Por que os planetas refletem a luz emitida pelas estrelas?

A natureza da luz

A Astronomia vive quase que exclusivamente da luz captada dos objetos celestes. � atrav�s da luz por eles emitida, refletida ou absorvida que tiramos informa��es sobre os astros. Estrelas, como o Sol, emitem luz, enquanto que os planetas do sistema solar e seus sat�lites refletem a luz solar. A Lua, nosso sat�lite natural, tamb�m reflete a luz do Sol, sendo que sua apar�ncia no c�u, expressa pelas fases da Lua, depende da posi��o da Lua relativa ao Sol no espa�o. A Lua tamb�m bloqueia a luz do Sol durante um eclipse solar. Analogamente, detetamos a presen�a de poeira no espa�o entre as estrelas atrav�s da sua capacidade de tamb�m absorver a luz destas �ltimas. Outro exemplo de objeto que n�o emite luz, mas cuja presen�a � detetada pelo seu efeito sobre aqueles que a emitem � o buraco negro. Os v�rios candidatos a buraco negro na Gal�xia s�o membros de um par ou sistema m�ltiplo de estrelas, as quais sofrem perturba��o gravitacional devida a estes objetos.

O Sol no horizonte.

Tendo em mente a �ntima rela��o entre a Astronomia e a luz, � indispens�vel entendermos melhor o que � a luz, como forma de estudar Astronomia. A luz com certeza � uma forma de energia; a luz solar esquenta o ar e superf�cie da Terra, como todos sabemos. Sabemos tamb�m que a luz solar pode ser decomposta em diferentes cores, como no arco-�ris. Sabemos ainda que o Sol � branco-amarelado quando est� alto no c�u, mas bem amarelo ou alaranjado no nascente e no poente (ver imagem acima). Estes exemplos cotidianos nos mostram que a luz � uma forma de energia em propaga��o e capaz de interagir com a mat�ria. Podemos reproduzir um arco-�ris fazendo com que a luz do Sol atravesse um prisma, ou mesmo uma superf�cie de �gua com um espelho submerso. Na verdade, a luz se propaga na forma de ondas e as diferentes cores refletem varia��es nas propriedades destas ondas. A figura abaixo mostra uma anima��o representando uma onda em propaga��o. O exemplo mostrado n�o � o das ondas de luz, mas de ondas mais pr�ximas de nossa experi�ncia cotidiana: as ondas do mar.

Ondas em propaga��o.

O ponteiro acima conta o n�mero de ondas que passam por qualquer ponto da figura. O n�mero de ondas que passam por um ponto � o que chamamos de freq��ncia de onda. Geralmente a freq��ncia de uma onda � medida em n�mero de ondas por segundo ou Hertz (Hz) e representado pela letra grega ν.

Outra forma de caracterizar uma onda � pelo seu comprimento, geralmente representado pela letra grega λ. A figura abaixo mostra que o comprimento de onda � a dist�ncia entre dois m�ximos ou dois m�nimos da onda.

O comprimento de onda.

Note que o comprimento de onda multiplicado pelo n�mero de ondas que atravessam um ponto por unidade de tempo nos d� a velocidade de propaga��o desta onda. Matematicamente, c = λ ν, onde c = 3 x 108 m/s � a velocidade da luz no v�cuo. Como a velocidade da luz � fixa em um dado meio, a f�rmula acima significa que quanto menor o comprimento de onda, maior a freq��ncia da onda e vice-versa.

Uma pergunta importante, que ainda n�o respondemos �: que forma de energia as ondas de luz carregam de um ponto a outro? Sabemos que as ondas na superf�cie da �gua levam energia mec�nica da �gua. � o caso das ondas que se formam ao jogarmos uma pedra em um lago tranquilo; ou ainda o caso das ondas do mar que se quebram numa praia, que aumentam de tamanho quando um navio passa perto. No caso da luz, a energia por ela transportada n�o � mec�nica, mas sim eletromagn�tica. Ou seja, s�o perturba��es nas propriedades eletromagn�ticas, mais especificamente nos vetores campo el�trico e campo magn�tico, que se propagam pelo espa�o atrav�s da luz. Por isso, um sin�nimo para a luz pode ser "ondas eletromagn�ticas" ou "radia��o eletromagn�tica". As figuras abaixo procuram mostrar a forma como variam os campos el�trico E e magn�tico B com a passagem da luz.

O campo eletromagn�tico.

O campo eletromagn�tico.

Notem que os campos el�trico e magn�tico oscilam em dire��es perpendiculares entre si e perpendiculares � dire��o de propaga��o da onda. Em resumo, podemos dizer que o fen�meno da luz � um fen�meno ondulat�rio, pelo qual energia associada ao campo eletromagn�tico se propaga por um meio, perturbando este campo ao faz�-lo.

A freq��ncia e o comprimento das ondas eletromagn�ticas variam enormemente. A luz vis�vel, � qual nossos olhos s�o sens�veis, tem comprimentos de onda no dom�nio 4000 < λ < 7000 Angstroms, onde 1 Angstrom = 1 A = 10-10 m. As ondas de luz vis�vel s�o, portanto, extremamente pequenas. Como a velocidade da luz � conhecida, podemos calcular a faixa de freq��ncias correspondente, j� que ν = c / λ. Logo, 4.3x1014 < ν < 7.5x1014 Hz. Nossos olhos distinguem ondas de luz vis�vel de diferentes freq��ncias como cores diferentes. A luz violeta tem λ = 4000 A, enquanto que a luz vermelha, no outro extremo do arco-�ris, tem λ = 7000 A. Note que h� luz com comprimentos de onda tanto maiores quanto menores do que os limites da luz vis�vel. A famosa radia��o ultra-violeta, da qual a camada de oz�nio nos protege, tem comprimentos de onda menores do que 4000A, em torno de λ = 3000A. Nosso olhos n�o captam esta radia��o, mas nossa pele com certeza sofre com ela! Em comprimentos de onda ainda menores, chegamos aos raios-X e depois aos raios gama. Para al�m da luz vermelha, temos ondas infra-vermelhas, microondas e ondas de r�dio. Todas fazem parte do mesmo fen�meno: a radia��o eletromagn�tica.

O espectro eletromagn�tico.

A figura acima resume os diferentes dom�nios das ondas eletromagn�ticas, mostrando o que chamamos de espectro eletromagn�tico. O comprimento de onda decresce da esquerda para a direita, mostrando a seq��ncia das ondas de r�dio at� os raios gama. Os valores de λ, em metros, s�o dados. S�o tamb�m mostrados objetos de tamanho compar�vel �s ondas de cada dom�nio. As ondas de r�dio, usadas em telecomunica��es (TVs, r�dios, etc) t�m dimens�es compar�veis a objetos de nossa experi�ncia cotidiana. Note que a luz vis�vel � uma fra��o �nfima de todo o espectro eletromagn�tico.

A Tabela abaixo dá os valores aproximados em comprimento de onda, frequência e energia para regiões selecionadas do espectro eletromagnético.

Objetos astron�micos formam categorias bem distintas quando consideramos a radia��o eletromagn�tica por eles emitida. Estrelas, por exemplo, emitem o grosso da sua luz na regi�o do vis�vel ou do infravermelho. As estrelas mais quentes tamb�m emitem muita luz no dom�nio do ultravioleta. Considerando-se agora n�o apenas a luz vis�vel, mas os demais dom�nios espectrais, deixa de ser verdade que planetas e sat�lites como a Lua n�o emitem luz. Estes objetos emitem radia��o no infravermelho distante, j� perto do dom�nio de microondas. H� alguns tipos de objetos, como determinados n�cleos de gal�xias, que emitem muita radia��o tanto de alta energia (raios X) quanto em r�dio. R�dio-gal�xias, por seu turno, emitem o grosso de suas ondas eletromagn�ticas no dom�nio r�dio. H� tamb�m gal�xias luminosas em outros dom�nios, como no infravermelho. Estas em geral s�o ricas em poeira aquecida por estrelas quentes e jovens, pois a poeira absorve a luz dessas estrelas e reemite no infravermelho. Ao longo deste curso, ficar� evidente a grande diversidade de fontes astron�micas, com emiss�o de luz caracterizada por espectros das mais variadas formas.

 A tabela abaixo indica, para cada região do espectro, os objetos astronômicos que podem ser estudados com maior eficiência nessa região.

(Tabela extraida de http://instruct1.cit.cornell.edu/~tlh20/lec12.htm.)

Porque os planetas emitem luz?

Como planetas emitem luz?

Por que a Lua e os planetas brilham?

Qual é o planeta que brilha igual uma estrela?