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Evolução Estelar Ruth Bruno. Evolução Estelar apod.nasa.gov.

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1 Evolução Estelar Ruth Bruno

2 Evolução Estelar apod.nasa.gov

3 Formação das estrelas: um nascimento traumático Competição gravitacional: a formação estelar começa quando parte do meio interestelar – uma nuvem escura e fria – começa a colapsar devido a sua própria gravidade. O fragmento da nuvem se aquece à medida em que encolhe, e eventualmente seu centro se torna quente o suficiente para dar origem às reações nucleares. Neste ponto, cessa a contração, e nasce uma estrela. Eagle Nebula: colunas de gás frio e poeira no interior de M16 (nébula de emissão onde existem estrelas recém formadas). En.wikimedia.org

4 Calor versus Gravidade O que determina o colapso de uma nuvem interestelar? A temperatura de um gás é simplesmente uma medida da velocidade média de seus átomos e moléculas. Quanto maior a temperatura, maior a velocidade média, e portanto maior a pressão do gás. Se a força de pressão dos gases aquecidos for menor que a força gravitacional, a competição entre o calor e a gravidade resultará no colapso da nuvem.

5 Rotação versus Gravidade O calor não é o único fator que tende a se opor à gravidade. A rotação da nebulosa também compete com o puxão gravitacional, desenvolvendo um bojo em torno de seu plano equatorial. À medida que a nuvem se contrai, ela deve girar mais rápido (para conservar seu momentum angular), e o bojo cresce – o material das bordas tende a ser lançado para o espaço. Eventualmente forma-se um disco plano, em rotação. Astronomy Today

6 Para que o material permaneça na nuvem, a força gravitacional deve ser suficientemente intensa. Quanto mais rápida a rotação, maior a tendência do gás escapar, e maior é a força gravitacional necessária para manter o material. Assim, para que as estrelas possam nascer, as nuvens devem conter uma grande quantidade de massa.

7 Evolução pré-Seqüência Principal

8 Estágio 1 - Nuvem interestelar Início do colapso: uma porção da nuvem torna-se gravitacionalmente instável, fragmentando-se em pedaços menores.

9 Aglomerado aberto de Pleiades – contém cerca de 3000 estrelas, espalhadas numa região com mais ou menos 13 anos-luz de diâmetro. Situa-se a aproximadamente 400 anos-luz de distância. Aglomerado de estrelas

10 Estágio 2 Fragmento da nuvem colapsante - Fragmento da nuvem colapsante •Ao contrair-se, o fragmento se torna tão denso que a radiação não consegue escapar, causando um aumento na temperatura e na pressão. •Com o aumento da densidade, cessa a fragmentação. Estágio 3 - Cessa a fragmentação •Com o aumento da temperatura e da densidade, o fragmento torna-se uma protoestrela. Neste estágio a pressão da radiação ainda não consegue superar a gravidade.

11 Surgimento da protoestrela – estágios 1-3

12 Estágio 4 - Uma protoestrela •A temperatura do núcleo ainda não é suficiente para dar início às reações nucleares que fundem H em He. •Luminosidade da protoestrela: deve-se inteiramente à liberação de energia gravitacional Astronomy Today

13 Estágio 6 – A estrela recém nascida A temperatura no núcleo já é suficiente para dar início à fusão de prótons em núcleos de hélio. Estágio 5 – Evolução protoestelar •Luminosidade: diminui chegando a cerca de 10 L sol •O gás na região central torna-se completamente ionizado •O colapso continua, porém mais lentamente à medida que se aproxima da SP (quanto mais quente, menos energia é irradiada – menor a luminosidade e, portanto, menor a razão de contração). Astronomy Today

14 Estágio 7 - A Seqüência Principal A pressão e a gravidade estão em equilíbrio Razão de produção de energia nuclear no núcleo = razão na qual a energia é irradiada da superfície. A maior parte da vida da estrela se passa na Seqüência Principal Evolução protoestelar: estágios 4-7

15 Simulação da evolução de uma estrela como o Sol, a partir da fase da Seqüência Principal A estrela passa para a fase de gigante, supergigante, ejeta uma nebulosa planetária e transforma-se em uma anã branca.

16 Evolução estelar: o papel da massa library.thinkquest.org

17 Estrelas de diferentes massas Percursos evolucionários pré estelares para estrelas mais massiva e menos massiva que o Sol. O tempo necessário para uma nuvem interestelar se transformar em uma estrela da SP também depende da massa. Quanto maior a massa, mais rápida se dará a transformação. A SP não é um percurso evolucionário. É uma “estação” onde as estrelas permanecem a maior parte de suas vidas; as menos massivas na base, e as mais massivas no topo. Astronomy Today

18 Estrelas que falharam Triplo eclipse: sombras de Ganymede (esquerda), Callisto (direita) e Io. A lua Io é o disco branco, no centro e Ganymede é o disco azul. Júpiter contraiu sob a influência da gravidade, e o calor resultante é ainda detectável, mas o planeta não teve massa suficiente para atingir a temperatura de ignição das reações nucleares.

19 Evolução de estrelas de pequenas massas

20 Da meia idade à morte – evolução das estrelas de pequena massa  M  8 M sol.  Virtualmente, todas as estrelas de pequenas massas que se formaram, ainda existem.  Enquanto a estrela se encontra na SP, seu combustível de hidrogênio lentamente se funde em hélio no núcleo. Ciclo próton-próton Astronomy Today

21 Depleção do hidrogênio no núcleo •Com a queima do H em He, a composição no interior da estrela varia com o passar dos anos. •O conteúdo de He aumenta mais rapidamente no centro da estrela, onde as temperaturas são mais altas e a queima é mais rápida. •10 bilhões de anos depois o H continua queimando nas regiões mais externas. •A falta de H no núcleo leva à estrela a uma situação de instabilidade. Astronomy Today

22 Contração do núcleo de hélio •Apesar das altas temperaturas no núcleo, elas não são suficientes para queimar o He em C. •A gravidade no núcleo vence a radiação e este se contrai. •O aumento na temperatura do núcleo faz com que o H, nas camadas exteriores, queime violentamente. Astronomy Today

23 Caminhando para a fase de Gigante Vermelha Enquanto o núcleo encolhe, as camadas externas se expandem devido à pressão exercida pelo gás nas regiões onde o H continua queimando. A estrela deixa primeiramente a SP (estágio 8), tomando o caminho para se tornar uma gigante vermelha. Sua luminosidade aumenta e a temperatura superficial diminui (estágio 9). Astronomy Today

24 GIGANTE VERMELHA Betelgeuse é um exemplo de uma gigante vermelha. Situada na contelação de Orion, a 600 anos luz de distância, esta estrela é cerca de vezes maior que o Sol é vezes mais luminosa. commons.wikimedia.org

25 Fusão do He Quando a temperatura no núcleo de uma gigante vermelha alcança 10 8 K, inicia-se a fusão do He. •Devido às condições do estágio 9 (altíssimas temperatura e densidade), ocorre a degenerescência dos elétrons e a pressão de degenerescência passa a resistir à gravidade. •Quando a queima do He começa e a temperatura aumenta, não há um correspondente aumento na pressão, não há expansão do gás, não há queda na temperatura e não há estabilização do núcleo.

26 O clarão de He Pressão  constante Taxa de reação nuclear  aumenta Temperatura do núcleo  aumenta Por um período de poucas hora ocorre o clarão de He, durante o qual o He queima como uma bomba descontrolada. O núcleo expande, diminui a densidade e o gás retorna ao estado não degenerado. No diagrama HR, a estrela passa do estágio 9 para o estágio 10. Astronomy Today

27 O núcleo de carbono Alguns milhões de anos depois que se iniciou a queima de He, um núcleo de carbono se forma no interior da estrela enquanto que nas camadas externas, o hidrogênio e hélio continuam em combustão. Com o fim da queima de He, o núcleo da estrela se contrai, as camadas exteriores se expandem e a temperatura superficial diminui (estágio 11 no diagrama HR) Astronomy Today

28 Nebulosa Planetária

29 Caminhando para a morte •As camadas externas continuam queimando H e He. •Ocorre uma série de clarões de He. •As camadas externas pulsam mais e mais violentamente, tornando-se instáveis. •O envelope da estrela é ejetado para o espaço (estágio 12). •Temperatura do núcleo  insuficiente para queimar o C •O densidade do núcleo aumenta, tornando os elétrons novamente degenerados. •Cessa a contração do núcleo e a temperatura pára de crescer Astronomy Today

30 Aparência da nebulosa planetária Nebulosa do Anel em Lyra Nebulosa Helix A camada de gás em torno do núcleo é muito fina. Ao longo da linha de visada, entre o observador e a estrela central, a quantidade de gás é muito pequena, tornando-se praticamente invisível. Astronomy Today

31 Esta Nebulosa Planetária, a anos-luz de distância, revela a possibilidade de ter se originado de um sistema binário de estrelas Nebulosa Olho de Gato heasarc.gsfc.nasa.gov

32 Anã Branca A estrela remanescente (núcleo de carbono) no centro da nebulosa planetária continua a se desenvolver. Gradativamente seu tamanho vai se reduzindo até ficar quase do tamanho da Terra e sua temperatura e luminosidade vão diminuindo.

33 Explosões estelares 1- Vida após a morte para as anãs brancas: nova Uma nova é uma estrela que subitamente aumenta em brilho e então lentamente vai retornando para sua luminosidade original. As novas resultam das explosões nas superfícies de estrelas anãs brancas, causadas pela matéria que cai sobre suas superfícies, provenientes da atmosfera de uma companheira binária maior. Nova Herculis

34 Sistema binário Uma anã branca em um sistema binário está tão próxima de sua companheira que seu campo gravitacional é capaz de atrair material da superfície da companheira. Astronomy Today

35 Estágios finais da vida de uma estrela de grande massa Uma estrela de grande massa funde não apenas H e He, mas também C, O, e mesmo elementos mais pesados, enquanto seu núcleo continua a se contrair, e sua temperatura central continua a aumentar. À medida que a temperatura aumenta com a profundidade, as cinzas de cada estágio de fusão tornam-se o combustível para o próximo estágio. Astronomy Today

36 Colapso do núcleo de ferro •A fusão nuclear envolvendo Fe não produz energia; o Fe atua como se fosse um extintor de incêndio, amortecendo o inferno no interior estelar. •Apesar da altíssima temperatura do núcleo, a força gravitacional supera a pressão do gás quente e a estrela implode. •Ocorre a fotodesintegração: os fótons altamente energéticos dividem o Fe em núcleos cada vez mais leves até que apenas prótons e nêutrons permanecem no núcleo. •Em menos de 1 segundo, o núcleo em colapso desfaz todos os efeitos da fusão nuclear que ocorreram durante os 10 milhões de anos anteriores.

37 Neutronização do núcleo Quando cessa o colapso, a densidade do núcleo é muito alta e o núcleo volta a expandir. •O núcleo ressoa, produz ondas de choque que varrem as camadas externas da estrela com grande velocidade e a estrela explode. • Na fotodesintegração, parte da energia térmica do núcleo é absorvida. O núcleo esfria, a pressão é reduzida e o colapso é acelerado. •Aumentando a densidade, os elétrons e prótons se combinam produzindo nêutrons: p + e  n + neutrino •Devido à pressão de degenerescência do nêutron, o colapso começa a diminuir.

38 Supernovas Simulação da explosão de uma estrela massiva ao atingir o estágio de supernova. Animação de NASA/CXC/D.Berry & A.Hobart

39 Supernova 1987A Em fevereiro de 1987, uma estrela na Grande Nuvem de Magalhães explodiu, liberando uma tremenda quantidade de gás, luz e neutrinos no espaço interestelar

40 Supernovas Tipo I e Tipo II Astronomy Today

41 ESTRELAS DE NÊUTRONS O que resta da explosão de uma Supernova? Tipo I : pouco provável que sobre alguma coisa após a explosão Tipo II : sobrevive uma pequena e ultracomprimida “estrela”, composta quase que inteiramente de nêutrons. Sua massa é maior que a do Sol e seu tamanho não ultrapassa em geral um diâmetro de 20km. Uma colher de chá da massa desta estrela pesa cerca de 100 milhões de toneladas Uma pessoa de 70 kg pesaria o equivalente na Terra a 1 bilhão kg

42 Credit: F. Walter (SUNY Sony Brook), WFPC2, HST, NASA Uma estrela de nêutrons solitária

43 Pulsares Propriedades importantes das estrelas de nêutrons: 1- giram muito rapidamente, com períodos de frações de segundos. 2- possuem intensos campos magnéticos. Estas características são especialmente observadas nos pulsares. Astronomy Today

44 Simulação de um pulsar, mostrando o feixe de luz orientando com os pólos magnéticos.

45 Imagem de dois pulsares de raios X: Geminga e o pulsar na Nébula de Crab. Pulsares de raios X

46 Buracos Negros Se na explosão de uma Supernova a matéria que resta no núcleo for muito grande, a gravidade vencerá a radiação de uma vez para sempre e o núcleo central colapsará eternamente. O objeto resultante não emitirá nem luz, nem qualquer outro tipo de radiação ou qualquer informação. No estágio final da evolução de uma estrela super massiva surge o buraco negro.

47 Cygnus X-1, fonte de raios X largamente aceita como um buraco negro, de massa igual a 10 M sol, orbitando uma estrela azul gigante. Evidências da existência de um buraco negro Jato emitido pela galáxia M87, possivelmente causado por um buraco negro supermassivo no centro da galáxia.

48

49 Geometria do Buraco Negro

50 Aproximando-se de um buraco negro

51 CONSTELAÇÕES Os astrônomos da antiguidade atribuíam figuras de pessoas, animais ou objetos a agrupamentos aparentes de estrelas.

52 Em 1929 a União Astronômica Internacional adotou 88 constelações oficiais. Cada estrela do céu faz parte de uma constelação. É possível observar, a olho nú, aproximadamente 6000 estrelas no céu, incluindo a visão dos lados opostos da Terra. Número de Constelações

53 Constelações que formam o Zodíaco

54 Localização de um ponto sobre a superfície da Terra Longitude: λ Latitude : φ

55 A ESFERA CELESTE astro.if.ufrgs.br

56 Meridiano local: Meridiano que vai do Pólo Norte ao Pólo Sul e passa pelo Zênite Horizonte: Plano tangente à Terra, perpendicular à vertical do lugar em que se encontra o observador. Pontos Cardeais Norte e Sul: Pontos da esfera celeste em que o círculo vertical que passa pelos Pólos Celestes Norte e Sul, respectivamente, intercepta o Horizonte astro.if.ufrgs.br

57 Coordenadas Horizontais O observador se encontra na origem do sistema, na superfície da Terra Altitude (h): varia de 0 o a ± 90 o Azimute (A) : varia de 0 o a 360 o, medido na direção Leste, a partir do Norte z: distância zenital

58 Coordenadas Equatoriais Ascensão reta (  ): varia de 0 o a 360 o, na direção Leste, a partir de  (Ponto Vernal ou de Áries) Declinação (  ): varia de 0 o a ± 90 o

59 Caminho do Sol ao longo da eclíptica Equinócio Vernal (ou da Primavera) : 21/03 Solstício de Verão: 21/06 Equinócio do Outono: 21/09 Solstício de Inverno: 21/12

60 Referências 1- Chaisson, Eric; McMillan Steve, Astronomy Today, 1996, Prentice Hall, New Jersey 2- Hester Jeff et al, 21 st Century Astronomy, 2002, Norton & Company, London 3- Oliveira Filho, Kepler de Souza, Oliveira Saraiva, Maria de Fátima, Astronomia e Astrofísica, 2004, Editora Livraria da Física http://en.wikipedia.org/wiki/stellar_evolution http://www.tqnyc.org/NYC040808/homepage.html


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