emitir luz alguma se não um buraco negro? O buraco negro do centro da Via Láctea é do tipo super gigante, o maior que conhecemos na nossa galáxia, tendo aproximadamente 4,31 milhões de vezes a massa do nosso Sol. Será através da luz também que em breve obteremos informações sobre vida em outros planetas, caso ela realmente exista. Porém, ainda necessitamos de desenvolvimentos tecnológicos para que nossos instrumentos sejam capazes de detectar a luz que confirme a existência de vida em outros planetas. Esse desenvolvimento já vem acontecendo. Telescópios mais potentes e detetores cada vez mais sensíveis, juntamente com as técnicas computacionais de análise de dados, permite-nos obter informações trazidas pela luz proveniente de regiões cada vez mais próximas às estrelas, onde se encontram sistemas planetários parecidos com o nosso. Entre os oito planetas do Sistema Solar apenas a Terra possui vida. Portanto, a existência de planetas não garante a existência de vida. Espera-se portanto que a maioria dos planetas observados em outras estrelas não sejam mais do que mundos isolados, sem condições para existência ou evolução da vida como aconteceu na Terra. Porém, entre as bilhões e bilhões de estrelas que existem no Universo, eventualmente encontraremos um planeta parecido com a Terra, onde ocorreu um processo de evolução parecido ao nosso. Com tanta diversidade de vida presente aqui, também não se espera encontrar vida exatamente igual a nossa em outros planetas, onde as condições são distintas. Mas então que tipo de vida deve existir lá fora? Quais são as limitações e o grau de diversidade que a vida pode se desenvolver em ambientes diferentes da Terra? As respostas para estas perguntas será, sem dúvida, uma das grandes descobertas que a luz nos trará num futuro não muito distante! Eder Martioli, Doutor em Astrofísica. Pesquisador do Laboratório Nacional de Astrofísica (LNA/MCTI)

Imagem no infravermelho mostrando a região do centro da Via Láctea, também conhecida como Sagittarius A*, onde foram observadas diversas estrelas orbitando um buraco negro supermassivo no centro. A imagem foi obtida com o instrumento NACO no teléscopio VLT (Very Large Telescope) do ESO. Créditos: ESO - Stefan Gillessen, Reinhard Genzel, Frank Eisenhauer.

Imagem no infravermelho mostrando a região do centro da Via
Láctea, também conhecida como Sagittarius A*, onde foram
observadas diversas estrelas orbitando um buraco negro supermassivo
no centro. A imagem foi obtida com o instrumento
NACO no teléscopio VLT (Very Large Telescope) do ESO. Créditos:
ESO - Stefan Gillessen, Reinhard Genzel, Frank Eisenhauer.



Eder Martioli, Doutor em Astrofísica. Pesquisador do Laboratório
Nacional de Astrofísica (LNA/MCTI)

 

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