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As muitas luzes do céu

Astronomia & Astrofísica — By on maio 30, 2010 at 12:04

Astrônomos abriram novas janelas para o universo ao estudar os vários tipos de luzes que nossos olhos não podem ver.

Estão em todos os lugares ao redor de você. Penetram a Terra, o céu, o universo, Podem ser altamente destrutivas, contudo são totalmente necessárias para vida. Para os astrônomos, é sem dúvida o meio mais importante para descobrir os segredos do cosmos.

Nós conhecemos isto como luz. Mas a luz que nós vemos com nossos olhos é apenas minúscula parte de um espectro eletromagnético vasto produzido por tudo, desde cometas até quasares. Nós podemos entender pouco sobre o universo sem uma compreensão e avaliação da luz visível e seus sócios invisíveis no espectro eletromagnético: ondas de rádio, luz visível, ultravioleta infravermelha, raios x, e raios gama. Todas estas formas diferentes de luz fundamentalmente são a mesma coisa.

Os cientistas sabem agora que a luz pode ser descrita como um trem de ondas que carrega energia. Estas ondas são na realidade os meios principais do universo para transmitir energia. Porém, diferente das ondas sonoras, não precisa de uma substância por onde viajar. Ao invés, consiste em ondas  alternadas de campos elétricos e magnéticos que se movem pelo vácuo à velocidade máxima cósmica: 300.000 Km/s. Os tipos diferentes de luz são ondas que têm comprimentos diferentes entre cristas ou vales sucessivos.

Transportadores de energia

Além de ser vista como onda, e também como partículas conhecidas como fótons, a luz visível e seus vizinhos do espectro não são portadores da mesma energia. Quanto mais curto o comprimento de onda, o mais alto a energia de um fóton. Os Raios-X, cujos comprimentos de onda são mais curtos que um vírus, tem tanta energia que podem penetrar o corpo humano. Isto permite que os médicos usem Raios-X para diagnosticar tecidos internos do corpo. Mas o excesso de exposição aos Raios-X pode danificar as células, causando câncer.  Raios-gama, que são libertados em explosões atômicas, têm comprimentos de onda ainda menores do que o tamanho dos átomos. Fótons de raio-gama levam mais energia que fótons de raios-X, e são conseqüentemente mais mortais. Nós ainda não sabemos o limite de energia que os Raios-Gama podem conter. Atualmente é o comprimento de onda limite do espectro eletromagnético conhecido. Além desse ponto, o espectro permanece ainda desconhecido.

As várias cores da luz visível têm comprimentos de onda um pouco menores que um milésimo de um milímetro, sendo próximo ao tamanho das bactérias. A luz visível carrega energia suficiente para estimular reações químicas em nossos olhos,  permitindo que nossa visão funcione. Da mesma forma as plantas sintetizam a glicose através da fotossíntese. A luz ultravioleta tem comprimentos de onda mais curto que a luz visível, porém, mais longo que os Raios-X, leva muita energia e pode ser perigosa. Queimaduras de sol e até câncer de pele podem ser  causados pela exposição demasiada à luz ultravioleta.

A Luz infravermelha, que também é conhecida como radiação infravermelha, transporta aquilo que conhecemos como calor. Se você colocar sua mão próxima a sua bochecha, você pode sentir luz infravermelha que emana de sua pele.  Ondas maiores que um milímetro pertencem ao espectro de rádio que se estende até o tamanho de alguns quilômetros de comprimento de onda. Como  possuem comprimentos de onda longos, ondas de rádio não levam muita energia e não são particularmente prejudiciais. Só em certos comprimentos mais curtos (micro-ondas), que são vigorosamente absorvidas pela água, podendo ocorrer alguns efeitos perigosos ou queimaduras.

A Nebulosa do Caranguejo (M1) acima assume aspectos diferentes que dependem de comprimento de onda que está sendo observado.

Logo abaixo, vista pela luz visível e depois por vários tipos de observação. Cada imagem mostra características diferentes desta remanescente de supernovas. 

Infra-Vermelho Raios-Gama Ultra-violeta Radio Raios-X

Caleidoscópio de Cores

Em 1666, Isaac Newton deu o primeiro passo para entender luz visível quando ele passou luz solar por um prisma e separou-a em um caleidoscópio de cores. Há uma ligeira diferença de comprimento de onda entre várias cores do espectro eletromagnético visível. Ondas vermelhas são as mais longas, ondas violetas as mais curtas.

William Herschel, o descobridor de Urano, foi o primeiro em explorar a região além do arco-íris da luz visível. Em 1800, ele fez a reportagem de uma experiência para determinar o poder de aquecimento de diferentes cores,  entre as quais ele dispôs um jogo de termômetros. Para sua surpresa, o maior calor foi produzido depois do fim do espectro, além do vermelho, onde nada era visível. “Calor radiante”, ele proclamou, “consistirá pelo menos em parte, se podem me permitir a expressão, de luz invisível”. Herschel tinha descoberto radiação infravermelha.

No século 19, astro-fotógrafos começaram a explorar o outro lado do espectro. Emulsões fotográficas são particularmente sensíveis a comprimentos de onda mais curtos luz como: o do azul e do violeta. Astrônomos descobriram que estrelas e nebulosas radiam além da luz violeta, conseqüentemente surgiu o termo “ultravioleta.”  Os físicos completaram o quadro com a descoberta das ondas de rádio, luz ultravioleta, Raios-X, e Raios-Gama. Astrônomos vieram perceber que muitos corpos astronômicos radiam pouco ou nenhuma luz visível e ficariam ocultos sem uma exploração espectral completa. Tentando entender o universo só pela luz visível é como escutar a uma sinfonia e ouvir só os violoncelos. Só estudando imagens e dados de largo espectro podem os astrônomos apreciar a extensão total do universo.

Na década de trinta, Karl Jansky, um engenheiro da Bell Labs, deu o primeiro passo quando captou ondas de rádio vindas do espaço profundo usando uma antena simples. A tecnologia de radar desenvolvida eventualmente durante a segunda guerra mundial acabou conduzindo aos rádio-telescópios de hoje. Rádio-telescópios não “ouvem” nada. A missão deles é traçar de onde ondas de rádio estão vindo e assim os astrônomos podem aprender sobre as condições físicas dos corpos radiantes. O modo que os rádio-telescópios trabalha é semelhante aos telescópios  óticos. Eles têm grandes superfícies côncavas que refletem e concentram fótons de radiofreqüência  na direção de sensíveis detectores e amplificadores.  Pelo fato das ondas de rádio terem comprimentos de onda longos, elas não são boas para revelar estruturas pequenas. Para maximizar a resolução, são construídos rádio-telescópios com até 300 metros e mesmo assim a resolução ainda não é tão grande. A solução foi interligar vários rádio-telescópios distantes centenas de quilômetros e assim construir rádio-telescópios “virtuais” de tamanho continental. Com estas estruturas gigantescas é possível capturar detalhes que nenhum telescópio ótico jamais conseguiria.

Uma Bênção e uma Maldição

A atmosfera de Terra absorve quase toda radiação de alta-energia. Enquanto isto parece ruim para os astrônomos, é na realidade bom para nós os seres vivos, que sem a proteção da atmosfera, teríamos muitos problemas com a saúde.  A atmosfera bloqueia radiação além da luz violeta, enquanto permite que apenas um pouco de ultravioleta mova-se furtivamente por ela. Isto nos protege da luz ultravioleta prejudicial, dos Raio-X e de tempestades magnéticas solares. Muito do ultravioleta é bloqueado através do ozônio na alta estratosfera. Sem esta camada de ozônio, a vida na superfície da Terra correria grande perigo.

Com toda essa blindagem, como os astrônomos poderiam observar os tipos de luz que é absorvido pela atmosfera? Montar rádio-telescópios nos topos das montanhas seria uma ajuda, mas, ainda assim não resolveria o problema. O único recurso é entrar no espaço. Os astrônomos tiveram que esperar até a era espacial antes que pudessem expandir os limites da rádio-astronomia para as ondas de comprimentos menores do espectro eletromagnético Seguindo umas séries de experiências com foguetes nos anos sessenta, Uhuru, o Einstein Observatory, ROSAT (Satélite  Röntgen), e agora o Chandra, Observatório de Raios-X, todos para explorar as emissões de Raios-X vindas do espaço profundo. Astrônomos usaram estes satélites para traçar gás quente em agrupamento de galáxias, explorar a natureza nuvens provenientes de explosões de estrelas, e examinar o impacto do vento solar nos cometas.

O Observatório de Raio-Gama Compton que foi desativado junho passado, e outros satélites de Raio-Gama exploraram a parte de alta-energia do espectro. Eles eram atingidos aproximadamente uma vez por dia com Raios-Gama misteriosos estourando do espaço profundo.

O Explorer Ultravioleta Internacional (IUE) foi lançado em 1976. Projetado para trabalhar durante três anos, foi recentemente desativado depois de, pasmem!… 20 anos de serviço, uma verdadeira obra prima da engenharia. IUE e outros satélites ultravioletas revelaram agrupamentos de estrelas quentes, recém-nascidas em galáxias distantes, entre outras coisas.  Enquanto algumas faixas do infravermelho atravessam a alta atmosfera, gás carbônico e vapor de água conseguem absorvê-los quase que completamente antes que atinjam o chão. Astrônomos do infravermelho fazem qualquer coisa para limitar o vapor de água em cima das suas cabeças, desde colocar os telescópios em aviões até estabelecer observatórios na resfriada solidão do pólo de Sul que é um dos lugares mais secos da Terra.

Em 1983, o Satélite Astronômico Infravermelho (IRAS) mapeou o céu em quatro faixas infravermelhas. O IRAS colecionou tantas informações que o instituto dedicado ao satélite até hoje trabalha, junto ao Instituto de Tecnologia da Califórnia, no estudo das informações obtidas. O Observatório Espacial Infravermelho (o ISO) seguiu as mesmas trilhas e no próximo ano  o (SIRTF) certamente estenderá o conhecimento dos astrônomos sobre o universo infravermelho.

Embora muitos comprimentos de onda de rádio possam alcançar a superfície de Terra, os astrônomos ainda lançam rádio-telescópio no espaço. O HALCA, um rádio-telescópio espacial japonês, trabalha sincronizado com rádio-telescópios no chão para formar um interferômetro gigantesco com duas vezes o tamanho da Terra.

O Hubble é o rei dos telescópios espaciais. É o único que tem capacidade para luz visível, mas, com 10 vezes mais resolução do que geralmente é alcançado da superfície de Terra. Hubble também pode observar bem no ultravioleta e infravermelho.

A Conexão Temperatura

Luz é produzida quando átomos liberam energia. No caso mais simples, os tipos de radiação eletromagnética que um corpo emite dependem de sua temperatura que é uma medida de sua energia interna. Medidas de tipos diferentes de ondas permitem os astrônomos determinar  a temperatura. Além disso, conforme o modo que radiação eletromagnética interage com o meio, os astrônomos podem determinar composições químicas, velocidades, e outras propriedades físicas dos objetos celestes.  Objetos frios como nuvens interestelares de gás e pó não têm bastante energia para radiar raio-x ou até mesmo luz visível. A barreira enorme que impede que vejamos o centro da Via Láctea consiste em pó grosso que a luz visível não pode penetrar. Conseqüentemente o pó bloqueia a luz das estrelas resfriando as nuvens a apenas alguns graus acima do zero absoluto. Tais regiões apesar do isolamento da luz, irradiam rádio e comprimentos de onda infravermelhos longos. Moléculas são formadas dentro destas nuvens onde o pó as protege contra a devastadora radiação estelar.

Rádio e ondas infravermelhas podem perfurar por pó interestelar, permitindo que os astrônomos sondem dentro das nuvens escuras e vejam claramente por nossa galáxia. Até que os astrônomos examinassem as nuvens escuras com rádio-telescópios sensíveis nos anos 60, não havia quase nenhuma informação sobre a variedade enorme de moléculas que existem no espaço, e faltava conhecimento sobre os objetos mais volumosos da galáxia:  nuvens moleculares gigantescas. As baixas temperaturas permitem  que o gás contraia-se gravitacionalmente para formar estrelas, assim sem rádio-astronomia infravermelha, não teríamos descoberto com nascem as estrelas.

Quando a temperatura de um corpo aumenta, ele passa a irradiar  energia mais forte.  Algumas centenas de graus acima de zero absoluto e o objeto passa a irradiar fortemente o infravermelho. Por isso é que uma máquina fotográfica infravermelha pode tirar sua foto às escuras. Astrônomos usam luz infravermelha para estudar as fases avançadas da formação de uma estrela e o material quente ejetado por estrelas colapsantes.

Na faixa de alguns milhares de graus C, um corpo produz luz visível e até mesmo alguma luz ultravioleta (além de infravermelho e rádio). As temperaturas de superfície da maioria das estrelas mantêm-se entre 2000° C e 50.000° C, é como os filamentos aquecidos das lâmpadas incandescentes, emissores poderosos de luz visível. Estrelas frescas radiam a maioria da energia dentro do infravermelho. Estrelas quentes radiam principalmente dentro o ultravioleta, assim sem o exame destas faixas espectrais, astrônomos perderiam muita informação importante.

Agora impulsione a temperatura para a faixa dos milhões de graus C. Reações termonucleares no centro do Sol, a 15 milhões de graus C, produz grande quantidade de raios-gama que são atenuados em energia pela passagem pelas camadas externas mais frescas do Sol. O que começa como um único fóton de raio-gama no núcleo do sol emerge a superfície como milhares de fótons de luz visível. Nosso sol se parece relativamente inativo quando visto em luz visível. Mas um exame em raios-X revela formações espetaculares de gás aquecidos a milhões de graus. Sem este conhecimento, astrônomos não poderiam entender a atividade solar, o vento solar, e os efeitos deles na Terra. Abaixo imagem de Raios-X do Sol.

Raios-X e raios-gama são emitidos por estrelas colapsadas. São produzidos raios-X a partir de  gás em altíssima temperatura que estão dentro de agrupamentos de galáxias e também por matéria que entra em buracos negros. Raios-gama estouram diante de estrelas gigantes em colapso ou a partir de uma colisão entre  estrelas de nêutrons em galáxias distantes.

Nosso século viu o espectro eletromagnético inteiro abrindo-se para a Ciência. Com novos detectores, satélites, e planos para exploração futura, o estudo dos objetos astronômicos desvendarão ainda muitos segredos a um passo já acelerado, enquanto trará uma compreensão mais completa de nosso universo.

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