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21.E: O nascimento de estrelas e a descoberta de planetas fora do sistema solar (exercícios)

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    Para uma exploração mais aprofundada

    Artigos

    Formação de estrelas

    Blaes, O. “Um universo de discos”. Scientific American (outubro de 2004): 48. Em discos de acreção e jatos ao redor de estrelas jovens e buracos negros.

    Croswell, K. “O cinturão de poeira ao lado [Tau Ceti]”. Scientific American (janeiro de 2015): 24. Breve introdução às observações recentes de planetas e um amplo cinturão de poeira.

    Frank, A. “Starmaker: A nova história do nascimento estelar”. Astronomia (julho de 1996): 52.

    Jayawardhana, R. “Espionando viveiros estelares”. Astronomia (novembro de 1998): 62. Em discos protoplanetários.

    O'Dell, C. R. “Explorando a Nebulosa de Orion”. Sky & Telescope (dezembro de 1994): 20. Boa crítica com os resultados do Hubble.

    Ray, T. “Fontes da juventude: primeiros dias na vida de uma estrela”. Scientific American (agosto de 2000): 42. Sobre as saídas de estrelas jovens.

    Young, E. “Nublado com uma chance de estrelas”. Scientific American (fevereiro de 2010): 34. Sobre como as nuvens de matéria interestelar se transformam em sistemas estelares.

    Young, Monica “Fazendo Estrelas Massivas”. Sky & Telescope (outubro de 2015): 24. Modelos e observações sobre como as estrelas mais massivas se formam.

    Exoplanetas

    Billings, L. “Em busca de Júpiters alienígenas”. Scientific American (agosto de 2015): 40—47. A corrida para imaginar planetas jovianos com instrumentos atuais e por que uma imagem direta de um planeta terrestre ainda está no futuro.

    Heller, R. “Melhor que a Terra”. Scientific American (janeiro de 2015): 32—39. Que tipos de planetas podem ser habitáveis; Super-Terras e luas planetárias jovianas também devem ser consideradas.

    Laughlin, G. “Como os mundos saem do controle”. Sky & Telescope (maio de 2013): 26. Sobre como os planetas podem migrar dos lugares em que se formam em um sistema estelar.

    Marcy, G. “A nova busca por planetas distantes”. Astronomia (outubro de 2006): 30. Uma breve visão geral. (A mesma edição tem um dramático atlas visual desdobrável de planetas extrassolares daquela época.)

    Redd, N. “Por que não encontramos outra terra?” Astronomia (fevereiro de 2016): 25. Procurando planetas terrestres na zona habitável com evidências de vida.

    Seager, S. “Exoplanetas em todo lugar”. Sky & Telescope (agosto de 2013): 18. Uma excelente discussão sobre algumas das perguntas mais frequentes sobre a natureza e o arranjo dos planetas existentes.

    Seager, S. “A Caça às Super-Terras”. Sky & Telescope (outubro de 2010): 30. A busca por planetas com até 10 vezes a massa da Terra e o que eles podem nos ensinar.

    Villard, R. “Caçando planetas parecidos com a Terra”. Astronomia (abril de 2011): 28. Como esperamos encontrar e caracterizar a super-Terra (planetas um pouco maiores que os nossos) usando novos instrumentos e técnicas que poderiam nos mostrar do que suas atmosferas são feitas.

    Websites

    Exploração de exoplanetas: http://planetquest.jpl.nasa.gov/. O PlanetQuest (do Programa Navigator do Jet Propulsion Lab) é provavelmente o melhor site para estudantes e iniciantes, com materiais introdutórios e belas ilustrações; ele se concentra principalmente no trabalho e nas missões da NASA.

    Exoplanetas: www.planetary.org/exoplanets/. Páginas de exoplanetas da Sociedade Planetária com um catálogo dinâmico de planetas encontrados e boas explicações.

    Exoplanetas: a busca por planetas além do nosso sistema solar: http://www.iop.org/publications/iop/...age_42551.html. Do Instituto Britânico de Física em 2010.

    Enciclopédia de planetas extrassolares: http://exoplanet.eu/. Mantido por Jean Schneider, do Observatório de Paris, tem o maior catálogo de descobertas de planetas e material de fundo útil (alguns deles mais técnicos).

    Formação de estrelas: https://www.spacetelescope.org/scien...tion_of_stars/. Página de formação estelar do Telescópio Espacial Hubble, com links para imagens e informações.

    Missão Kepler: kepler.nasa.gov/. O site público do notável telescópio no espaço que está pesquisando planetas usando a técnica de trânsito é nossa melhor esperança para encontrar planetas semelhantes à Terra.

    Descoberta do planeta Proxima Centauri: http://www.eso.org/public/news/eso1629/.

    Aplicativos

    Exoplaneta: itunes.apple.com/us/app/exopl... 327702034? mt=8. Permite que você navegue por um catálogo visual atualizado regularmente de exoplanetas encontrados até agora.

    Viagem aos exoplanetas: itunes.apple.com/us/app/journ... 463532472? mt=8. Produzido pela equipe da Scientific American, com contribuições de cientistas e artistas espaciais; fornece informações básicas e passeios visuais dos sistemas estelares mais próximos com planetas.

    Vídeos

    Nasce uma estrela: www.discovery.com/tv-shows/ot... -nasce uma estrela/. Vídeo do Discovery Channel com a astrônoma Michelle Thaller (2:25).

    Estamos sozinhos: um diálogo noturno com os líderes da missão Kepler: http://www.youtube.com/watch?v=O7ItAXfl0Lw. Um painel de discussão não técnico sobre os resultados e ideias do Kepler sobre a formação de planetas com Bill Borucki, Natalie Batalha e Gibor Basri (moderado por Andrew Fraknoi) na Universidade da Califórnia, Berkeley (2:07:01).

    Encontrando a próxima terra: os últimos resultados do Kepler: https://www.youtube.com/watch?v=ZbijeR_AALo. Natalie Batalha (San Jose State University e NASA Ames) palestra pública na Série de Palestras de Astronomia do Vale do Silício (1:28:38).

    De Júpiters quentes a mundos habitáveis: vimeo.com/37696087 (Parte 1) e vimeo.com/37700700 (Parte 2). Palestra pública de Debra Fischer (Universidade de Yale) no Havaí patrocinada pelo Observatório Keck (15:20 Parte 1, 21:32 Parte 2).

    Pesquise exoplanetas habitáveis: http://www.youtube.com/watch?v=RLWb_T9yaDU. Palestra pública de Sara Seeger (MIT) no Instituto SETI, com resultados do Kepler (1:10:35).

    Vistas planetárias estranhas: http://www.youtube.com/watch?v=_8ww9eLRSCg. Palestra pública de Josh Carter (CfA) no Centro de Astrofísica de Harvard com uma introdução amigável aos exoplanetas para não especialistas (46:35).

    Atividades colaborativas em grupo

    1. Seu grupo é um subcomitê de cientistas que examina se algum dos “Júpiters quentes” (planetas gigantes mais próximos de suas estrelas do que Mercúrio está do Sol) poderia ter vida sobre ou perto deles. Você pode encontrar lugares em, dentro ou perto desses planetas onde a vida possa se desenvolver ou onde algumas formas de vida possam sobreviver?
    2. Um casal rico (que é ex-aluno de sua faculdade ou universidade e adora bebês) deixa o programa de astronomia com vários milhões de dólares em seu testamento, para gastar da melhor maneira possível em busca de “estrelas infantis em nossa seção da Galáxia”. Seu grupo recebeu a tarefa de aconselhar o reitor sobre a melhor forma de gastar o dinheiro. Que tipo de instrumentos e programas de busca você recomendaria e por quê?
    3. Algumas pessoas consideram a descoberta de qualquer planeta (até mesmo Júpiter quente) ao redor de outras estrelas um dos eventos mais importantes na história da pesquisa astronômica. Alguns astrônomos ficaram surpresos com o fato de o público não estar mais empolgado com as descobertas do planeta. Uma razão sugerida para essa falta de surpresa e empolgação do público é que as histórias de ficção científica há muito nos prepararam para a existência de planetas ao redor de outras estrelas. (A Starship Enterprise da série de TV Star Trek dos anos 1960 encontrou algumas em quase todos os episódios semanais.) O que seu grupo acha? Você sabia sobre a descoberta de planetas ao redor de outras estrelas antes de fazer este curso? Você considera isso excitante? Você ficou surpreso ao ouvir sobre isso? Você acha que filmes e livros de ficção científica são ferramentas boas ou ruins para o ensino de astronomia em geral?
    4. E se futuros instrumentos espaciais revelarem um exoplaneta semelhante à Terra com quantidades significativas de oxigênio e metano em sua atmosfera? Suponha que o planeta e sua estrela estejam a 50 anos-luz de distância. O que seu grupo sugere que os astrônomos façam a seguir? Quanto esforço e dinheiro você recomendaria para descobrir mais sobre este planeta e por quê?
    5. Discuta com seu grupo a seguinte pergunta: qual é mais fácil encontrar orbitando uma estrela com os instrumentos que temos hoje: um planeta joviano ou um disco proto-planetário? Faça uma lista de argumentos para cada lado dessa pergunta.
    6. (Essa atividade deve ser realizada quando seu grupo tiver acesso à Internet.) Acesse a página que indexa todas as imagens do Telescópio Espacial Hubble lançadas publicamente por assunto: http://hubblesite.org/newscenter/arc... /navegar/imagem/. Em “Estrela”, vá até “Disco Protoplanetário” e encontre um sistema — não mencionado neste capítulo — que seu grupo goste e prepare um breve relatório para a classe sobre por que você o acha interessante. Em seguida, em “Nebulosa”, vá para “Emissão” e encontre uma região de formação estelar não mencionada neste capítulo e prepare um breve relatório para a classe sobre o que você acha interessante sobre ela.
    7. Existe um site de “ciência cidadã” chamado Planet Hunters (http://www.planethunters.org/), onde você pode participar da identificação de exoplanetas a partir dos dados fornecidos pelo Kepler. Seu grupo deve acessar o site, trabalhar em conjunto para usá-lo e classificar duas curvas de luz. Relate à classe o que você fez.
    8. Yuri Milner, um bilionário russo-americano, prometeu recentemente 100 milhões de dólares para desenvolver a tecnologia para enviar muitas sondas miniaturizadas a uma estrela no sistema estelar triplo Alpha Centauri (que inclui a Proxima Centauri, a estrela mais próxima de nós, agora conhecida por ter pelo menos um planeta). Cada pequena sonda será impulsionada por lasers poderosos a 20% da velocidade da luz, na esperança de que uma ou mais possam chegar com segurança e enviar informações sobre como é lá. Seu grupo deve pesquisar on-line por mais informações sobre esse projeto (chamado “Breakthrough: Starshot”) e discutir suas reações a esse projeto. Dê motivos específicos para seus argumentos.

    Perguntas de revisão

    1. Dê várias razões pelas quais a nuvem molecular de Orion é um “laboratório” tão útil para estudar os estágios da formação estelar.
    2. Por que a formação de estrelas tem maior probabilidade de ocorrer em nuvens moleculares frias do que em regiões onde a temperatura do meio interestelar é de várias centenas de milhares de graus?
    3. Por que aprendemos muito sobre a formação de estrelas desde a invenção dos detectores sensíveis à radiação infravermelha?
    4. Descreva o que acontece quando uma estrela se forma. Comece com um núcleo denso de material em uma nuvem molecular e trace a evolução até o momento em que a estrela recém-formada atinge a sequência principal.
    5. Descreva como o estágio da estrela T Tauri na vida de uma estrela de baixa massa pode levar à formação de um objeto Herbig-Haro (H-H).
    6. Veja os quatro estágios mostrados na Figura\(21.1.7\) na Seção 21.1. Em que estágio (s) podemos ver a estrela na luz visível? Na radiação infravermelha?
    7. A trilha evolutiva de uma estrela de 1 massa solar permanece quase vertical no diagrama H-R por um tempo (veja a Figura\(21.2.1\) na Seção 21.2). Como sua luminosidade está mudando durante esse período? Sua temperatura? Seu raio?
    8. Duas protoestrelas, uma 10 vezes a massa do Sol e metade da massa do Sol, nascem ao mesmo tempo em uma nuvem molecular. Qual deles será o primeiro a alcançar o estágio da sequência principal, onde é estável e recebe energia da fusão?
    9. Compare a escala (tamanho) de um disco empoeirado típico em torno de uma estrela em formação com a escala do nosso sistema solar.
    10. Por que é tão difícil ver planetas ao redor de outras estrelas e tão fácil vê-los ao redor das nossas?
    11. Por que os astrônomos precisaram até 1995 para descobrir o primeiro exoplaneta orbitando outra estrela como o Sol?
    12. Quais tipos de planetas são mais facilmente detectados pelas medições do Doppler? Por trânsitos?
    13. Liste três maneiras pelas quais os exoplanetas que detectamos foram considerados diferentes dos planetas do nosso sistema solar.
    14. Liste todas as semelhanças entre exoplanetas descobertos e planetas em nosso sistema solar.
    15. Quais revisões da teoria da formação de planetas os astrônomos tiveram que fazer como resultado da descoberta de exoplanetas?
    16. Por que os jovens Júpiters são mais fáceis de ver com imagens diretas do que os antigos Júpiters?

    Perguntas de reflexão

    1. Uma amiga sua que não se saiu bem na aula de astronomia diz que acredita que todas as estrelas são antigas e que nenhuma poderia nascer hoje. Que argumentos você usaria para convencê-la de que estrelas estão nascendo em algum lugar da galáxia durante sua vida?
    2. Observações sugerem que são necessários mais de 3 milhões de anos para que a poeira comece a se dissipar das regiões internas dos discos ao redor das protoestrelas. Suponha que esse seja o tempo mínimo necessário para formar um planeta. Você esperaria encontrar um planeta em torno de uma\(M_{\text{Sun}}\) estrela 10? (Consulte a Figura\(21.2.1\) na Seção 21.2.)
    3. Suponha que você queira observar um planeta ao redor de outra estrela com imagens diretas. Você tentaria observar na luz visível ou no infravermelho? Por quê? Seria mais fácil ver o planeta se estivesse a 1 UA ou 5 UA de sua estrela?
    4. Por que planetas gigantes próximos de suas estrelas foram os primeiros a serem descobertos? Por que a mesma técnica ainda não foi usada para descobrir planetas gigantes à distância de Saturno?
    5. Exoplanetas em órbitas excêntricas experimentam grandes oscilações de temperatura durante suas órbitas. Suponha que você tivesse que planejar uma missão em um planeta assim. Com base na segunda lei de Kepler, o planeta passa mais tempo mais perto ou mais longe da estrela? Explique.

    Descobrindo por si mesmo

    1. Quando os astrônomos descobriram os primeiros planetas gigantes com órbitas de apenas alguns dias, eles não sabiam se esses planetas eram gasosos e líquidos como Júpiter ou rochosos como Mercúrio. As observações da HD 209458 resolveram essa questão porque as observações do trânsito da estrela por esse planeta possibilitaram determinar o raio do planeta. Use os dados fornecidos no texto para estimar a densidade desse planeta e, em seguida, use essas informações para explicar por que ele deve ser um gigante gasoso.
    2. Um sistema exoplanetário tem dois planetas conhecidos. O Planeta X orbita em 290 dias e o Planeta Y orbita em 145 dias. Qual planeta está mais próximo de sua estrela hospedeira? Se a estrela tem a mesma massa do Sol, qual é o semi-eixo maior das órbitas dos planetas X e Y?
    3. A terceira lei de Kepler diz que o período orbital (em anos) é proporcional à raiz quadrada do cubo da distância média (em AU) do Sol (\(P \propto a^{1.5}\)). Para distâncias médias de 0,1 a 32 UA, calcule e desenhe uma curva mostrando o período kepleriano esperado. Para cada planeta em nosso sistema solar, pesquise a distância média do Sol em AU e o período orbital em anos e sobreponha esses dados na curva teórica de Kepleriana.
    4. Calcule a profundidade de trânsito de uma estrela anã M que é 0,3 vezes o raio do Sol com um planeta gigante gasoso do tamanho de Júpiter.
    5. Se uma profundidade de trânsito de 0,00001 puder ser detectada com a espaçonave Kepler, qual é o menor planeta que poderia ser detectado em torno de uma estrela anã de 0,3\(R_{\text{sun}}\) M?
    6. Que fração dos planetas gigantes gasosos parece ter raios inflados?