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Por que o céu à noite é escuro?



           Essa pergunta pode parecer estranha - para não dizer maluca - à primeira vista. 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". De fato, sob certa perspectiva, essa resposta está correta. Porém, essa pergunta aparentemente ingênua atormentou a Astronomia por décadas e décadas seguidas, e é bem mais complexa do que aparenta ser.

           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 se não fosse por dois principais fatores teóricos associados à astronomia moderna (pós-século XX),  o nosso céu deveria ser tão claro de noite e de dia quanto a superfície do Sol! E esse estranho conflito entre expectativa e realidade recebeu o nome de Paradoxo de Olbers. Atualmente não há muitas dúvidas em relação à escuridão da noite, mas encontrar a explicação para esclarecer o aparente paradoxo foi desafiador e, ao mesmo tempo, serviu para, provavelmente, comprovar duas das afirmações teóricas mais aceitas pelos astrônomos modernos, especialmente depois dos trabalhos feitos pelo telescópio Hubble. Vamos entender, então, essa fascinante questão.

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       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), essas partículas chegariam 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 Olbers. 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?"

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    PARADOXO DE OLBERS

              Entramos no paradoxo. Nos primeiros debates 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 XIX, não se sabia que existia outras galáxias além da nossa). Então, como seria possível um céu escuro à noite com tanta luminosidade sendo emitida de todos os pontos e por um tempo infinito?  Quem fez abertamente tal 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.

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Paradoxo de Olbers: Em um Universo estático, homogêneo em grande escala e populado por um número infinito de estrelas, qualquer linha de visão da Terra deveria terminar na superfície de uma estrela, e, portanto, o céu noturno deveria ser completamente iluminado e brilhante.
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           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 caracterizar a pergunta de Olbers como paradoxal. Décadas depois, a ideia de um Universo com espaço geométrico plano e infinito - e um Universo visível finito - mas com matéria finita entrou em cena e, portanto, o número de estrelas e galáxias passou a ser considerado finito, algo que ainda persiste como sólida teoria. Porém, 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 então listar algumas propostas acumuladas desde o século XIX 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, uma consequência também da 1° Lei da Termodinâmica.


2. Nosso Universo possui apenas um número finito de estrelas, com luminosidade finita.

Como já foi mencionado, essa é a teoria mais aceita hoje, ou seja, um Universo com um finito número de galáxias, estrelas e tempo finito de existência dos corpos luminosos. Nesse último ponto, no início do século XX, em 1901, Lorde Kelvin propôs uma solução lúcida e sucinta com base nos conhecimentos de Astronomia da época: O tempo de vida das estrelas é muito curto para o céu parecer tão brilhante quanto o paradoxo de Olbers sugeriria.

Porém, esse número finito de estrelas - e de outras fontes luminosas (ex.: quasares) -, calculado hoje pelos astrônomos, é ainda plausível para iluminar todo o nosso céu permanentemente. Além disso, para o propósito de cobrir os céus, o número de estrelas no nosso Universo - e a quantidade de fótons no visível emitidas ao longo da existência desses corpos - é suficiente para ser considerado "infinito". Isso sem contar que um estudo de 2016 (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. Mas nesta proposta, temos uma pista inicial, especialmente considerando que as estrelas e outros corpos muito luminosos no Universo possuem um período de existência limitado.


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 robusta.


4. O Universo está se expandindo.

Agora, sim, chegamos em uma teoria bem estabelecida e responsável, pelo menos em parte (em torno de 40-50%), pela escuridão do céu. Como fator isolado contribuinte - mas não crucial -, a expansão do Universo - associada à Relatividade Geral - é responsável por diminuir a frequência da luz sendo emitida pelas estrelas, em um processo chamado de desvio para o vermelho (redshift) (4). 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 (ex.: microondas), não sendo possível mais que nós percebamos a radiação emitida. 


5. O Universo é jovem.

Aqui estamos falando que o Universo possui uma idade finita, estimada em ser próxima de 15 bilhões de anos (momento do Big Bang). Nesse sentido, a luz de galáxias muito distantes ainda não nos alcançou porque a distância até a Terra é grande demais mesmo para os fótons (os quais estão a 300000 km/s). Portanto, a radiação eletromagnética (incluindo luz visível) de objetos distantes acima de 13,7 bilhões de anos-luz, até aproximadamente o limite de 15 bilhões de anos-luz de nós, está ainda viajando ao nosso encontro. Isso é somado de forma importante ao fato de muitas galáxias distantes estarem se afastando continuamente com a expansão, dificultando ainda mais a chegada de luz - na verdade, boa parte da luminosidade do Universo nunca nos alcançará. 

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          Analisando essas cinco soluções propostas para o problema, é inegável que as duas últimas são essenciais para explicar o paradoxo, especialmente o fato do nosso Universo ter uma idade finita. No mesmo estudo mencionado anteriormente (3) (Ref.7), os pesquisadores também formularam uma explicação para o Paradoxo de Olbers 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 hipótese.

         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 de poeira podem estar ajudando em tímida parte a impedir fótons de luz visível de chegarem na Terra.


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          A idade finita do Universo, em conjunto com a sua contínua expansão, representam os principais fatores para explicar o Paradoxo de Olbers de forma mais consistente. Nesse sentido, grande parte da luz no Universo simplesmente ainda não nos alcançou. É válido mencionar que o redshift só explica uma pequena parte da escuridão aparente do nosso céu, e não a maior parte como frequentemente sugerido por artigos de divulgação científica. Se o redshift tivesse uma grande participação nesse 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 é o fator determinante. Somando-se a isso, como mencionado, frequências mas altas do espectro radiativo das estrelas (ultravioleta, raios-X e gama) iriam se deslocar para o visível, compensando parte da perda dessa faixa.

            Em um recente estudo publicado pela Universidade de Ciências na Filadélfia (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 céu, portanto, é uma boa prova do processo de expansão do Universo e finitude da sua existência, e corrobora um Universo dinâmico, como sugerido pelo modelo do Big Bang.

          Por fim, nesse caminho, a luz de estrelas não muito distantes e nem muito próximas, em escalas cosmológicas, quando atingem a superfície da Terra, podem não se somar à luz de outras estrelas mais próximas porque essas últimas já se apagaram.

           No final das contas, considerando os avanços da Astronomia e da Cosmologia modernas, temos cinco fatos científicos que em conjunto resolvem o Paradoxo de Olbers e explicam a enorme quantidade de regiões escuras no céu: 

I. Recebemos a luz de apenas uma quantidade finita de estrelas e/ou galáxias.

II. A velocidade da luz é finita.

III. Estrelas e galáxias têm vida luminosa finita no tempo.

IV. A idade do Universo é finita e relativamente jovem.

V. Galáxias distantes têm luminosidade deslocada para o vermelho, indicando afastamento de um Universo em expansão, o que por sua vez também contribui de forma importante para uma relativamente baixa densidade de estrelas e galáxias emitindo luz que efetivamente alcança a Terra.


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(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/
  11.  
  12. https://www.math.arizona.edu/~gabitov/teaching/201/math_485/Final_Reports/Dark_Sky_Final_Report.pdf
  13. Samuel Rocha de Oliveira, 2020. Por que o céu é escuro à noite? Considerações geométricas com um olhar histórico e pedagógico do paradoxo de Olbers. Revista Brasileira de Ensino de Física, vol.42, São Paulo. Link: Scielo