22.E: Estrelas da adolescência à velhice (exercício)

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Para uma exploração mais aprofundada

Artigos

Balick, B. e Frank, A. “As mortes extraordinárias das estrelas comuns”. Scientific American (julho de 2004): 50. Sobre as nebulosas planetárias, os últimos suspiros das estrelas de baixa massa e o futuro do nosso próprio Sol.

Djorgovsky, G. “As vidas dinâmicas dos aglomerados globulares”. Sky & Telescope (outubro de 1998): 38. Evolução de aglomerados e estrelas retardatárias azuis.

Frank, A. “Gigantes furiosos do universo”. Astronomia (outubro de 1997): 32. Em variáveis azuis luminosas, como Eta Carinae.

Garlick, M. “O destino da Terra”. Sky & Telescope (outubro de 2002): 30. O que acontecerá quando nosso Sol se tornar um gigante vermelho.

Harris, W. & Webb, J. “A vida dentro de um aglomerado globular”. Astronomia (julho de 2014): 18. Como seria o céu noturno lá?

Iben, I. e Tutokov, A. “As vidas das estrelas: do nascimento à morte e além”. Sky & Telescope (dezembro de 1997): 36.

Kaler, J. “As maiores estrelas da galáxia”. Astronomia (outubro de 1990): 30. Sobre supergigantes vermelhas.

Kalirai, J. “Uma nova luz sobre o destino do nosso sol”. Astronomia (fevereiro de 2014): 44. O que acontecerá com estrelas como o nosso Sol entre a sequência principal e os estágios da anã branca.

Kwok, S. “Qual é a forma real da nebulosa do anel?” Sky & Telescope (julho de 2000): 33. Ao ver as nebulosas planetárias de diferentes ângulos.

Kwok, S. “Metamorfose estelar”. Sky & Telescope (outubro de 1998): 30. Como se formam as nebulosas planetárias.

Stahler, S. “A vida interior dos enxames estelares”. Scientific American (março de 2013): 44—49. Como todas as estrelas nascem em aglomerados, mas diferentes aglomerados evoluem de forma diferente.

Subinsky, R. “Tudo sobre 47 Tucanae”. Astronomia (setembro de 2014): 66. O que sabemos sobre esse aglomerado globular e como vê-lo.

Websites

Página da BBC sobre estrelas gigantes: www.bbc.co.uk/science/space/u... ts/giant_stars. Inclui informações básicas e links para breves trechos de vídeos.

Artigo da Encylopedia Brittanica sobre Star Clusters: http://www.britannica.com/topic/star-cluster. Escrito pela astrônoma Helen Sawyer Hogg-Priestley.

Galeria de imagens do Hubble: Nebulosas planetárias: http://hubblesite.org/gallery/album/nebula/planetary/. Clique em cada imagem para ir para uma página com mais informações disponíveis. (Veja também uma galeria semelhante nos Observatórios Nacionais de Astronomia Óptica: www.noao.edu/image_gallery/p... y_nebulae.html).

Galeria de imagens do Hubble: Star Clusters: http://hubblesite.org/gallery/album/... /star_cluster/. Cada imagem vem com uma legenda explicativa quando você clica nela. (Veja também uma galeria similar do Observatório Europeu do Sul em: www.eso.org/public/images/ar... /clusters de estela/).

Medindo a idade de um enxame estelar: www.e-education.psu.edu/astr... ent/l7_p6.html. Da Penn State.

Vídeos

Ciclo de vida das estrelas: https://www.youtube.com/watch?v=PM9CQDlQI0A. Breve resumo da evolução estelar do Instituto de Física da Grã-Bretanha, com o astrônomo Tim O'Brien (4:58).

Missões Dê uma olhada incomparável na superestrela Eta Carinae: https://www.youtube.com/watch?v=0rJQi6oaZf0. Vídeo da NASA Goddard sobre observações em 2014 e o que sabemos sobre o par de estrelas nesse sistema complicado (4:00).

Aglomerados estelares: aglomerados abertos e globulares: https://www.youtube.com/watch?v=rGPRLxrYbYA. Três vídeos curtos do Hubblecast de 2007 a 2008 sobre descobertas envolvendo aglomerados de estrelas (12:24).

Passeio pela Nebulosa Planetária NGC 5189: https://www.youtube.com/watch?v=1D2cwiZld0o. Breve episódio do Hubblecast com Joe Liske, explicando as nebulosas planetárias em geral e um exemplo em particular (5:22).

Atividades colaborativas em grupo

Peça ao seu grupo que dê uma olhada na lista das estrelas mais brilhantes no céu no Apêndice J. Que fração delas passou da fase de evolução da sequência principal? O texto diz que as estrelas passam 90% de suas vidas na fase de evolução da sequência principal. Isso sugere que, se tivermos uma amostra justa (ou representativa) de estrelas, 90% delas devem ser estrelas da sequência principal. Seu grupo deve pensar em por que 90% das estrelas mais brilhantes não estão na fase de evolução da sequência principal.
Ler um diagrama H—R pode ser complicado. Suponha que seu grupo receba o diagrama H—R de um aglomerado estelar. As estrelas acima e à direita da sequência principal podem ser gigantes vermelhas que evoluíram para longe da sequência principal ou estrelas muito jovens que ainda estão evoluindo em direção à sequência principal. Discuta como você decidiria quais são.
No capítulo sobre Vida no Universo, discutimos alguns dos esforços em andamento para procurar sinais de rádio de possíveis civilizações inteligentes em torno de outras estrelas. Nossos recursos atuais para realizar essas pesquisas são muito limitados e há muitas estrelas em nossa galáxia. Seu grupo é um comitê criado pela União Astronômica Internacional para elaborar uma lista das melhores estrelas possíveis com as quais essa busca deve começar. Faça uma lista de critérios para escolher as estrelas na lista e explique as razões por trás de cada entrada (tendo em mente algumas das ideias sobre a história de vida das estrelas e as escalas de tempo que discutiremos no presente capítulo).
Peça ao seu grupo que faça uma lista das razões pelas quais uma estrela que se formou logo no início do universo (logo após o Big Bang) não poderia ter um planeta com estudantes de astronomia lendo livros didáticos de astronomia (mesmo que a estrela tenha a mesma massa do nosso Sol).
Como temos certeza de que quando o Sol se tornar uma estrela gigante, toda a vida na Terra será exterminada, seu grupo acha que devemos começar a fazer algum tipo de preparação? Suponhamos que um líder político que adormeceu durante grande parte de sua aula de astronomia ouça repentinamente sobre esse problema de um grande doador e nomeie seu grupo como força-tarefa para fazer sugestões sobre como se preparar para o fim da Terra. Faça uma lista de argumentos para explicar por que essa força-tarefa não é realmente necessária.
Use mapas estelares para identificar pelo menos um aglomerado aberto visível nesta época do ano. (Esses gráficos podem ser encontrados nas revistas Sky & Telescope e Astronomy todos os meses e em seus sites; veja o Apêndice B.) As Plêiades e Hyades são bons temas de outono, e Praesepe é boa para ver a primavera. Saia e veja esses grupos com binóculos e descreva o que você vê.
Muitos astrônomos pensam que as nebulosas planetárias estão entre os objetos mais atraentes e interessantes que podemos ver na galáxia. Neste capítulo, pudemos mostrar apenas alguns exemplos das fotos desses objetos tiradas com o Hubble ou grandes telescópios no solo. Peça aos membros do seu grupo que pesquisem mais imagens on-line de nebulosas planetárias e façam uma lista das “dez melhores” das suas favoritas (não inclua mais de três que foram apresentadas neste capítulo). Faça um relatório (com imagens) para toda a turma e explique por que você achou os cinco melhores especialmente interessantes. (Você pode querer verificar a Figura\(22.4.4\) na Seção 22.4 no processo.)

Perguntas de revisão

Compare os seguintes estágios da vida de um ser humano e de uma estrela: pré-natal, nascimento, adolescência/idade adulta, meia-idade, velhice e morte. O que uma estrela com a massa do nosso Sol faz em cada um desses estágios?
Qual é o primeiro evento que acontece com uma estrela com aproximadamente a massa do nosso Sol que esgota o hidrogênio em seu núcleo e interrompe a geração de energia pela fusão nuclear de hidrogênio com hélio? Descreva a sequência de eventos pelos quais a estrela passa.
Os astrônomos descobriram que 90% das estrelas observadas no céu estão na sequência principal de um diagrama H-R; por que isso faz sentido? Por que há muito menos estrelas na região gigante e supergigante?
Descreva a evolução de uma estrela com uma massa semelhante à do Sol, desde o estágio de protoestrela até o momento em que ela se torna uma gigante vermelha. Faça a descrição em palavras e, em seguida, esboce a evolução em um diagrama H—R.
Descreva a evolução de uma estrela com uma massa semelhante à do Sol, desde logo após ela se tornar uma gigante vermelha até o momento em que ela esgota o último tipo de combustível que seu núcleo é capaz de fundir.
Uma estrela é frequentemente descrita como “em movimento” em um diagrama H-R; por que essa descrição é usada e o que realmente está acontecendo com a estrela?
Em qual borda da faixa de sequência principal em um diagrama H-R estaria a sequência principal de idade zero?
Como as estrelas normalmente “se movem” pela faixa da sequência principal em um diagrama H-R? Por quê?
Certas estrelas, como Betelgeuse, têm uma temperatura superficial mais baixa que a do Sol e, no entanto, são mais luminosas. Como essas estrelas produzem muito mais energia do que o Sol?
A gravidade sempre tenta reduzir a massa de uma estrela em direção ao seu centro. Que mecanismo pode se opor a esse colapso gravitacional de uma estrela? Durante quais fases da vida de uma estrela haveria um “equilíbrio” entre elas?
Por que os aglomerados estelares são tão úteis para astrônomos que desejam estudar a evolução das estrelas?
O Sol provavelmente teria sido membro de um aglomerado globular ou aglomerado aberto no passado?
Suponha que você tenha recebido dois diagramas H-R para dois aglomerados diferentes: o diagrama A tem a maioria de suas estrelas traçadas na parte superior esquerda da sequência principal, com o resto das estrelas fora da sequência principal; e o diagrama B tem a maioria de suas estrelas traçadas na parte inferior direita da sequência principal com o resto das estrelas da sequência principal. Qual diagrama seria para o cluster mais antigo? Por quê?
Referindo-se aos diagramas H—R no exercício anterior, qual diagrama provavelmente seria o diagrama H—R para uma associação?
O processo nuclear para fundir hélio em carbono é frequentemente chamado de “processo triplo-alfa”. Por que é chamado assim e por que deve ocorrer a uma temperatura muito mais alta do que o processo nuclear de fusão de hidrogênio em hélio?
Imagens de várias nebulosas planetárias mostram uma variedade de formas, mas os astrônomos acreditam que a maioria das nebulosas planetárias tem a mesma forma básica. Como esse paradoxo pode ser explicado?
Descreva os dois mecanismos de “reciclagem” associados às estrelas (um durante a vida de cada estrela e outro conectando gerações de estrelas).
Em qual desses grupos estelares você provavelmente encontraria a menor abundância de elementos pesados para as estrelas dentro deles: aglomerados abertos, aglomerados globulares ou associações?
Explique como um diagrama H—R das estrelas em um aglomerado pode ser usado para determinar a idade do aglomerado.
De onde vieram originalmente os átomos de carbono no tronco de uma árvore no campus da faculdade? De onde veio originalmente o néon nas lendárias “luzes de néon da Broadway”?
O que é uma nebulosa planetária? Teremos um ao redor do Sol?

Perguntas de reflexão

O Sol está na sequência principal da idade zero? Explique sua resposta.
Como as nebulosas planetárias são comparáveis a uma lâmpada fluorescente em sua sala de aula?
Quais dos planetas do nosso sistema solar têm órbitas menores do que o raio fotosférico de Betelgeuse listado na Tabela\(22.1.2\) na Seção 22.1?
Você esperaria encontrar um planeta semelhante à Terra (com uma superfície sólida) ao redor de uma estrela de massa muito baixa que se formou logo no início da vida de um aglomerado globular? Explique.
Nos diagramas H—R de alguns aglomerados jovens, estrelas de luminosidade muito baixa e muito alta estão à direita da sequência principal, enquanto as de luminosidade intermediária estão na sequência principal. Você pode oferecer uma explicação para isso? Esboce um diagrama H—R para esse agrupamento.
Se o Sol fosse membro do enxame NGC 2264, já estaria na sequência principal? Por que ou por que não?
Se todas as estrelas em um aglomerado têm quase a mesma idade, por que os aglomerados são úteis no estudo dos efeitos evolutivos (diferentes estágios na vida das estrelas)?
Suponha que um enxame estelar estivesse a uma distância tão grande que aparecesse como um ponto de luz não resolvido através do telescópio. Qual seria a cor geral da mancha se fosse a imagem do cluster imediatamente após sua formação? Como a cor seria diferente após 10 a ¹⁰ anos? Por quê?
Suponha que uma astrônoma conhecida por brincar tenha dito que encontrou uma estrela da sequência principal do tipo O em nossa Via Láctea que não continha elementos mais pesados que o hélio. Você acreditaria nela? Por quê?
Estrelas com massas de aproximadamente 0,8 vezes a massa do Sol levam cerca de 18 bilhões de anos para se transformarem em gigantes vermelhas. Como isso se compara à idade atual do universo? Você esperaria encontrar um aglomerado globular com um desvio na sequência principal para estrelas de 0,8 massa solar ou menos? Por que ou por que não?
Os automóveis são frequentemente usados como uma analogia para ajudar as pessoas a entender melhor como estrelas mais massivas têm uma vida útil muito mais curta na sequência principal em comparação com estrelas menos massivas. Você pode explicar essa analogia usando automóveis?

Descobrindo por si mesmo

O texto diz que uma estrela não muda muito sua massa ao longo de sua vida útil na sequência principal. Enquanto está na sequência principal, uma estrela converte cerca de 10% do hidrogênio inicialmente presente em hélio (lembre-se de que é apenas o núcleo da estrela que está quente o suficiente para a fusão). Veja nos capítulos anteriores qual porcentagem da massa de hidrogênio envolvida na fusão é perdida porque é convertida em energia. Em quanto a massa de toda a estrela muda como resultado da fusão? Estávamos corretos ao dizer que a massa de uma estrela não muda significativamente enquanto ela está na sequência principal?
O texto explica que estrelas massivas têm vida útil mais curta do que estrelas de baixa massa. Embora estrelas massivas tenham mais combustível para queimar, elas o usam mais rápido do que estrelas de baixa massa. Você pode verificar se essa afirmação é verdadeira. A vida útil de uma estrela é diretamente proporcional à quantidade de massa (combustível) que ela contém e inversamente proporcional à taxa na qual ela usa esse combustível (ou seja, à sua luminosidade). Como a vida útil do Sol é de cerca de ^{10 10 anos}, temos a seguinte relação:\[T=10^{10} \frac{M}{L} \text{ y} \] onde\(T\) está a vida útil de uma estrela da sequência principal, sua massa\(M\) é medida em termos da massa do Sol e sua luminosidade\(L\) é medida em termos da luminosidade do Sol.
1. Explique em palavras por que essa equação funciona.
2. Use os dados na Tabela\(18.4.2\) na Seção 18.4 para calcular as idades das estrelas da sequência principal listadas.
3. Estrelas de baixa massa têm vida útil mais longa na sequência principal?
4. Você obtém as mesmas respostas que as da Tabela\(22.1.1\) na Seção 22.1?
Você pode usar a Equação\(\PageIndex{1}\) no exercício anterior para estimar as idades aproximadas dos agrupamentos em Figura\(22.3.3\)\(22.3.5\), Figura e Figura\(22.3.6\), tudo na Seção 22.3. Use as informações nas figuras para determinar a luminosidade da estrela mais massiva ainda na sequência principal. Agora use os dados na Tabela\(18.4.2\) na Seção 18.4 para estimar a massa dessa estrela. Em seguida, calcule a idade do cluster. Esse método é semelhante ao procedimento usado pelos astrônomos para obter as idades dos aglomerados, exceto que eles usam dados reais e cálculos de modelos em vez de simplesmente fazer estimativas a partir de um desenho. Como suas idades se comparam às idades no texto?
Você pode estimar a idade da nebulosa planetária na imagem (c) na Figura\(22.4.3\) na Seção 22.4. O diâmetro da nebulosa é 600 vezes o diâmetro do nosso próprio sistema solar, ou cerca de 0,8 ano-luz. O gás está se expandindo para longe da estrela a uma taxa de cerca de 25 mi/s. Considerando que distância = velocidade × tempo, calcule há quanto tempo o gás deixou a estrela se sua velocidade foi constante o tempo todo. Certifique-se de usar unidades consistentes de tempo, velocidade e distância.
Se a estrela A tem uma temperatura\(T\) central e a estrela B tem uma temperatura central\(3T\), como a taxa de fusão da estrela A se compara à taxa de fusão da estrela B?