YouTube

Artigos Recentes

Por que o céu à noite é escuro?



           Essa pergunta pode parecer estranha e muitos já devem estar perguntando se eu fiquei louco. Ora, a resposta óbvia seria: "À noite, a nossa estrela, o Sol, está iluminando uma parte do nosso planeta, deixando a outra parte sem a claridade do dia". Essa é a resposta popular mais óbvia para a  pergunta. Porém, essa pergunta supostamente ingênua atormentou a Astronomia por décadas e décadas seguidas, e até hoje não existem conclusões realmente inquestionáveis como resposta para resolver toda a escuridão do nosso céu e meio espacial.

           À noite, vemos apenas um bocado de pontos brilhantes (estrelas distantes e planetas) e a nossa Lua iluminando o céu, com a maior parte ficando na escuridão. Mas, fique abismado em saber, que o nosso céu deveria ser tão claro de noite e de dia quanto a superfície do Sol, considerando a quantidade de galáxias e estrelas no nosso Universo! E esse estranho conflito entre expectativa e realidade recebe o nome de Paradoxo de Olbers. Achar a explicação para esclarecer esse paradoxo foi desafiador e, ao mesmo tempo, serviu para, possivelmente, comprovar duas das afirmações teóricas mais aceitas pelos astrônomos modernos, especialmente depois dos trabalhos feitos pelo telescópio Hubble. Vamos entender, então, essa fascinante questão.

- Continua após o anúncio -



       COMEÇANDO PELO BÁSICO
      
             Para termos a dimensão e lógica do Paradoxo de Olbers, precisamos entender primeiro porque o nosso céu durante o dia é azul na maior parte do tempo e completamente iluminado. Bem, quando a luz vinda do Sol atinge nossa atmosfera, ela acerta as moléculas dos gases ali presentes, fazendo com que a luz seja espalhada para todas as direções, principalmente na faixa do azul (dependendo do horário e ângulo de incidência da luz na atmosfera), devido aos efeitos de absorção de faixas do espectro luminoso (1) (2). Com isso, vemos todo o céu e ambiente ao redor iluminado.

           Mas olha que interessante. Se o nosso planeta não tivesse atmosfera, mesmo durante o dia, com o Sol na nossa frente mandando a luz, veríamos o céu escuro como a noite, independentemente se a superfície terrestre estivesse sendo iluminada! Você veria a esfera do Sol no céu, como aquela que você vê todos os dias, e o resto escuro como a noite, assim como vemos a Lua iluminada à noite e o céu ao redor bem escuro. Ficou confuso? Nesse caso, lembre-se que a luz é composta por fótons (partículas-ondas) que viajam de forma retilínea no vácuo. Se elas atingem o nosso planeta sem passar por nenhum meio (no caso, ignorando nossa atmosfera cheia de gases), as mesmas chegam aos nossos olhos somente daquele ponto onde a nossa estrela está. Se olhássemos para qualquer outra direção fora do raio circular do Sol, veríamos o céu escuro como a noite, com apenas um tanto de pontos luminosos de estrelas distantes, galáxias e planetas do Sistema Solar! 

Sem a atmosfera, era para ser escuro como o céu noturno em volta do raio luminoso do Sol, não azulado e claro

           Entendeu agora? A atmosfera pega os feixes retilíneos de luz vindo do Sol e espalha ele por todo o céu, pintando todo este de luminosidade durante o dia. Não importa para onde você olha, sempre vai chegar radiação aos seus olhos. Nossa superfície, contudo, estaria sendo iluminada normalmente com ou sem atmosfera. E essa curiosidade pode ser comprovado de forma prática, sem precisarmos criar a hipótese de uma Terra sem atmosfera. Durante a aterrissagem da Apollo na Lua, os astronautas puderam comprovar que tanto durante o dia quanto durante a noite o céu lunar é escuro, independentemente da presença do Sol! A Lua não possui atmosfera e, portanto, ocorre lá exatamente o que foi descrito no parágrafo acima.

            Contudo, podemos ver aqui da Terra que a sua face voltada para o Sol fica toda iluminada, porque pela distância conseguimos captar toda a área de incidência da luz. Na superfície da Lua, por outro lado, um astronauta veria a radiação vinda do Sol apenas se ficasse na direção do mesmo. Se ele virasse as costas para nossa estrela e olhasse o céu lunar, veria a típica escuridão da noite. Em outro exemplo, é só você imaginar que está segurando uma lanterna à noite e acendesse ela em direção ao seu rosto. Enquanto você estiver olhando para o facho de luz, você verá luminosidade abundante, mas se você virar seus olhos para a direção do céu, continuará vendo ele escuro, independentemente se existe uma super lanterna na sua frente. E, para finalizar, outro exemplo prático é a visão do Sol pelos astronautas em estações espaciais, como mostrado na figura abaixo.

À direita, podemos ver um dia ensolarado na Lua capturado durante a missão da Apollo 14, onde fica claro que o céu ao redor é bem escuro; na imagem ao lado, uma visão da Estação Internacional Espacial acima da atmosfera terrestre, onde também podemos ver a escuridão ao redor, mesmo com o Sol bem na frente.

         Nesse ponto, o que ficou claro agora é que o Sol não tem nada a ver com o fato do nosso céu ser escuro à noite. Sem a nossa atmosfera, ele seria escuro tanto de dia quanto à noite. Bem, mas aqui estamos apenas no começo da nossa viagem para entendermos o Paradoxo de Oberns. A pergunta ainda continua: "Por que o céu fica escuro à noite, com ou sem atmosfera, e durante o dia, caso não exista atmosfera?" Melhor, vamos ir além: "Por que quando você está em qualquer ponto isolado do Universo, a escuridão é a que impera ao seu redor?"

- Continua após o anúncio -



    PARADOXO DE OLBERS

              Entramos no paradoxo. Nos primeiros questionamentos sobre o problema, era considerado que o Universo era infinito em idade e espaço e, também, infinito em estrelas que estariam disponíveis para preencher todo o nosso céu de luminosidade caso houvesse um espalhamento uniforme dos corpos luminosos pelo Cosmo (importante lembrar que antes, no século 19, não se sabia que existia outras galáxias além da nossa).  Quem fez abertamente esse questionamento nessa época, no ano de 1826, foi Heinrich Olbers, um astrônomo alemão, este o qual acabou dando origem ao nome do paradoxo, apesar dele não ser o primeiro na História a levantar dúvida similar.

           De qualquer forma, na prática, todos veem o céu do nosso planeta escuro à noite, eternamente escuro no céu da Lua e escuro em grande parte quando olhamos para o background cosmológico de uma estação espacial. Nada mais justo do que chamar a pergunta de Olbers de um ´paradoxo´. Décadas depois, a ideia de um Universo com espaço geométrico plano e infinito mas com matéria finita entrou em cena e, portanto, o número de estrelas e galáxias passou a ser considerado finito, algo mantido como verdade teórica até hoje. Porém, de acordo com os cálculos dos astrônomos, a quantidade de galáxias e estrelas no nosso Universo ainda é grande suficiente para cobrir o nosso céu de completa luminosidade, tão intensa quanto uma verdadeira superfície solar de luz, dia e noite. De fato, a superfície do nosso planeta deveria ser tão quente quanto o nosso Sol em ambos os casos, devido à imensa quantidade de fótons sendo arremessados de todas as direções! Mas, mais uma vez, sabemos que isso não é verdade, porque, além das nossas noites serem escuras, a temperatura do nosso planeta é bem agradável. O que diabos está acontecendo?



              Bem, então vamos agora listar os cinco pontos cruciais que vem sendo acumulados como explicação desde o século 19 para explicar esse mistério:

1. Existiria muita poeira estelar para vermos as estrelas mais distantes.

Essa primeira explicação foi mostrada errada bem rapidamente. Para a quantidade de poeira estelar (complexo de pequenas partículas - 1% - e gases - 99%) no Universo ser suficiente para tampar a luminosidade de grande parte das estrelas dentro das galáxias, nosso próprio Sol seria obstruído por ela dentro do nosso Sistema Solar, algo que não ocorre. Além disso, essa poeira estaria sendo aquecida tão intensamente por toda essa luminosidade tapada que ela eventualmente passaria a irradiar luz como se fossem estrelas, mandando luminosidade de corpo negro (2) para nós ao invés de bloqueá-la.

2. Nosso Universo possui apenas um número finito de estrelas.

Como já foi mencionado, essa é a teoria mais aceita hoje, ou seja, um Universo com um finito número de galáxias e tempo de existência. Assim, apesar dessa justificativa encontrar sólidas bases na ciência moderna, esse número finito de estrelas, calculado hoje pelos astrônomos, é ainda suficiente para iluminar todo o nosso céu permanentemente. Além disso, para o propósito de cobrir os céus, o número de estrelas no nosso Universo é suficiente para ser considerado "infinito". Isso sem contar que um recente estudo (3) mostrou que o número de galáxias é quase 10 vezes o estimado anteriormente (antes, cerca de 200 bilhões, agora, próximo de 2 trilhões), aumentando ainda mais as fontes luminosas.

3. A distribuição de estrelas não é uniforme no Universo. 

Ou seja, pode até existir um número prático infinito de estrelas, mas elas estariam tão mal distribuídas ao longo do Universo, que muitas podem estar ´escondidas´ atrás das outras, barrando vários ângulos de emissão dos fótons e fazendo com que uma quantidade de luz muito menor chegue até a gente. Embora isso possa ser verdade em alguma extensão, não existe ainda meios de provar isso, e essa hipótese não é muito aceita no meio científico.

4. O Universo está se expandindo.

Agora, sim, chegamos em uma teoria bem aceita e responsável, pelo menos em parte, pela escuridão do céu. Assim como eu discuti no artigo recomendado abaixo (4), a expansão do Universo é responsável por diminuir a frequência da luz sendo emitida pelas estrelas, em um processo chamado de ´redshift´. Quando mais distante a galáxia, mais a luz emitida por suas estrelas é desviada para frequências mais baixas. Nosso olho humano só consegue captar a radiação luminosa na faixa do visível, ou seja, entre cerca de 400 e 700 nanômetros de comprimento. Bem, quando menor a frequência da luz, maior o seu comprimento de onda. Portanto, grande parte da luz dessas estrelas muito, muito distantes já foram deslocadas para comprimentos muito grandes, que ultrapassam os 700 nanômetros, não sendo possível mais que nós percebamos elas.

5. O Universo é jovem.

Nesse sentido, estamos falando que o Universo possui uma idade finita, estimada em ser próxima de 15 bilhões de anos atrás (momento do Big Bang). Assim, somando com o fato da expansão do Universo, a luz de galáxias muito distantes ainda não nos alcançou porque a distância é grande demais mesmo para os fótons (os quais estão a 300 000 km/s). Portanto, objetos distantes datados acima de 13,7 bilhões, até o limite de 15 bilhões de anos de nós (aproximadamente), estão com a sua luz emitida ainda viajando ao nosso encontro, por estarem longe demais.

- Continua após o anúncio -



          Analisando essas supostas 5 soluções para o problema, é inegável que as duas últimas são as que guardam maior certeza de resposta, especialmente o fato do nosso Universo ter uma idade finita. Na verdade, elas com certeza são responsáveis por grande parte da escuridão na janela do Universo. No mesmo estudo mencionado anteriormente (3) (Ref.7), os pesquisadores também formularam uma explicação para o Paradoxo de Orbens que reafirma o efeito de redshift, a idade finita do Universo e, somando-se aos dois, a absorção por gases na poeira estelar (em maioria, hidrogênio, o qual, em átomos isolados ou moléculas, compõem cerca de 90% do gás, sendo o resto hélio), mas não do modo elaborado na primeira suposta explicação.

         Considerando o problema do deslocamento de radiação visível para comprimentos de ondas maiores e, portanto, invisíveis para os nossos olhos, teríamos ainda bastante radiação ultravioleta (UV) sendo deslocada para o visível! Ora, assim, continuaríamos tendo uma parte da radiação dessas estrelas na faixa do UV vindo na nossa direção, independentemente do redshift do espectro visível, pois teríamos um novo visível em menor quantidade (nosso Sol, por exemplo, emite pouco UV quando comparado com faixas no visível e infravermelho, como mostrado na figura abaixo). Porém, se esse UV produzido estivesse sendo absorvido por gás hidrogênio, ou átomos de hidrogênio, na poeira estelar dentro das galáxias, esses seriam excitados e emitiriam a radiação absorvida em comprimentos maiores, e estes, então, cairiam no redshift novamente, indo para comprimentos de onda além do vermelho! As partículas na poeira também poderiam estar ajudando no processo de absorção em menor intensidade. Raios gama e raios X também são emitidos pelas estrelas, mas em quantidades bem pequenas para fomentar o Paradoxo.


- Continua após o anúncio -



         Mas de todos esses, a idade finita do Universo, em conjunto com a contínua expansão do mesmo, é o fator principal para explicar o Paradoxo de Olbers. Assim, grande parte da luz no Universo simplesmente ainda não nos alcançou. Se o redshift tivesse uma participação tão importante ou maior para o processo, continuaríamos recebendo grande quantidade de radiação eletromagnética em faixas menos energéticas, ou seja, com menores frequências. Mesmo sendo menos energéticas, isso seria o suficiente para aquecer bastante o nosso planeta, e como nosso clima ainda é agradável, fica óbvio que o redshift não manda muito na parada. Em um estudo publicado pela Universidade de Ciências na Filadélfia este ano (Ref.6), houve uma recalculada no tamanho do nosso Universo visível, mostrando que esse possui 4,63x1010 anos-luz para todas as direções, tomando a Terra como ponto de partida. Assim, a luz de objetos além desse raio não foi capaz de nos alcançar ainda, por causa do fator ´limite de idade´, impondo um tempo máximo de deslocamento dos fótons pelo Universo. A escuridão do nosso seu, portanto, é uma boa prova do processo de expansão do Universo e finitude da sua existência.

           Portanto, quando o seu filho pequeno lhe perguntar a razão do céu ser tão escuro à noite, puxe uma cadeira e peça para ele ter paciência com a história...:)

(1) Todo objeto reflete, absorve e/ou emite radiação luminosa. Quando a luz branca do Sol, composta por todas as cores do visível, incide sobre um objeto verde, significa que ele absorveu certos comprimentos de onda e emitiu o restante da luz na cor verde. Em outras palavras, diversos fótons em diferentes frequências interagem com os elétrons dos átomos constituintes do objeto, com alguns sendo refletidos e outros absorvidos. Assim, a luz branca atinge os gases na nossa atmosfera, e esses, então, absorvem certas faixas e emitem o restante na cor azul. Na verdade, aquela faixa, ou comprimento de onda, absorvida será mandada de volta, porém, com um certo atraso e em outras frequências.

(2) Bem, o céu é azul em volta de você porque, como foi mencionado, a luz retilínea branca do Sol (composta de todas as cores) possui sua faixa no azul mais espalhada, fazendo com que ela chegue de todas as direções aos seus olhos e em maior quantidade. Quando você olha diretamente para o Sol, verá ele branco, porque a luz chegando a você estará sendo aquele retilínea que corresponde à mistura das cores, ou seja, o branco. Quando o Sol está nascendo, vemos o céu avermelhado porque a faixa do vermelho é pouco espalhada, fazendo que ela chegue do horizonte distante em boas quantidades aos nossos olhos. Como a luz está atravessando uma camada mais espessa da atmosfera nessa situação (ou seja, a luz solar está viajando uma maior distância) a luz azul é espalhada demais, chegando bem pouco dela para o observador no horizonte. A figura abaixo ilustra a ideia.


          É interessante notar que quanto menor o comprimento de onda da radiação visível, maior será o seu espalhamento e por isso o azul é espalhado bem mais que o vermelho, este o qual possui o menor comprimento de onda no visível. Mas, no espectro visível, o violeta é o que possui menor comprimento de onda e, sendo assim, não seria para vermos o céu nessa cor, ao invés do azul? Bem, a explicação para isso reúne mais de uma explicação. A primeira é que o violeta é muito absorvido nas camadas mais altas da atmosfera, chegando uma menor quantidade do que deveria para a troposfera. Segundo, o Sol emite menos na faixa do violeta do que no azul, como pode ser visto na figura do espectro da radiação solar acima e explicado no artigo destacado em (3). E, em terceiro, nossos olhos respondem mais à três principais cores, as quais nomeiam os cones visuais: vermelho, azul e verde. Portanto, o azul irá sensibilizar nossa retina muito mais do que o violeta.




Artigos Complementares e Recomendados:
  
REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/GR/olbers.html
  2. https://lambda.gsfc.nasa.gov/product/suborbit/POLAR/cmb.physics.wisc.edu/tutorial/olbers.html
  3. http://aether.lbl.gov/www/classes/p10/Olbers.html
  4. http://starchild.gsfc.nasa.gov/docs/StarChild/questions/question52.html
  5. http://carma.astro.umd.edu/AWE/deploy/OlbersParadox.html
  6. http://www.isaacpub.org/images/PaperPDF/AdAp_100039_2016082415503464981.pdf
  7. https://arxiv.org/pdf/1607.03909v2.pdf 
  8. http://www.nasa.gov/multimedia/imagegallery/image_feature_1853.html 
  9. http://math.ucr.edu/home/baez/physics/General/BlueSky/blue_sky.html
  10. http://spaceplace.nasa.gov/blue-sky/en/