Como os cientistas descobriram o sistema solar, os planetas, as galáxias…?

Os filósofos gregos foram os primeiros a fazer uma observação do céu isenta de ideias mitológicas pré-concebidas.

As primeiras civilizações tinham desenvolvido a ciência da astronomia, porém eles faziam uma espécie de duas classificações para os objetos no céu: uma prática e outra religiosa.

A parte prática servia para a navegação marítima, calendários e relógio. Eles notaram que as estrelas pareciam fixas e que podia ser usada como referência para navegar a noite. Também viram que o dia tinha duração diferente ao longo do ano, e que dias específicos marcavam o inicio das estações do ano. Esses dias eram os solstícios e equinócios.

Os solstícios marcam o inicio do inverno ou do verão, e os equinócios a primavera e o outono. Para países europeus que ficam acima do trópico de Câncer essas marcações são bem evidentes. No solstício de verão, o Sol fica acima da cabeça ao meio-dia. Os povos da antiguidade notaram isso e construíram calendários solares, como o Stonehenge.

 

Os gregos fizeram anotações sobre os objetos celestes e fizeram desenhos ligando as estrelas no céu, são as constelações.

As constelações eram usadas para a astrologia e como mapa.

A esfera perfeita e as estrelas errantes

Os gregos antigos, especialmente os filósofos matemáticos, consideravam a esfera como a figura geométrica perfeita, e como o universo é perfeito, então as leis da natureza deveriam ter esse formato. Quando observaram o céu, utilizaram essas ideias e o filósofo Ptolomeu, criou o famoso Epiciclo de Ptolomeu.

Nesse modelo, a Terra era o centro de tudo e os planetas giravam ao redor da Terra. O conhecimento da existência de planetas é algo bem antigo, e novamente, foram os gregos que perceberam (e anotaram) que existiam estrelas que não eram fixas no céu, e chamaram essas estrelas errantes de planetas.

O movimento aparente dos planetas realmente, da nossa perspectiva, parecem epiciclos:

Porém, usar a matemática para explicar esses movimentos é algo muito complexo. Aristarco de Samos viu que os cálculos ficavam mais simples se colocasse no centro o Sol, mas como essa visão do universo retira a Terra do centro do universo, a ideia dele foi deixada de lado até ser resgatada por Nicolau Copérnico no século XV.

A Terra deixa de ser o centro do Universo: órbitas ao redor do Sol

Na idade média prevaleceu a ideia de Ptolomeu de que a Terra era esférica e o centro do universo. Por causa disso, Copérnico considerou as órbitas dos planetas perfeitamente esféricas.

Mas o cientista Johannes Kepler percebeu que, na verdade, as órbitas eram elípticas, com o sol em um dos centros. Uma elipse, de maneira simples, é como se fosse uma circunferência com dois centros.

Kepler usou as anotações do astrônomo Tycho Brahe para chegar a a conclusão de que as órbitas são elípticas. E formulou três leis, de acordo com o resultado das observações:

1- “O planeta em órbita em torno do Sol descreve uma elipse em que o Sol ocupa um dos focos.”

2- “A linha que liga o planeta ao Sol varre áreas iguais em tempos iguais.”

3- “Os quadrados dos períodos de translação dos planetas são proporcionais aos cubos dos semi-eixos maiores de suas órbitas.”

É possível chegar numa fórmula matemática utilizando dados observacionais e foi o que Kepler fez.

Nos séculos XV e XVI, filósofos e pensadores como René Descartes, Isaac Newton, Galileu Galilei deram início a Física Clássica, ou seja, a física que a gente aprende na escola.

Uma parte importante da ciência e dos modelos científicos é que eles devem fazer previsões. Utilizando fórmulas matemáticas pode-se chegar a prever onde um planeta vai estar no céu em determinado dia, por exemplo.

As descobertas de Galileu Galilei

Johannes Kepler disse que se a sua teoria estivesse correta o planeta Vênus deveria apresentar fases como a Lua. Nessa época foi inventado a Luneta pelo artesão Jacques Metius. Ele viu que se colocasse vidros de espessuras diferentes alinhados era possível aumentar os objetos.

Esse instrumento era usado para a navegação marítima, mas Galileu Galilei usou ele para observar estrelas. Uma das observações de Galileu foi que ao apontar o objeto pro céu e olhar uma estrela é possível ver mais estrelas do que é visto sem a luneta. Ele também observou o planeta saturno e viu que o planeta tinha o que pareciam ser orelhas, ele pensou que eram dois satélites.

Ele passou meses observando o planeta Júpiter e pensou ter visto três estrelas ao redor do planeta, até que surgiu uma quarta “estrela”, ele descobriu que Júpiter tinha quatro Luas: Io, Europa, Ganimedes e Calixto. Galileu também observou o planeta Vênus, e viu que o planeta apresentava fases, como Kepler havia previsto.

O motivo da previsão de Kepler é que Vênus é um planeta mais próximo do Sol do que a Terra, então, como Vênus atravessa o campo de visão entre o Sol e a Terra, ele tem fases, assim como a Lua que também passa por esse campo.

Uma outra previsão feita através de observações e cálculos matemáticos foi a existência de um oitavo planeta.

A descoberta de Urano

Quando descobriram o sétimo planeta, Urano, notaram que havia perturbações gravitacionais que poderiam ser causadas pela existência de outro objeto nas proximidades desse planeta. Foi quando utilizaram cálculos matemáticos para prever onde estaria esse objeto e acabaram descobrindo Netuno.

A força responsável por essas órbitas foi descoberta por Isaac Newton: a gravidade. O motivo da existência dessa força permaneceu um mistério até Albert Einstein formular a teoria da relatividade.

Teoria da Relatividade

As órbitas dos planetas ao redor do Sol podem ser previstas através de cálculos que utilizam a física newtoniana, exceto pelo planeta Mercúrio. Existe uma diferença no tempo que Mercúrio orbita o Sol no seu periélio (período mais próximo do Sol), que não pode ser explicada usando a Lei da Gravitação Universal de Newton.

Usando os cálculos da Teoria da Relatividade de Einstein o resultado confere com essa diferença de tempo que não podia ser explicada utilizando as leis de Newton.

A Teoria da Relatividade diz que o Universo é uma espécie de tecido conhecido como espaço-tempo. Você pode dizer o lugar que o objeto está usando duas informações: localização e tempo. Por exemplo, Marcos está em São Paulo no dia 21 de dezembro de 2019, amanhã ele pode estar em outra cidade. Ou seja, algo está num lugar do Universo em determinado tempo.

Uma consequência da existência do espaço-tempo é que os planetas, as estrelas e as galáxias causam uma deformação nesse tecido.

Uma maneira de provar isso é usando o princípio da propagação retilínea da luz. Como a luz se propaga em linha reta no tecido espaço-tempo, quando esse tecido estiver deformado, a luz que chega vai desviar do objeto que causa a deformação. E acontece isso:

Então algo que está atrás desse objeto será visível ao lado dele. O Sol é um bom objeto para testar essa teoria, o problema é que o Sol brilha. É virtualmente impossível ver uma outra estrela quando se olha pro Sol. Mas e se fosse possível tampar o Sol?

É o que acontece num eclipse solar: a Lua cria uma sombra na Terra que cobre a luz do Sol por um momento, e é possível ver estrelas quando esse evento acontece. Porém eclipses são raros.

Dois cientistas estavam determinados a provar/refutar a Teoria da Relatividade de Einstein e começaram a incrível jornada pra caçar um eclipse, e tirar uma foto do céu enquanto ele acontece e ver se a luz das estrelas atrás do Sol vai ser desviada como Einstein previu. Eles conseguiram fotografar um eclipse e fizeram as medições de desvio da luz.

E Albert Einstein estava certo, foi possível ver a luz fazendo um desvio no Sol. A partir desse momento, Einstein virou uma celebridade. Hoje em dia é possível ver galáxias causando a mesma deformação que o Sol faz no espaço-tempo:

A Teoria da Relatividade também diz que o tempo é relativo. Quando estamos próximos de algum objeto de grande massa, o tempo passa mais devagar do que se estivesse no espaço sideral. É por isso que os satélites do sistema de GPS tem que fazer uma correção todos os dias. O tempo para o lugar onde esses satélites é diferente do tempo que passa aqui na Terra. Essa diferença é de alguns milissegundos mas se não fosse feita essa correção os satélites errariam a localização de algo na superfície em cerca de 10 km por dia.

A luz para Albert Einstein é uma constante, ou seja, tem sempre o mesmo valor, e o universo estica ou comprime o tempo pra manter essa velocidade constante.

A teoria de Einsten também explica aquela lei de Kepler que diz: “A linha que liga o planeta ao Sol varre áreas iguais em tempos iguais.” Quando o planeta se aproxima do Sol a velocidade aumenta, e quando se afasta diminui. De novo, a diferença não é gigante, é de 43 minutos para a excentricidade de Mercúrio.

Existem Galáxias

Desde a época de Tales de Mileto haviam cálculos que mediam grandes distâncias. Eles utilizavam o método de Triangulação. Existe um deslocamento aparente causado pela mudança de posição do observador isso é chamado de paralaxe. E quanto mais distante é um objeto, menor é a paralaxe.

Cálculos da distância dos planetas e do Sol foram feitos por diversos cientistas ao longo do século XV e XVI. Mas a paralaxe de objetos muito mais distantes é extremamente pequena. Então em vez de usar a paralaxe, os astrônomos passaram a utilizar como referência as estrelas Cefeidas.

Estrelas Cefeidas tem uma pulsação de brilho constante. A lógica é a seguinte: imagine que você está numa sala escura e só existem lâmpadas de 100W, quanto mais distante estiver uma lâmpada mais fraco o brilho dela parece pra você. O mesmo acontece com as Cefeidas.

A cientista Henrietta Swan Leavitt descobriu um cálculo que relacionava a luminosidade das estrelas cefeidas e sua distância. Edwin Hubble encontrou uma estrela Cefeida na Nebulosa de Andrômeda, e estimou uma distância de mais de um milhão de anos-luz, já se sabia na época que a nossa galáxia tinha 100 mil anos-luz de tamanho.

Essas nebulosas foram rebatizadas com o nome galáxias e as galáxias são uma espécie de universo-ilha. Ou seja, é um lugar onde existe uma grande concentração de estrelas e gás interestelar. Existem 125 bilhões de galáxias no universo conhecido.

Foi o trabalho de muitos e muitos cientistas que permitiram descobrir o real tamanho do Universo.