Introdução à Astrofísica

Defina a diferença entre astrofísica e astronomia. Em seguida, estude a vasta gama de escalas da astrofísica - de nanômetros a gigaparsecs, de fótons individuais à radiação dos sóis. Obtenha o panorama geral em uma série de saltos exponenciais de tirar o fôlego - ampliando a partir da Terra, passando pelos planetas, estrelas, galáxias e, por fim, chegando a inúmeros aglomerados de galáxias.

Depois de percorrer o universo em uma escala macro no episódio anterior, agora dê um zoom no microcosmo - avançando em potências de dez até o reino das moléculas, átomos e núcleos. As partículas elementares são tão importantes para a astrofísica quanto as estrelas e as galáxias. Analise as quatro forças fundamentais da natureza e faça um cálculo que explica por que os átomos têm o tamanho que têm.

Veja como os astrofísicos mapeiam o universo. No desafio de calcular distâncias, um conjunto de técnicas sobrepostas compõe a "escada de distâncias cósmicas", que vai desde planetas próximos (por meio de radar), passando por estrelas e galáxias próximas (usando paralaxe e estrelas variáveis Cefeidas), até galáxias distantes (observando um tipo de supernova com brilho intrínseco conhecido).

No primeiro de dois episódios sobre o movimento nos céus, investigue a conexão entre as leis de movimento de Isaac Newton e as leis anteriores do movimento planetário descobertas empiricamente por Johannes Kepler. Veja que a terceira lei de Kepler é o método ideal para medir a massa de praticamente qualquer fenômeno na astrofísica. Além disso, estude a matemática por trás da segunda lei de Kepler.

Continue sua exploração do movimento descobrindo a lei da gravidade da mesma forma que Newton poderia ter feito - analisando as leis de Kepler com o auxílio do cálculo (que Newton criou para esse fim). Observe um método gráfico para entender as órbitas e considere as leis de conservação do momento angular e da energia à luz da teoria de Emmy Noether, que relaciona leis de conservação e simetria.

Por que os anéis ao redor de Saturno e os anéis muito mais fracos ao redor de Júpiter, Urano e Netuno estão aproximadamente à mesma distância relativa do planeta? Por que as luas grandes são esféricas? E por que as luas grandes só são encontradas em órbitas largas? Esses problemas levam a uma análise das forças de maré e do limite de Roche. Calcule a densidade do Sol com base nas marés da Terra.

Use sua habilidade analítica e seu conhecimento de gravidade para investigar as propriedades dos buracos negros. Calcule o raio de Schwarzschild (também conhecido como horizonte de eventos), que é o limite além do qual nenhuma luz pode escapar. Veja o tamanho do buraco negro gigante no centro de nossa galáxia e saiba mais sobre o esforço para obter imagens de seu horizonte de eventos.

Investigue nossa principal fonte de informações sobre o universo: as ondas eletromagnéticas, que consistem em fótons de raios gama a comprimentos de onda de rádio. Uma coleção densa de fótons é comparável a um gás que obedece à lei do gás ideal. Essa lei, juntamente com a lei de Stefan-Boltzmann, a lei de Wien e a terceira lei de Kepler, ajudam você a entender o cosmos à medida que o curso avança.

Examine os planetas representativos do nosso sistema solar com os olhos de um astrofísico, perguntando o que torna Mercúrio, Vênus, Terra e Júpiter tão diferentes. Por que Mercúrio não tem uma atmosfera? Por que Vênus é muito mais quente do que a Terra? Por que Júpiter é tão grande? Analise esses e outros enigmas com a ajuda de princípios físicos, como a lei de Stefan-Boltzmann.

Considere o problema de extrair informações do número extremamente limitado de fótons ópticos provenientes de fontes astronômicas. Os telescópios têm várias vantagens importantes: maior poder de coleta de luz, maior sensibilidade das câmeras e sensores telescópicos, como os dispositivos de carga acoplada (CCDs), e maior resolução angular e espectral.

Os comprimentos de onda não visíveis compõem a maior parte do espectro eletromagnético. Mesmo assim, muitos astrônomos presumiram que não havia nada nessas faixas. A invenção dos telescópios de rádio e raios X provou que eles estavam errados. Veja os desafios de detectar e focalizar a luz de rádio e raios X e os deslumbrantes fenômenos astronômicos que irradiam nesses comprimentos de onda.

Veja o espectro da luz solar e observe que linhas finas e escuras estão presentes em determinados comprimentos de onda. Elas revelam a composição e a temperatura da atmosfera externa do Sol, e linhas semelhantes caracterizam outras estrelas. Fenômenos mais difusos, como as nebulosas, produzem linhas de emissão brilhantes em um espectro escuro. Investigue esses eventos quânticos e termodinâmicos.

Faça um balanço da ampla gama de luminosidades, temperaturas, massas e raios estelares usando espectros e outros dados. No processo, construa o famoso diagrama de Hertzsprung-Russell, com sua sequência principal de estrelas no auge da vida, incluindo o Sol. Observe que duas em cada três estrelas têm companheiras. Investigue a dinâmica orbital desses sistemas binários.

Embarque na especialidade do professor Winn: planetas extrassolares, também conhecidos como exoplanetas. Veja a dificuldade de observar um planeta semelhante à Terra orbitando uma estrela semelhante ao Sol. Em seguida, observe as técnicas que agora podem superar esse obstáculo. Analise as características surpreendentes de muitos exoplanetas e concentre-se em cinco que são especialmente notáveis.

Faça um curso intensivo de física nuclear enquanto explora o que faz as estrelas brilharem. Foque no Sol, calculando a massa que ele consumiu por meio da fusão nuclear durante seus 4,5 bilhões de anos. Embora seja natural imaginar o Sol como uma fornalha nuclear gigante, os cálculos mostram que ele é mais parecido com uma coleção de torradeiras; o Sol é luminoso simplesmente porque é muito grande.

Saiba como as estrelas funcionam mergulhando na estrutura estelar, usando o Sol como modelo. Baseando-se em vários princípios físicos e mantendo-se fiel aos cálculos de ordem de magnitude, determine a pressão e a temperatura no centro do Sol e o tempo que leva para a energia gerada no interior chegar à superfície, o que equivale a milhares de anos. Aplique suas conclusões a outras estrelas.

Descubra o destino das estrelas de massa solar depois que elas esgotam seu combustível nuclear. As galáxias estão repletas dessas "anãs brancas", que reúnem a massa do Sol em uma esfera do tamanho da Terra. Use a teoria quântica, para entender o que impede que essas estrelas entrem em colapso e virem buracos negros, e o limite de Chandrasekhar, que determina a massa máxima de uma anã branca.

Mergulhe em uma protoestrela e testemunhe o desenrolar dos eventos à medida que a estrela começa a se contrair e a fundir hidrogênio. Esgotando-o, ela funde elementos mais pesados e, por fim, entra em colapso e se torna uma anã branca - ou algo ainda mais denso. Em seguida, veja essa história de fora, como a evolução estelar parece para os observadores que estudam as estrelas com telescópios.

Veja o interior de uma estrela que pesa várias massas solares para mapear seu fim após a fusão de todo combustível nuclear. Essas estrelas terminam em uma explosão chamada de supernova, que sopra o material externo e produz uma estrela de nêutrons supercompacta, um bilhão de vezes mais densa do que uma anã branca. Estude o giro rápido das estrelas de nêutrons e a energia que elas emanam.

Investigue a física das ondas gravitacionais, um fenômeno previsto por Einstein e há muito tempo considerado indetectável. Foi necessária a colisão de buracos negros para gerar ondas gravitacionais que puderam ser captadas por um experimento chamado LIGO na Terra, a um bilhão de anos-luz de distância. Essa notável conquista rendeu aos cientistas do LIGO o Prêmio Nobel de Física de 2017.

Observe toda a nossa galáxia, chamada Via Láctea. Localize a Terra e, em seguida, examine outras galáxias. Use o teorema virial para analisar uma galáxia típica, que pode ser considerada como um "gás sem colisão" de estrelas. Veja que as próprias galáxias frequentemente colidem umas com as outras, como a vizinha Galáxia de Andrômeda está destinada a fazer com a Via Láctea daqui a bilhões de anos.

Comece com galáxias ativas que têm buracos negros supermassivos devorando estrelas próximas. Considere os aglomerados de galáxias e as pistas que eles fornecem sobre a "matéria escura". Faça um gráfico da distribuição da matéria escura nas galáxias e encerre com o Big Bang, deduzido a partir de evidências de que a maioria das galáxias está se afastando de nós; quanto mais longe, mais rápido.

A teoria do Big Bang é um dos pilares da cosmologia moderna. Outro é a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, que é o "eco" fraco do Big Bang, permeando todo o espaço e descoberto em 1965. O terceiro pilar são as abundâncias cósmicas dos elementos mais leves, que contam a história do primeiro momento da nucleossíntese que ocorreu nos primeiros minutos do Big Bang.

Neste último episódio, siga a trilha do maior problema não resolvido da astrofísica. No caminho, entenda melhor o passado, o presente e o futuro do universo. Descoberto na década de 1990, o problema é a "energia escura", que está causando a aceleração da expansão do universo. Rastreie essa força misteriosa até o termo lambda na famosa equação de Friedmann, proposta na década de 1920.