O livro “Gravidade. A Última Tentação de Einstein

Tendo resolvido o mistério da gravidade, seremos capazes de responder às maiores questões da ciência: o que é espaço? Qual é o prazo de entrega? O que é o universo? De onde veio tudo isso? O famoso autor de ciência popular Marcus Chown convida você para uma jornada fascinante - desde o momento em que a gravidade foi reconhecida como força física em 1666 até a descoberta de ondas gravitacionais em 2015. Uma mudança tectônica está se aproximando de nossas idéias sobre física, e este livro explica o que questiona o fenômeno da gravidade diante de nós.

Trecho. Lua: tentativa de fuga

A influência das marés da Lua na Terra diminui o movimento do nosso planeta, reduzindo seu momento de rotação. Existe um princípio fundamental da física, chamado conservação do momento durante a rotação, segundo o qual o torque de um sistema isolado (fechado) nunca muda. Isso significa que, se o momento rotacional da Terra diminuir, o momento rotacional de outro elemento do sistema deve compensar isso aumentando. No nosso caso, há apenas uma opção - a lua.

A atração da Lua cria duas maremotos nos dois lados da Terra, mas a que aparece do mesmo lado que a Lua a atrai com a maior força. Como já sabemos, este monte de maré geralmente passa a lua em sua órbita, porque a Terra faz uma revolução em torno de seu eixo mais rapidamente do que a lua passa ao seu redor. Portanto, a gravidade da Terra arrasta a lua para a frente em sua órbita, dando-lhe aceleração.

Observe que a força gravitacional da Terra a uma distância da Lua tem exatamente o mesmo valor necessário para dobrar a trajetória de um corpo que se move na velocidade lunar e dar a ele a forma de uma órbita fechada, que observamos. Portanto, se a lua se mover muito rápido, sua velocidade excederá a necessária e voará fora de órbita. Em relação à Terra, "além da órbita" significa para cima, mas sabemos que se você atirar um corpo (por exemplo, uma bola) para cima, a gravidade diminuirá seu vôo. Paradoxalmente, a Lua, acelerada pela interação das marés com a Terra, se move mais lentamente com a distância da Terra. Por esse motivo, o torque aumenta para o valor necessário.

E esse não é apenas o raciocínio teórico. As naves espaciais americanas Apollo 11, Apollo 14 e Apollon 15, bem como os veículos soviéticos não tripulados Lunokhod-1 e Lunokhod-2, deixaram refletores na superfície lunar. Esses espelhos do tamanho de um punho também são chamados de refletores angulares e podem refletir a luz exatamente na direção de onde ela vem. Ou seja, é possível direcionar o feixe de laser para a lua, para que ele reflita a partir do refletor angular, e depois medir o tempo em que ele retorna à Terra. Conhecendo a velocidade da luz, você pode calcular facilmente a distância até a lua.

Experimentos mostram que a cada ano a distância que um raio refletido da lua viaja aumenta em 3,8 centímetros. Em outras palavras, a cada 12 meses a lua se afasta da Terra por uma distância aproximadamente igual ao comprimento do polegar. Se você tem 70 anos, em sua vida ela percorreu um caminho igual ao comprimento de um carro.

Observação de eclipses totais

O fato de todos os anos a lua estar a 3,8 centímetros de distância da Terra significa que já esteve muito mais perto de nós. E isso, por sua vez, influenciou a aparência de eclipses totais - um dos fenômenos naturais mais impressionantes.

Como já sabemos, um eclipse total ocorre quando a Lua passa entre a Terra e o Sol, cobrindo o disco solar e lançando uma sombra na Terra. Um eclipse total é possível porque o Sol, embora seja 400 vezes maior que a Lua, está 400 vezes mais distante de nós. É por isso que o sol e a lua parecem iguais em tamanho para nós no céu. Essa é uma circunstância muito boa para nós. Apesar do fato de haver mais de 170 luas no sistema solar, é impossível observar um eclipse total de qualquer planeta. Além disso, tivemos sorte não apenas com o local, mas também com o tempo.

À medida que a Lua se afasta da Terra, no passado, parecia maior e, no futuro, se tornaria menor. Aparentemente, os primeiros eclipses totais começaram cerca de 150 milhões de anos atrás e, depois de outros 150 milhões de anos, não serão mais. Os habitantes da Terra podem observar eclipses completos apenas por um curto período de sua existência. Por exemplo, na época dos dinossauros, eles não estavam lá.

O fato de a Lua estar se afastando da Terra e, no passado, estava mais próxima dela, é perfeitamente combinado com a teoria de sua origem.

O planeta que estava perseguindo a Terra

A lua é muito grande em relação à Terra e seu diâmetro é aproximadamente um quarto do diâmetro do nosso planeta. Todas as outras luas do sistema solar parecem minúsculas ao lado de seus planetas. Exceto Plutão, cuja lua é ainda maior em relação ao seu tamanho, mas desde 2006, Plutão deixou de ser considerado um planeta.

Esse tamanho da lua nos sugere que sua origem era incomum. Os cientistas sugerem que 4,55 bilhões de anos atrás, quando nosso planeta acabou de se formar, colidiu com um corpo celeste com uma massa aproximadamente igual à massa de Marte (hoje este planeta hipotético é chamado de Theia). As camadas internas da Terra se transformaram em um líquido e parte de seu manto espirrou no vácuo. Um anel se formou ao redor do nosso planeta, semelhante aos circundados por gigantes de gás no sistema solar. A partir desse anel, a Lua se formou rapidamente, cuja órbita era 10 vezes mais próxima da Terra. Depois disso, a lua começou a se afastar gradualmente do nosso planeta.

A confirmação da teoria do Big Burst foi encontrada durante o programa espacial Apollo American, graças ao qual sabemos que a composição da Lua é semelhante à composição do manto externo da Terra. Além disso, as rochas lunares contêm muito menos água do que os penhascos terrestres mais secos. Isso confirma que eles já foram expostos a altas temperaturas. A única questão é: para que um corpo com a massa de Marte não destrua todo o planeta, mas apenas crie a Lua, ele deve seguir a tangente da Terra a uma velocidade muito baixa. No entanto, todos os corpos cósmicos que se movem em órbitas ao redor do Sol (dentro da órbita da Terra e fora dela) são muito rápidos para isso.

A Teoria do Big Burst só funcionará se Teia já esteve na mesma órbita que a Lua. Poderia ser formado a partir de detritos em um ponto estável de Lagrange, ou seja, 60 graus na frente da Terra ou atrás dela em órbita ao redor do Sol. Hoje, os mesmos fragmentos de asteróides se movem na órbita de Júpiter 60 graus à sua frente e atrás dele, de modo que Júpiter parece estar flutuando no mar dos Sargaços. Segundo a teoria do Big Burst, Teia perseguiu a Terra por milhões de anos e depois se mudou para outra órbita, o que causou uma colisão.

Como a força gravitacional do corpo enfraquece com o quadrado da distância, as forças das marés, explicadas pela diferença de atração, diminuem com o cubo de distância. A Lua recém-formada estava cerca de dez vezes mais próxima da Terra do que é agora, o que significa que a força da maré com a qual influenciou a Terra foi vezes mais do que agora. Naquela época, a Terra ainda não tinha oceanos, mas, se existissem, as águas nelas subiriam duas vezes por dia, não por alguns metros, mas por quilômetros.

Mas não apenas a lua recém-nascida influenciou a Terra. A própria Terra também agiu sobre ele com uma força de maré aumentada em 1000 vezes. A inibição do movimento da lua foi tão forte que, provavelmente, foi fixada nela muito cedo (por cerca de dez milhões de anos após a sua formação). Desde que os primeiros microorganismos da Terra apareceram muito mais tarde, cerca de 3,8 a 4 bilhões de anos atrás, nem uma única criatura viva observou o lado oposto da lua girando no céu noturno.

A lua nem sempre se movia nessa velocidade

Surge uma pergunta interessante: a Lua sempre se afastou da Terra a uma velocidade de 3,8 centímetros por ano? Em 2013, um grupo de cientistas liderado por Matthew Huber, da Universidade de Purdue (West Lafayette, Indiana) descobriu como era essa situação há 50 milhões de anos. Eles introduziram dados sobre as profundezas dos oceanos e os contornos dos continentes existentes naquele tempo em um simulador de maré por computador e, com base em seus indicadores, concluíram que naquele momento a Lua estava se afastando da Terra mais lentamente, provavelmente duas vezes.

É tudo sobre o Oceano Atlântico, que é amplo o suficiente hoje para formar uma grande corcunda de maré, afetando a Lua e fazendo com que ela retroceda rapidamente; 50 milhões de anos atrás, o oceano ainda não havia assumido sua forma atual, então sua maré era menor e sua influência no movimento da lua era mais fraca. Naquela época, o Pacífico era responsável pela maior parte do impacto das marés.

Este exemplo é outra ilustração de quão complexo é o sistema de marés. Sua altura e a força com que diminuem o movimento da Terra e aceleram a retirada da lua dependem da facilidade com que as marés de maré podem se mover pelo oceano. Por sua vez, isso se deve à localização dos continentes, que muda constantemente devido à deriva continental (placas tectônicas, como é oficialmente chamado).

Devido ao fato de que é impossível prever o movimento das placas a longo prazo, também não podemos saber quando a rotação da Terra diminuirá a velocidade, para que fique para sempre voltada para o lado da Lua. Só sabemos uma coisa: para a Terra começar a fazer uma revolução completa em torno de seu eixo em 47 dias, e a Lua se afastar tanto dele que seu caminho orbital também levaria 47 dias, pelo menos dez bilhões de anos devem passar. Já sabemos que este é um cenário completamente hipotético, porque, a essa altura, o Sol se tornará um gigante vermelho aterrorizante, brilhando 10.000 vezes mais do que hoje, e destruir (ou pelo menos mudar significativamente) o sistema Terra-Lua.

As marés têm outra propriedade. Todos os dias, quando as ondas rolam na costa e depois retornam ao mar, elas pegam muitas pedrinhas. O atrito entre pedras que constantemente colidem entre si gera energia térmica absorvida pelo meio ambiente. É uma perda de energia que leva a uma desaceleração na rotação da Terra.

As marés aquecem um pouco a Terra e, se você nadar no mar, nem areia nem pedras queimam seus pés. Mas no sistema solar há um lugar onde as marés geram muito mais energia térmica. Este é Io, o satélite gigante de Júpiter, descoberto por Galileu em 1609.

Pizza da lua

8 de março de 1979 A sonda espacial Voyager-1 da NASA voa pelo sistema de Júpiter mais rápido que uma bala, correndo para encontrar Saturno em 1980. Mas antes que o gigante do gás deixe a sonda para sempre, a equipe de controle o obriga a voltar a câmera e dar um tiro de despedida de Io. Linda Morabito, a engenheira de navegação, foi a primeira a ver a imagem, cobrindo a distância de 640 milhões de quilômetros do Mission Control Center, e ela era de tirar o fôlego. Uma coluna de gás fosforescente irrompe de uma pequena meia-lua visível apenas.

Morabito foi o primeiro na história da humanidade a ver os supervulcões de Io. No dia seguinte, toda a equipe de gerenciamento da Voyager se inclinou sobre fotografias ampliadas e dados de medição de temperatura. Eles descobriram oito pilares gigantes de gás, jogando matéria centenas de quilômetros. Descobriu-se que Io é o corpo cósmico mais geologicamente ativo do sistema solar, no qual estão localizados mais de 400 vulcões. Os buracos pelos quais pedras alaranjadas, amarelas e marrons são jogadas na superfície de Io, fazendo com que pareça pizza, lembram gêiseres no parque de Yellowstone. Em certo sentido, os vulcões Io são verdadeiramente gêiseres. A lava nelas não escapa para a superfície, mas aquece o dióxido de enxofre líquido, localizado diretamente sob a casca de Io, e se transforma em gás. Em seguida, o gás é jogado como o vapor no gêiser da terra.

A cada ano, Io libera cerca de 10.000 milhões de toneladas de substância no vácuo, que cai na superfície, cobrindo-a com enxofre, como a terra ao redor dos gêiseres em Yellowstone. É por isso que Io parece uma pizza gigante nas fotografias. Cores brilhantes são apenas camadas de enxofre com temperaturas diferentes.

A chave para entender os super vulcões de Io é Júpiter, 318 vezes a massa da Terra. Io está à mesma distância que a lua é da terra. Mas devido à tremenda força de gravidade de Júpiter, Io gira em torno dele não em 27 dias, como a nossa lua, mas em apenas 1,7 dias. A gravidade que atua nas marés de Io há muito tempo interrompe sua rotação, de modo que agora a lua está constantemente voltada para o planeta de um lado. Imagine que tipo de visão abrirá diante das pessoas se a espaçonave já estiver na superfície de Io: Júpiter e seus anéis nublados multicoloridos ocuparão um quarto do céu.

Como Io está fixo em uma posição, as duas marés que surgiram sob a influência da atração de Júpiter serão direcionadas diretamente a ele e diretamente a ele. Eles não se moverão em pedra, à medida que as marés terrestres se movem nos oceanos. Se algo assim acontecesse em Io, as rochas duras se estendiam e encolhiam constantemente, aquecendo gradualmente devido ao atrito (a bola de borracha que você aperta na mão esquenta da mesma maneira). Como isso não acontece, é lógico supor que a temperatura de Io não aumente sob a influência das marés de Júpiter.

Mas isso não é verdade.

Um papel fundamental no aquecimento de Io é desempenhado por outras duas luas descobertas por Galileu, que se movem em órbitas mais distantes do planeta - Europa e Ganímedes. Ganimedes é a maior lua do sistema solar e é maior que Mercúrio. No tempo que Io percorre Júpiter quatro vezes, a Europa faz isso duas vezes, e Ganimedes - uma vez. Por esse motivo, dois satélites periodicamente ficam alinhados em uma linha, o que aumenta seu efeito no Io. Eles parecem puxar Io para o lado, estendendo sua órbita. Assim, Io está constantemente se movendo na direção de Júpiter ou para longe dele. É esse movimento que faz Io se aquecer por dentro.

Sim, as marés de Io são direcionadas diretamente para e de Júpiter. Mas quando Io se aproxima de seu planeta, a maré cresce e, quando sai, a maré diminui. Devido ao movimento constante da rocha, ela é comprimida ou esticada e, por causa desse processo, Io é aquecido tanto que é ele, e não o Sol, que produz mais calor por quilo de peso no sistema solar.

O Enigma de Plutão e Caronte

O par Júpiter-Io não é o único no sistema solar no qual dois corpos celestes que se movem em órbitas um ao outro foram fixados em uma posição que apenas um lado do outro é visível para cada um deles. Há também Plutão e sua enorme lua, Caronte.

O mais interessante em Caronte é que seu diâmetro é igual à metade do diâmetro de Plutão. Graças a isso, Plutão por algum tempo foi considerado um planeta com a maior lua (em relação ao seu tamanho) no sistema solar. Mas em 2006, a União Astronômica Internacional privou Plutão do status de um planeta e o transferiu para a categoria de planetas anões. Agora, é apenas uma dentre muitas dezenas de milhares de detritos de gelo que orbitam o sol na fronteira do sistema solar.

O Cinturão de Kuiper consiste em restos de gelo deixados após o aparecimento dos planetas. O planeta não deu certo porque eram muito escassos. O cinturão de Kuiper se assemelha ao cinturão de asteróides interno do Sistema Solar - outro depósito de detritos de construção planetária que não conseguia se concentrar em um ponto sob a influência da gravidade de Júpiter.

A borda interna do cinturão de Kuiper começa perto de Netuno (ou seja, a distância dele até o Sol é cerca de 30 vezes maior que a da Terra), e a extremidade externa fica a uma distância do Sol 50 vezes maior que a da Terra. Apesar do nome, o ex-soldado irlandês e astrônomo amador Kenneth Edgeworth previu pela primeira vez a existência desse cinturão em 1943, portanto, para ser justo, deveria ter sido chamado de cinturão de Edgeworth-Kuiper.

Plutão atende aos dois critérios do planeta formulado pela União Astronômica Internacional em 2006: é redondo e se move em órbita ao redor do Sol. Mas como existem muitos objetos do cinturão de Kuiper ao lado dele, ele não cumpre o terceiro requisito - uma órbita livre na qual não existem outros corpos celestes.

Em 14 de julho de 2015, a estação New Horizons da NASA voou através do sistema Plutão-Caronte como um trem de alta velocidade, passando apenas 14.000 quilômetros acima do corpo celeste, que na época em que a estação foi despachada ainda era considerado um planeta. Os funcionários do Centro de Controle de Missões na Terra ficaram surpresos. Eles esperavam ver um mundo morto e imóvel, limitado pelo frio cósmico longe do Sol. Em vez disso, geleiras de nitrogênio e montanhas de gelo apareceram diante deles, cujos picos estavam escondidos em redemoinhos de nuvens finas. Surpreendentemente, a chamada região de Tombo (uma mancha rosa em Plutão, em forma de nuvem e nomeada após o explorador de Plutão, Clyde Tombo) não tinha uma única cratera, ao contrário do resto do planeta. Isso significava que o gelo se formou aqui há relativamente pouco tempo.

De onde vem a energia para essa atividade incomum? As camadas internas da Terra são aquecidas devido à radioatividade do urânio, tório e potássio, mas isso não é suficiente para aquecer Plutão. O aquecimento sob a influência da força das marés de Caronte também é excluído, uma vez que um processo semelhante é impossível em um sistema em que a lua se move em um círculo ao redor do planeta e os dois corpos celestes estão sempre voltados um para o outro do mesmo lado. No entanto, essa regra só funciona se Caronte estava na órbita de Plutão no momento da formação do sistema solar, aproximadamente na mesma época em que a lua se tornou um satélite da Terra. Se Plutão adquirisse seu satélite recentemente (nos últimos meio bilhão de anos), o aquecimento sob a influência de forças das marés teria ocorrido e continuado até Plutão e Caronte serem fixados em sua posição atual em relação um ao outro. Ninguém sabe como realmente era. Esta questão permanece em aberto.

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