Acampando debaixo das estrelas – o Acantonamento de Astronomia do ESO 2013 Teach article

Author(s): Davide Cenadelli, Cristina Olivotto, Oana Sandu, Lars Lindberg Christensen

Traduzido por Pedro Augusto. No dia 26 de Dezembro de 2013, depois de uma longa e excitante viagem, 56 estudantes do ensino secundário de 18 países diferentes chegaram ao seu destino: a pitoresca aldeia alpina de Saint-Barthélemy, na Itália, onde foi construído o Observatório Astronómico…

O Observatório do Vale de
Aosta
A imagem é cortesia de Paolo
Calcidese

No dia 26 de Dezembro de 2013, numa altura em que as noites são longas e llimpas nos Alpes, 56 estudantes do ensino secundário de 18 países chegaram ao seu destino: a pitoresca aldeia alpina de Saint-Barthélemy, na Itália, ofuscante debaixo de neve fresca.

Participantes ocupados na
análise de espetros estelares
A imagem é cortesia de
Mariona Isern

Os participantes travaram conhecimento mútuo imediatamente, partilharam histórias e, em breve, já se riam juntos. Estavam todos mortos por começar esta semana única no primeiro Acantonamento de Astronomia do ESOw1, tendo por anfitrião o Observatório Astronómico da Região Autónoma do Vale de Aosta (OAVdA).

Na primeira noite pendurou-se um mapa do mundo na sala de aulas e toda a gente marcou o seu país. Com as etiquetas, o mapa ficou muito colorido – exatamente como o Universo sobre o qual os curiosos estudantes iriam aprender em breve.

Observação noturna
A imagem é cortesia de Julian
Durnwalder

O programa do acampamento explorou o tema do Universo visível e invisível através de aulas, atividades hands-on e observações noturnas com os telescópios e instrumentos do Observatório.

Atividades sociais, desportos de inverno, um espetáculo de planetário e encontros ao chá multi-culturais contribuiram para tornar o acampamento uma experiência memorável para os participantes.

Parte da sua excitação veio da oportunidade de passarem tempo com astrónomos profissionais que, não só, partilharam o seu conhecimento e entusiasmo com os estudantes durante as atividades mas também foram tão bombardeados de questões durante as refeições que mal tinham tempo de comer a deliciosa comida preparada pelo pessoal do hostel!

Olhando a temperatura

O programa começou com uma introdução à luz visível e uma explicação de como interpretar a luz que chega das estrelas de forma a calcular as suas temperaturas.

O espetro de uma estrela é um espetro de absorção: a fotosfera estelar – a fina camada onde o gás estelar faz a transição de opaco para transparente e onde a luz pode escapar para o espaço – emite luz em todos os comprimentos de onda mas alguns comprimentos de onda específicos são absorvidos pelos elementos na superfície da estrela. Esta absorção cria riscas escuras, relativas aos comprimentos de onda que faltam no espetro.

Espetro estelar obtido pelos participantes do Acantonamento de Astronomia do ESO. Por baixo de cada espetro, o nome, classificação espetral e temperatura superficial da estrela são reportados. Algumas riscas principais e bandas são indicadas. Note que as riscas de hélio são típicas de temperaturas muito altas; riscas de Balmer do hidrogénio de temperaturas moderadamente altas; riscas de sódio neutro de temperaturas baixas ou moderadamente baixas; e bandas moleculares correspondem às temperaturas mais baixas. As cores nesta imagem não se correlacionam com a temperatura pois não foram corrigidas da extinção atmosférica e da resposta espetral da CCD.
A imagem é cortesia de Davide Cenadelli

Além disso, a cor da estrela – ou, para sermos mais precisos, o máximo brilho do espetro – depende da temperatura da fotosfera estelar: muda para azul se a estrela for mais quente e para o vermelho se for mais fria, como se explica pelas leis de corpo negro (ver a caixa abaixo).

 
O Faulkes Telescope, no
Hawaii
A imagem é cortesia da ESA

As leis de corpo negro dizem-nos que um gás quente, denso e opaco emite um espetro contínuo de comprimentos de onda cujo brilho máximo se desloca na direção dos comprimentos de onda mais curtos quando a temperatura aumenta. Uma vez que a luz azul tem um comprimento de onda mais curto do que a luz vermelha, a cor com que vemos uma estrela muda de vermelho, para as estrelas mais frias, para laranja, amarelo, branco (quando o pico de brilho está no verde as estrelas, de facto, parecem brancas) e, finalmente, azul, para as estrelas mais quentes.

 

Mais precisamente, os comprimentos de onda específicos absorvidos pelos elementos na superfície da estrela correspondem à quantidade de energia que os eletrões nos átomos desses elementos precisam para atingirem um nível mais alto de energia. Os níveis energéticos que os eletrões ocupam mudam de átomo para átomo e também dependem da temperatura do gás.

Participantes a resolverem
um puzzle matemático
A imagem é cortesia de
Mariona Isern

Como diferentes estrelas têm composições químicas semelhantes, os comprimentos de onda absorvidos dependem, principalmente, da temperatura. Assim, numa primeira aproximação, podemos considerar que tanto a cor de uma estrela como as riscas escuras no seu espetro dependem da sua temperatura. A cor e as riscas estão correlacionadas: estrelas azuis mostram certas riscas e as vermelhas outras.

A Classificação de Harvard

Os astrónomos compreenderam esta correlação na segunda metade do séc.XIX e estabeleceram o que chamaram de “classificação espetral”. A mais importante, chamada de “Classificação de Harvard”, foi criada no início do séc.XX e ainda está hoje em uso, com muito poucas alterações.

O plano de Aosta
A imagem é cortesia de
Gerrit/Wikimedia commons

A Classificação de Harvard considera sete classes principais: O, B, A, F, G, K e M, em ordem de temperatura decrescente:

  • Estrelas O e B são azuis;

  • Estrelas A são brancas;

  • Estrelas F e G são amarelas;

  • Estrelas K são laranja;

  • Estrelas M são vermelhas.

Cada classe é ainda dividida em 10 tipos, indicados por algarismos de 0 a 9, onde 0 é o mais quente e 9 o mais frio. Assim, temos estrelas que são de tipo A0 (Vega), G2 (Sol) e K5 (Aldebaran), por exemplo.

Acresce que estrelas com a mesma temperatura podem ter raios e luminosidades diferentes. De forma a refletir esta variabilidade, uma classificação em luminosidade com numerais romanos complementa a Classificação de Harvard:

  • Ia são supergigantes brilhantes;

  • Ib são supergigantes menos brilhantes;

  • II são gigantes brilhantes;

  • III são gigantes;

  • IV são sub-gigantes;

  • V são anãs.

Mapa da Itália mostrando a
região do Vale de Aosta
A imagem é cortesia de
Gigillo83/Wikimedia commons

A luminosidade também tem um pequeno impacto nos espetros mas isto não foi explicado em detalhe no acampamento.

A correlação entre a cor estelar e as riscas espetrais significa que cada classe da Classificação de Harvard é caracterizada por riscas que são típicas da temperatura dessa classe:

  • estrelas muito quentes mostram riscas de hélio;
  • estrelas moderadamente quentes mostram riscas de hidrogénio (a chamada Série de Balmer, cujas riscas são designadas pelos símbolos Ha, Hb, Hg, Hd …);
  • estrelas moderadamente frias mostram riscas de metais neutros e ionizados;
  • estrelas muito frias mostram riscas de metais neutros e bandas moleculares.

E muito mais…

No primeiro dia pediu-se aos alunos para escolherem a sua estrela favorita numa foto do céu de Inverno de forma a calcular a sua temperatura e máximo de emissão, baseados no seu espetro tabelado.

De noite, grupos de estudantes operaram um espetrógrafo e uma câmera CCD acoplada a um dos telescópios didáticos de forma a capturarem o espetro de várias estrelas favoritas, entre as quais Aldebaran, Betelgeuse, Dubhe, Mirphak e Sírius.

Estes espetros foram depois usados no dia seguinte para calcular as temperaturas das estrelas e classificá-las. Os alunos mostraram ser excelentes companheiros de equipa. Pode descarregar a explicação passo-a-passo de como implementar esta atividade na sua sala de aula, junto com o espetro de várias estrelas, do website do Science in Schoolw2.

Aula após aula e atividade após atividade, os astrónomos abriram novas janelas no Universo ao mostrarem-no aos alunos numa luz diferente. A curiosidade pairava no ar e questões foram feitas e respondidas sobre o Universo dos infravermelhos, rádio, ultravioleta e raios X.

Várias outras atividades baseadas numa competição saudável foram implementadas de forma a desenvolver o espírito de trabalho de equipa. A competição Antares, por exemplo, desafiou os estudantes a utilizarem riscas de absorção no espetro de forma a classificarem um conjunto de estrelas famosas e menos famosas de acordo com o esquema de Classificação de Harvard. O torneio de “tecnologia microondas sem forno” foi outra atividade que envolveu seis grupos na medição da direção em que era recebido um sinal de uma antena.

O acampamento terminou, enquanto a International Space Station passava por cima das nossas cabeças, num inesquecível jantar de gala com a entrega de prémios e prendas pelo ESO. O tempo voou, mas a memória das atividades do acampamento e as amizades vão durar para sempre. Já estamos ansiosos pelo acampamento do próximo anow3!

 

O acampamento foi uma experiência fantástica. Conhecer tanta gente de outras culturas com maneiras diferentes de pensar e tendo a oportunidade de discutir tópicos quentes com eles foi único e excitante.
Gabriele, 16, Itália

Não exagero quando digo que a noite das observações foi a mais excitante do acampamento! Escrutinamos espetroscopia estelar junto com pessoal do Observatório – uma das partes mais interessantes da astronomia para mim. […] Tenho a certeza que o que aprendi no Acantonamento do ESO vai ser útil na minha educação futura.
Daniil, 16, Rússia

[…] Em breve assentámos numa fantástica rotina de aulas de astronomia e atividades apenas interrompidas pelas refeições e excursões de inverno. […] No final do acampamento eu experimentei alguns dos melhores dias da minha vida.
Hera, 16, Suécia

Agradecimentos

Um agradecimento especial vai para os supervisores do Acantonamento Emily, Koen, Lorenzo e Mariona (também pelo texto do blog e pelas fotos) e para os astrónomos do Acantonamento pelas suas aulas e atividades fantásticas: Davide Cenadelli, Enzo Bertolini, Andrea Bernagozzi, Paolo Pellissier e Paolo Recaldini (Observatório do Vale de Aosta), Lars Lindberg Christensen (ESO), Anna Wolter (ESO/INAF), Juan Fabregat (Universidade de Valência), Aniello Mennella e Paola Battaglia (Universidade de Milão).

Web References

Resources

  • Para saber mais sobre a análise do espetro de estrelas leia:
    • Kaler JB (2011) Stars and their spectra: an introduction to the spectral sequence. 2nd Ed. Cambridge, UK: Cambridge University Press. ISBN: 9780521899543
    • Robinson K (2007) Spectroscopy: the Key to the Stars. London, UK: Springer. ISBN: 9780387367866
  • Os nossos olhos são muito limitados na sua capacidade para nos mostrar o Universo. Para compreender como o acesso a todo o espetro de luz pode mudar a sua perceção do Universo, leia:
    • Christensen LL, Bob Fosbury B, Hurt R (2009) Hidden universe. Berlin, Germany: Wiley-VCH. ISBN: 9783527408665
  • O European Southern Observatory constrói e opera um conjunto de telescópios que são os mais avançados na superfície terrestre.
  • O Sterrenlab organisa Acantonamentos científicos e escolas de verão em todo o mundo e oferece serviços nas áreas da educação e comunicação em ciência.
  • O Observatório Astronómico do Vale de Aosta aloja equipamento extremamente moderno que é utilizado para a investigação, para o ensino e com propósitos promocionais.
  • O Istituto Nazionale di Astrofisica (National Institute for Astrophysics, INAF) é uma importante instituição italiana para a investigação em astronomia e astrofísica.
  • A Universidade de Milão é uma das mais importantes e maiores universidades da Europa.
  • A Sociedade Astronómica Polaca (Polskie Towarzystwo Astronomiczne, PTA), com sede em Varsóvia, junta astrónomos profissionais.
  • Urania – Postępy Astronomii é uma revista polaca de astronomia para o público em geral. É uma das mais antigas revistas de astronomia do mundo.
  • O Polish Children’s Fund é uma organização não governamental independente cujo objetivo principal é ajudar alunos talentosos.
  • O Ciência Viva é um programa aberto de promoção da ciência em Portugal.
  • A Sociedad Española de Astronomía junta astrónomos e astrofísicos espanhóis.
  • A Université de Genève é uma universidade pública de investigação e a segunda maior universidade na Suiça (em número de estudantes).

Institutions

Author(s)

Davide Cenadelli formou-se em Física e recebeu o seu doutoramento pela Universidade de Milão. Os seus interesses abrangem astrofísica estelar, espetroscopia e história e filosofia da ciência. Presentemente faz parte de um grupo de investigação envolvido na procura de exoplanetas em torno de anãs vermelhas na vizinhança galática no Observatório Astronómico do Vale de Aosta.

Cristina Olivotto formou-se em Física pela Universidade de Milão onde recebeu um doutoramento em História da Física. Concluído o grau, começou a trabalhar na área da comunicação e educação científica no Museu Astronómico de Milão e como professora de física e matemática no liceu. Ela trabalhou na Agência Espacial Europeia durante quatro anos, antes de fundar o Sterrenlab em 2011.

Oana Sandu foi coordenadora comunitária no departamento de educação e divulgação pública do ESO (ePOD). Ela é responsável pela promoção de produtos de divulgação e pela presença na imprensa do ESO e da  ESA/Hubble. Com uma licenciatura em comunicação e relações públicas e um mestrado em marketing, ela trabalhou durante dois anos numa agência líder de relações públicas na Europa de leste.

Lars Lindberg Christensen é um especialista em comunicação da ciência que é diretor do ESO education and Public Outreach Department (ePOD) em Munique, na Alemanha. É o responsável pela educação e divulgação do La Silla-Paranal Obser­vatory, da parte ESO do ALMA e do APEX, do European Extremely Large Telescope, da parte da ESA do Hubble Space Telescope e do IAU Press Office.


Review

Como professor, por vezes encontramos oportunidades que se destinam a pessoas de 16 anos de idade e lamentamo-nos de já não ter essa idade.

Este artigo promove o Acantonamento Astronómico do ESO, European Southern Observatory, uma espantosa oportunidade que alguns alunos com 16 anos, de qualquer país europeu, aproveitaram em Dezembro de 2013. Este acampamento equilibrou excitantes observações e aulas astronómicas com astrónomos profissionais e um saudável programa social e desportivo.

Para professores este artigo é um recurso excelente e completo para utilizar durante uma aula de astrofísica para alunos dos 16 aos 18 anos. Para alunos mais novos fornece uma boa introdução à classificação estelar. A parte estimulante deste artigo é que ele oferece um procedimento fácil de seguir para o cálculo de temperaturas superficiais de estrelas através da análise do seu espetro, com recurso a dados reais, o que é sempre um bónus numa licão. Também expõe alguns dos desafios encontrados quando se calculam estas temperaturas, uma possível extensão do trabalho.

Analisando as referências web dadas neste artigo, vi que outro Acantonamento de Astronomia do ESO está previsto para este Dezembro 2014. Oh, quem me dera ter outra vez 16 anos!

Dr Caroline Neuberg, Fulneck School, Reino Unido

License

CC-BY-NC-SA