2.1: O céu acima
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Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Defina as principais características da esfera celeste
- Explique o sistema que os astrônomos usam para descrever o céu
- Descreva como os movimentos das estrelas aparecem para nós na Terra
- Descreva como os movimentos do Sol, da Lua e dos planetas aparecem para nós na Terra
- Entenda o significado moderno do termo constelação
Nossos sentidos nos sugerem que a Terra é o centro do universo — o centro em torno do qual os céus giram. Essa visão geocêntrica (centrada na Terra) era o que quase todo mundo acreditava até o Renascimento europeu. Afinal, é simples, lógico e aparentemente evidente. Além disso, a perspectiva geocêntrica reforçou os sistemas filosóficos e religiosos que ensinavam o papel único dos seres humanos como foco central do cosmos. No entanto, a visão geocêntrica está errada. Um dos grandes temas da nossa história intelectual é a derrubada da perspectiva geocêntrica. Vamos, portanto, dar uma olhada nas etapas pelas quais reavaliamos o lugar do nosso mundo na ordem cósmica.
A esfera celestial
Se você for acampar ou morar longe das luzes da cidade, sua visão do céu em uma noite clara é praticamente idêntica à vista por pessoas de todo o mundo antes da invenção do telescópio. Olhando para cima, você tem a impressão de que o céu é uma grande cúpula oca com você no centro (Figura\(\PageIndex{1}\)), e todas as estrelas estão a mesma distância de você na superfície da cúpula. O topo dessa cúpula, o ponto diretamente acima de sua cabeça, é chamado de zênite, e onde a cúpula encontra a Terra é chamado de horizonte. Do mar ou de uma pradaria plana, é fácil ver o horizonte como um círculo ao seu redor, mas na maioria dos lugares onde as pessoas vivem hoje, o horizonte está pelo menos parcialmente escondido por montanhas, árvores, edifícios ou poluição.
Se você se deitar em um campo aberto e observar o céu noturno por horas, como faziam regularmente os antigos pastores e viajantes, você verá estrelas nascendo no horizonte leste (assim como o Sol e a Lua), se movendo pela cúpula do céu no decorrer da noite e se pondo no horizonte oeste. Observando o céu girar desta forma noite após noite, você pode eventualmente ter a ideia de que a cúpula do céu é realmente parte de uma grande esfera que está girando em torno de você, trazendo estrelas diferentes à medida que ela gira. Os primeiros gregos consideravam o céu exatamente como uma esfera celeste (Figura\(\PageIndex{2}\)). Alguns pensavam nela como uma esfera real de material cristalino transparente, com as estrelas embutidas nela como pequenas joias.
Hoje, sabemos que não é a esfera celeste que gira à medida que a noite e o dia avançam, mas sim o planeta em que vivemos. Podemos colocar um bastão imaginário nos pólos norte e sul da Terra, representando o eixo do nosso planeta. É porque a Terra gira nesse eixo a cada 24 horas que vemos o Sol, a Lua e as estrelas nascerem e se porem com regularidade mecânica. Hoje, sabemos que esses objetos celestes não estão realmente em uma cúpula, mas a distâncias muito variadas de nós no espaço. No entanto, às vezes ainda é conveniente falar sobre a cúpula ou esfera celestial para nos ajudar a rastrear objetos no céu. Existe até um teatro especial, chamado planetário, no qual projetamos uma simulação das estrelas e planetas em uma cúpula branca.
À medida que a esfera celeste gira, os objetos nela mantêm suas posições em relação uns aos outros. Um agrupamento de estrelas como a Ursa Maior tem a mesma forma durante a noite, embora gire com o céu. Durante uma única noite, até mesmo objetos que sabemos que têm movimentos significativos próprios, como os planetas próximos, parecem fixos em relação às estrelas. Somente meteoros — breves “estrelas cadentes” que aparecem por apenas alguns segundos — se movem consideravelmente em relação a outros objetos na esfera celeste. (Isso ocorre porque elas não são estrelas de jeito nenhum. Em vez disso, são pequenos pedaços de poeira cósmica que queimam quando atingem a atmosfera da Terra.) Podemos usar o fato de que toda a esfera celeste parece se unir para nos ajudar a configurar sistemas para rastrear o que as coisas são visíveis no céu e onde elas estão em um determinado momento.
Pólos celestes e equador celestial
Para ajudar a nos orientar no céu giratório, os astrônomos usam um sistema que estende os pontos do eixo da Terra até o céu. Imagine uma linha atravessando a Terra, conectando os pólos norte e sul. Este é o eixo da Terra, e a Terra gira em torno dessa linha. Se estendermos essa linha imaginária para fora da Terra, os pontos onde essa linha cruza a esfera celeste são chamados de pólo celeste norte e pólo celeste sul. À medida que a Terra gira em torno de seu eixo, o céu parece girar na direção oposta em torno desses pólos celestes (Figura\(\PageIndex{3}\)). Nós também (em nossa imaginação) jogamos o equador da Terra no céu e chamamos isso de equador celeste. Ele fica a meio caminho entre os pólos celestes, assim como o equador da Terra fica a meio caminho entre os pólos do nosso planeta.
Agora vamos imaginar como andar em diferentes partes de nossa Terra giratória afeta nossa visão do céu. O movimento aparente da esfera celeste depende da sua latitude (posição norte ou sul do equador). Em primeiro lugar, observe que o eixo da Terra está apontando para os pólos celestes, então esses dois pontos no céu não parecem girar.
Se você estivesse no Pólo Norte da Terra, por exemplo, veria o pólo norte celeste acima, no seu zênite. O equador celeste, a 90° dos pólos celestes, ficaria ao longo do seu horizonte. Enquanto você observava as estrelas durante a noite, todas elas circulavam ao redor do polo celestial, sem que nenhuma subisse nem se pusesse. Somente a metade do céu ao norte do equador celeste é visível para um observador no Pólo Norte. Da mesma forma, um observador no Pólo Sul veria apenas a metade sul do céu.
Se você estivesse no equador da Terra, por outro lado, você vê o equador celeste (que, afinal, é apenas uma “extensão” do equador da Terra) passar por cima do seu zênite. Os pólos celestes, situados a 90° do equador celeste, devem então estar nos pontos norte e sul do seu horizonte. À medida que o céu gira, todas as estrelas se erguem e se põem; elas se movem diretamente do lado leste do horizonte e se colocam diretamente no lado oeste. Durante um período de 24 horas, todas as estrelas estão acima do horizonte exatamente na metade do tempo. (É claro que, durante algumas dessas horas, o Sol brilha demais para que possamos vê-las.)
O que um observador nas latitudes dos Estados Unidos ou da Europa veria? Lembre-se de que não estamos nem no pólo da Terra nem no equador, mas entre eles. Para aqueles nos Estados Unidos continentais e na Europa, o pólo norte celeste não está acima nem no horizonte, mas no meio. Ele aparece acima do horizonte norte em uma altura angular, ou altitude, igual à latitude do observador. Em São Francisco, por exemplo, onde a latitude é 38° N, o pólo celeste norte está 38° acima do horizonte norte.
Para um observador a 38° N de latitude, o polo sul celeste está 38° abaixo do horizonte sul e, portanto, nunca é visível. À medida que a Terra gira, todo o céu parece girar em torno do pólo norte celeste. Para esse observador, estrelas dentro de 38° do Pólo Norte nunca podem se estabelecer. Eles estão sempre acima do horizonte, dia e noite. Essa parte do céu é chamada de zona circumpolar norte. Para observadores nos Estados Unidos continentais, a Ursa Maior, a Ursa Menor e a Cassiopeia são exemplos de grupos estelares na zona circumpolar norte. Por outro lado, estrelas dentro de 38° do polo sul celeste nunca se elevam. Essa parte do céu é a zona circumpolar sul. Para a maioria dos observadores dos EUA, o Cruzeiro do Sul está nessa zona. (Não se preocupe se você não estiver familiarizado com os grupos de estrelas que acabamos de mencionar; nós os apresentaremos mais formalmente mais tarde.)
O Rotating Sky Lab criado pela University of Nebraska—Lincoln fornece uma demonstração interativa que apresenta o sistema de coordenadas do horizonte, a rotação aparente do céu e permite a exploração da relação entre o horizonte e os sistemas de coordenadas equatoriais celestes.
Neste momento específico da história da Terra, acontece que existe uma estrela muito próxima do polo norte celeste. É chamada de Polaris, a estrela polar, e tem a distinção de ser a estrela que se move menos à medida que o céu do norte gira a cada dia. Por se mover tão pouco enquanto as outras estrelas se moviam muito mais, ela desempenhou um papel especial na mitologia de várias tribos nativas americanas, por exemplo (alguns a chamavam de “fixador do céu”).
QUAL É O SEU ÂNGULO?
Os astrônomos medem a distância entre os objetos que aparecem no céu usando ângulos. Por definição, há 360° em um círculo, então um círculo que se estende completamente ao redor da esfera celeste contém 360°. A meia-esfera ou cúpula do céu então contém 180° do horizonte ao horizonte oposto. Assim, se duas estrelas estão separadas por 18°, sua separação abrange cerca de 1/10 da cúpula do céu. Para dar uma ideia do tamanho de um grau, a Lua cheia tem cerca de meio grau de diâmetro. É aproximadamente a largura do seu dedo mais pequeno (mindinho) visto na altura do braço.
Nascimento e pôr do sol
Descrevemos o movimento das estrelas no céu noturno, mas e durante o dia? As estrelas continuam circulando durante o dia, mas o brilho do Sol as torna difíceis de ver. (No entanto, a lua geralmente pode ser vista à luz do dia.) Em qualquer dia, podemos pensar que o Sol está localizado em alguma posição na hipotética esfera celeste. Quando o Sol nasce, ou seja, quando a rotação da Terra carrega o Sol acima do horizonte, a luz solar é dispersa pelas moléculas da nossa atmosfera, enchendo nosso céu de luz e escondendo as estrelas acima do horizonte.
Por milhares de anos, os astrônomos estão cientes de que o Sol faz mais do que apenas nascer e se pôr. Ele muda de posição gradualmente na esfera celeste, movendo-se a cada dia cerca de 1° para o leste em relação às estrelas. Muito razoavelmente, os antigos achavam que isso significava que o Sol estava se movendo lentamente pela Terra, levando um período de tempo que chamamos de 1 ano para fazer um círculo completo. Hoje, é claro, sabemos que é a Terra que gira ao redor do Sol, mas o efeito é o mesmo: a posição do Sol em nosso céu muda dia a dia. Temos uma experiência semelhante quando andamos ao redor de uma fogueira à noite; vemos as chamas aparecerem na frente de cada pessoa sentada ao lado do fogo por sua vez.
O caminho que o Sol parece percorrer ao redor da esfera celeste a cada ano é chamado de eclíptica (Figura\(\PageIndex{4}\)). Por causa de seu movimento na eclíptica, o Sol nasce cerca de 4 minutos depois todos os dias em relação às estrelas. A Terra deve fazer apenas um pouco mais de uma rotação completa (em relação às estrelas) para trazer o Sol novamente.
À medida que os meses passam e olhamos para o Sol de diferentes lugares em nossa órbita, nós o vemos projetado contra diferentes lugares em nossa órbita e, portanto, contra diferentes estrelas ao fundo (Figura\(\PageIndex{5}\) e Tabela\(\PageIndex{1}\)) — ou o faríamos, pelo menos, se pudéssemos ver as estrelas durante o dia. Na prática, devemos deduzir quais estrelas estão atrás e além do Sol observando as estrelas visíveis na direção oposta à noite. Depois de um ano, quando a Terra completar uma viagem ao redor do Sol, o Sol parecerá ter completado um circuito do céu ao longo da eclíptica.
| Constelação na eclíptica | Datas em que o sol a cruza |
|---|---|
| Capricórnio | 21 de janeiro a 16 de fevereiro |
| Aquário | 16 de fevereiro a 11 de março |
| Peixes | 11 de março a 18 de abril |
| Áries | 18 de abril a 13 de maio |
| Touro | 13 de maio a 22 de junho |
| Gêmeos | 22 de junho a 21 de julho |
| Câncer | 21 de julho a 10 de agosto |
| Leo | 10 de agosto a 16 de setembro |
| Virgem | 16 de setembro a 31 de outubro |
| Libra | 31 de outubro a 23 de novembro |
| Escorpião | 23 de novembro a 29 de novembro |
| Ophiuchus | 29 de novembro a 18 de dezembro |
| Sagitário | 18 de dezembro a 21 de janeiro |
A eclíptica não se encontra ao longo do equador celeste, mas está inclinada em relação a ele em um ângulo de cerca de 23,5°. Em outras palavras, o caminho anual do Sol no céu não está ligado ao equador da Terra. Isso ocorre porque o eixo de rotação do nosso planeta está inclinado em cerca de 23,5° a partir de uma linha vertical saindo do plano da eclíptica (Figura\(\PageIndex{7}\)). Estar inclinado “diretamente para cima” não é nada incomum entre os corpos celestes; Urano e Plutão estão, na verdade, tão inclinados que orbitam o Sol “de lado”.
A inclinação da eclíptica é a razão pela qual o Sol se move para o norte e para o sul no céu à medida que as estações mudam. Na Terra, Lua e Céu, discutimos a progressão das estações com mais detalhes.
Estrelas fixas e errantes
O Sol não é o único objeto que se move entre as estrelas fixas. A Lua e cada um dos planetas visíveis a olho nu - Mercúrio, Vênus, Marte, Júpiter, Saturno e Urano (embora mal) - também mudam suas posições lentamente de dia para dia. Durante um único dia, a Lua e os planetas nascem e se põem à medida que a Terra gira, assim como o Sol e as estrelas. Mas, como o Sol, eles têm movimentos independentes entre as estrelas, sobrepostos à rotação diária da esfera celeste. Percebendo esses movimentos, os gregos de 2000 anos atrás distinguiram entre o que chamavam de estrelas fixas - aquelas que mantêm padrões fixos entre si por muitas gerações - e as estrelas errantes, ou planetas. A palavra “planeta”, na verdade, significa “andarilho” em grego antigo.
Hoje, não consideramos o Sol e a Lua como planetas, mas os antigos aplicaram o termo a todos os sete objetos em movimento no céu. Grande parte da astronomia antiga foi dedicada a observar e prever os movimentos desses andarilhos celestes. Eles até dedicaram uma unidade de tempo, a semana, aos sete objetos que se movem sozinhos; é por isso que há 7 dias em uma semana. A Lua, sendo a vizinha celestial mais próxima da Terra, tem o movimento aparente mais rápido; ela completa uma viagem ao redor do céu em cerca de 1 mês (ou mês). Para fazer isso, a Lua se move cerca de 12°, ou 24 vezes sua própria largura aparente no céu, a cada dia.
Exemplo\(\PageIndex{1}\): Ângulos no céu
Um círculo consiste em 360 graus (°). Quando medimos o ângulo no céu em que algo se move, podemos usar esta fórmula:
\[\text{speed}=\dfrac{\text{distance}}{\text{time}} \nonumber\]
Isso é verdade se o movimento for medido em quilômetros por hora ou graus por hora; precisamos apenas usar unidades consistentes.
Como exemplo, digamos que você observe a estrela brilhante Sirius ao sul do seu local de observação no hemisfério norte. Você nota a hora e, mais tarde, nota a hora em que Sirius se põe abaixo do horizonte. Você acha que Sirius percorreu uma distância angular de cerca de 75° em 5 h. Cerca de quantas horas serão necessárias para Sirius retornar à sua localização original?
Solução
A velocidade do Sirius é
\[\dfrac{75°}{5\,h}=\dfrac{15°}{1\,h} \nonumber\]
Se quisermos saber o tempo necessário para o Sirius retornar à sua localização original, precisamos esperar até que ele gire em torno de um círculo completo, ou 360°. Reorganizando a fórmula de velocidade que nos foi dada originalmente, encontramos:
\[\text{time}=\dfrac{\text{distance}}{\text{speed}} = \dfrac{360°}{15°/h}=24\,h \nonumber\]
O tempo real é alguns minutos menor do que isso, e exploraremos o porquê em um capítulo posterior.
Exercício\(\PageIndex{1}\)
A Lua se move no céu em relação às estrelas de fundo (além de se mover com as estrelas como resultado da rotação da Terra). Saia à noite e observe a posição da Lua em relação às estrelas próximas. Repita a observação algumas horas depois. Até onde a lua se moveu? (Para referência, o diâmetro da Lua é de cerca de 0,5°.) Com base em sua estimativa de movimento, quanto tempo a Lua levará para retornar à posição em relação às estrelas nas quais você a observou pela primeira vez?
- Responda
-
A velocidade da lua é de 0,5°/1 h. Para se mover em 360°, a lua precisa de 720 h: 0,5°1h=360°720h.0,5°1h=360°720h.
Dividir 720 h pelo fator de conversão de 24 h/dia revela que o ciclo lunar é de cerca de 30 dias.
Os caminhos individuais da Lua e dos planetas no céu estão todos próximos à eclíptica, embora não exatamente nela. Isso ocorre porque os caminhos dos planetas em torno do Sol e da Lua em torno da Terra estão todos quase no mesmo plano, como se fossem círculos em uma enorme folha de papel. Os planetas, o Sol e a Lua são, portanto, sempre encontrados no céu dentro de um estreito cinturão de 18 graus de largura, centrado na eclíptica, chamado zodíaco (Figura\(\PageIndex{5}\)). (A raiz do termo “zodíaco” é a mesma da palavra “zoológico” e significa uma coleção de animais; muitos dos padrões de estrelas dentro do cinturão do zodíaco lembravam os antigos de animais, como um peixe ou uma cabra.)
A forma como os planetas parecem se mover no céu com o passar dos meses é uma combinação de seus movimentos reais mais o movimento da Terra em torno do Sol; consequentemente, seus caminhos são um tanto complexos. Como veremos, essa complexidade fascinou e desafiou os astrônomos por séculos.
Constelações
O pano de fundo para os movimentos dos “andarilhos” no céu é a copa das estrelas. Se não houvesse nuvens no céu e estivéssemos em uma planície plana sem nada que obstruísse nossa visão, poderíamos ver cerca de 3000 estrelas a olho nu. Para contornar uma multidão tão grande, os antigos encontraram agrupamentos de estrelas que formavam algum padrão geométrico familiar ou (mais raramente) se assemelhavam a algo que conheciam. Cada civilização encontrou seus próprios padrões nas estrelas, muito parecido com um teste de Rorschach moderno, no qual você é solicitado a discernir padrões ou imagens em um conjunto de manchas de tinta. Os antigos chineses, egípcios e gregos, entre outros, encontraram seus próprios agrupamentos — ou constelações — de estrelas. Eles foram úteis para navegar entre as estrelas e transmitir sua história estelar para seus filhos.
Você pode estar familiarizado com alguns dos padrões de estrelas antigos que ainda usamos hoje, como a Ursa Maior, a Ursa Menor e Orion, o caçador, com seu distinto cinturão de três estrelas (Figura\(\PageIndex{7}\)). No entanto, muitas das estrelas que vemos não fazem parte de um padrão estelar distinto, e um telescópio revela milhões de estrelas muito fracas para serem vistas pelos olhos. Portanto, durante as primeiras décadas do século XX, astrônomos de muitos países decidiram estabelecer um sistema mais formal para organizar o céu.
Hoje, usamos o termo constelação para significar um dos 88 setores nos quais dividimos o céu, da mesma forma que os Estados Unidos estão divididos em 50 estados. Os limites modernos entre as constelações são linhas imaginárias no céu que correm de norte a sul e leste a oeste, de modo que cada ponto no céu cai em uma constelação específica, embora, como os estados, nem todas as constelações tenham o mesmo tamanho. Todas as constelações estão listadas no Apêndice L. Sempre que possível, chamamos cada constelação moderna com base nas traduções latinas de um dos antigos padrões estelares gregos que se encontram dentro dela. Assim, a constelação moderna de Orion é uma espécie de caixa no céu, que inclui, entre muitos outros objetos, as estrelas que compunham a imagem antiga do caçador. Algumas pessoas usam o termo asterismo para denotar um padrão estelar especialmente perceptível dentro de uma constelação (ou às vezes abrangendo partes de várias constelações). Por exemplo, a Ursa Maior é um asterismo dentro da constelação da Ursa Maior, a Ursa Maior.
Às vezes, os estudantes ficam confusos porque as constelações raramente se parecem com as pessoas ou animais pelos quais foram nomeados. Com toda a probabilidade, os próprios gregos não nomearam grupos de estrelas porque pareciam pessoas ou súditos reais (assim como o contorno do estado de Washington se assemelha a George Washington). Em vez disso, eles nomearam seções do céu em homenagem aos personagens de sua mitologia e, em seguida, adaptaram as configurações estelares aos animais e às pessoas da melhor maneira possível.
Este site sobre objetos no céu permite que os usuários construam um mapa detalhado do céu mostrando a localização e as informações sobre o Sol, a Lua, os planetas, as estrelas, as constelações e até mesmo os satélites que orbitam a Terra. Comece definindo seu local de observação usando a opção no menu no canto superior direito da tela.
A evidência direta de nossos sentidos apóia uma perspectiva geocêntrica, com a esfera celeste girando nos pólos celestes e girando em torno de uma Terra estacionária. Vemos apenas metade dessa esfera ao mesmo tempo, limitada pelo horizonte; o ponto diretamente acima é nosso zênite. O caminho anual do Sol na esfera celeste é a eclíptica — uma linha que atravessa o centro do zodíaco, que é a faixa do céu de 18 graus de largura dentro da qual sempre encontramos a Lua e os planetas. A esfera celeste está organizada em 88 constelações ou setores.
Glossário
- equador celeste
- um grande círculo na esfera celeste a 90° dos pólos celestes; onde a esfera celeste cruza o plano do equador da Terra
- pólos celestes
- pontos sobre os quais a esfera celeste parece girar; interseções da esfera celeste com o eixo polar da Terra
- esfera celeste
- a esfera aparente do céu; uma esfera de grande raio centrada no observador; as direções dos objetos no céu podem ser indicadas por sua posição na esfera celeste
- zona circumpolar
- aquelas porções da esfera celeste próximas aos pólos celestes que estão sempre acima ou sempre abaixo do horizonte
- eclíptica
- a aparente trajetória anual do Sol na esfera celeste
- geocêntrico
- centrado na Terra
- horizonte (astronômico)
- um grande círculo na esfera celeste a 90° do zênite; mais popularmente, o círculo ao nosso redor, onde a cúpula do céu encontra a Terra
- planeta
- hoje, qualquer um dos objetos maiores girando em torno do Sol ou qualquer objeto similar que orbita outras estrelas; nos tempos antigos, qualquer objeto que se movia regularmente entre as estrelas fixas
- zodíaco
- um cinturão ao redor do céu com cerca de 18° de largura centrado no zênite eclíptico, o ponto na esfera celeste oposta à direção da gravidade; ponto diretamente acima do ano observador, o período de revolução da Terra ao redor do Sol