Estrelas – Desmistificando a Astronomia

“Não tenho certeza de nada, mas a visão das estrelas me faz sonhar.”
Vincent Van Gogh

O que será abordado?

1. O que são as estrelas;

2. Como nascem;

3. Sua composição;

4. Tipos de estrelas;

5. Como é sua produção de energia;

6. Composição química;

7. Qual sua fonte de energia;

8. Ciclo de vida.

Materiais didáticos

Palestra “Analise do espectro eletromagnético” (link)

Palestra “Evolução estelar: da origem à morte das estrelas” (link)

Livro “A história do universo para quem tem pressa” De: Colin Stuart;

1. O que são as estrelas?

Estrelas são grandes esferas de plasma. Em um contexto geral são constituídas de hidrogênio e hélio, que se mantém nessa forma devido a força gravitacional que exerce sobre si mesma. Elas emitem luz, calor e outros tipos de radiações em detrimento da fusão que ocorre em seu núcleo, onde átomos de hidrogênio se fundem em átomos de hélio (estrelas supermassivas apresentam elementos mais pesados em seu núcleo, como por exemplo os metais). Todos os elementos químicos que observamos na natureza e que são mais pesados que o hélio foram criados no núcleo de uma estrela. A estrela mais próxima da Terra é o Sol, que retém cerca de 99% da massa do sistema solar.

Feita no fundo de seu quintal, pelo fotógrafo Jason Guenzel com o lema “Fotografando as curiosidades do universo ao seu redor” a foto mostra a “natureza turbulenta da cromosfera solar”, ou a segunda das três camadas principais da atmosfera do Sol, explica Guenzel, que faz questão de destacar o grande desafio desse tipo de fotografia “devido à luz avassaladora da fotosfera abaixo”. A foto chama muita atenção pela sua riqueza de detalhes e por ter sido obtida através de método exclusivo de processamento de imagens desenvolvido pelo próprio fotógrafo.

Para conseguir a textura da foto, Guenzel utilizou um filtro de hidrogênio alfa que mostrou camadas do plasma da cromosfera solar. Depois de “empilhada”, a foto foi progressivamente editada de forma a acentuar o contraste das estruturas. Guenzel utilizou alguns equipamentos sofisticados na produção da imagem: um refrator acromático Explore Scientific AR152, um filtro solar Daystar Quark Chromosphere, um sensor CMOS ASI174MM-Cool e um tripé Celestron AVX.

2. Como elas nascem?

As estrelas se formam a partir de grandes colunas de gases chamadas nebulosas moleculares. A sua formação tem início quando as regiões dessas nebulosas gigantes se colapsam sob a ação da gravidade. À medida que isso ocorre ela se divide em partes menores, essas partes são denominadas protoestrelas.
Quando esse fragmento se destaca das outras partes da nuvem molecular, passamos a considerá-lo um objeto bem definido, com identidade própria e campo gravitacional. Ele começa a girar cada vez mais rápido, aumentando sua temperatura e pressão, até que o hidrogênio se transforme em hélio por fusão termonuclear. Esse processo de formação pode levar dezena de milhões de anos.

Para entendermos melhor esse processo vamos assistir a essa simulação de formação estelar. Nela podemos ver o gás e a poeira, em movimento no espaço, que se juntarão devido a gravidade, criando uma protoestrela. O aumento no brilho no centro desta nuvem indica um aumento na temperatura e na pressão da mesma.

3. Tipos de estrelas

Anã Marrom

Uma anã marrom é um objeto cuja massa varia entre os planetas gigantes e estrelas pequenas, por causa disso, são uma espécie de objeto sub-estrelar. Possuem baixa luminosidade pois não conseguem dar início a fusão nuclear que transforma hidrogênio em hélio (por isso ficaram conhecidas por “estrelas frustradas”).
A razão pela sua incapacidade em iniciar a fusão nuclear decorre de seu tamanho. A União Astronômica Internacional delimitou uma barreira entre grandes planetas e anãs marrons com 13 vezes a massa de Júpiter, que é a massa necessária para a fusão do deutério, que é o tipo mais fácil de átomo para fusão.
Mas o deutério é raro no universo, não existes quantidade suficiente desse elemento para formar uma estrela verdadeira, por isso esses objetos carregam o nome de “estrelas fracassadas”.

Massa
Temperatura
Composição

Anã Vermelha

Elas se formam como as outras estrelas. Uma nuvem de poeira e gás é atraída pela gravidade, o material se agrupa no centro e, quando atinge a temperatura ideal, inicia a fusão nuclear. O que diferencia as anãs vermelhas das outras estrelas da sequência principal – sequência que designa estrelas que possuem hidrogênio no núcleo, onde este é transformado em hélio – é seu tamanho e sua longa vida.
Elas são pouco massivas e relativamente frias, devido a essas características essa estrela consome lentamente seu estoque de hidrogênio e, assim, aumentam seu tempo de vida. São os tipos mais comuns de estrelas na Via-Láctea, a estrela mais próxima de nós depois do Sol é Alpha Centauri C, uma anã vermelha que está há 4,22 anos-luz de distância.

Massa
Temperatura
Composição

Anã Branca

São resíduos de uma estrela morta. A transformação em anã branca inicia-se quando uma estrela da sequência principal esgota seu hidrogênio, e quando todo esse elemento é fundido a gravidade assume o controle e a estrela começa a cair sobre si mesma, por esse motivo a densidade desses objetos são elevadas.
As anãs brancas representam o fim do ciclo de vida estelar de estrelas intermediárias e de baixa massa, esse é o estágio final de 97% das estrelas conhecidas. Se a estrela tiver uma massa intermediária, o excesso de matéria flutua para formar uma nebulosa planetária e apenas o núcleo super denso permanece, agora, se a estrela for de pouca massa, como um anã vermelha, ela apenas se contrairá. Sírius B é um exemplo de anã branca.

Massa
Temperatura
Composição

Gigante Vermelha

Estrelas entram nessa fase quando esgotam seu hidrogênio, mudando a pressão das reações nucleares e a força gravitacional. As camadas externas expandem, aumentando o tamanho da estrela.
Esse é o processo pelo qual estrelas de massa intermediárias irão passar, inclusive o Sol, nosso astro-rei. Como vimos anteriormente, estrelas intermediárias terminam em anãs brancas, mas antes desse estágio a estrela se torna uma gigante vermelha, e quando todo seu estoque de hidrogênio das camadas externas se esgotarem, ela colapsa, e se torna uma nebulosa planetária com uma anã branca no centro. Esse é o ciclo pelo qual o Sol irá passar, e possivelmente ele vai se expandir até a órbita da Terra, isso significa que todos os planetas antes dessa órbita serão “engolidos” pela estrela.

Massa
Temperatura
Composição	hélio, hidrogênio, carbono, oxigênio, neônio, magnésio, silício, ferro

Supergigante Vermelha

Surgem da mesma forma que as gigantes vermelhas, a única diferença é que as estrelas que dão origem as supergigantes vermelhas são as Estrelas massivas, que por terem mais massa possuem uma gigante vermelha maior.
O processo de expansão da estrela é o mesmo citado no tópico acima, mas o fim dessa é mais trágico. Quando o hidrogênio se esgota por completo a estrela se torna instável e explode em uma Supernova. Essa explosão deixa para trás o que pode se tornar uma estrela de nêutrons ou um buraco negro.

Massa
Temperatura
Composição	hélio, hidrogênio, carbono, oxigênio, neônio, magnésio, silício, ferro

Estrelas de Nêutrons

Surgem de Supernovas e são os objetos mais densos do universo (perdendo apenas para os buracos negros). Emitem pouca luz, por isso boa parte delas são detectadas por suas pulsões de rádio.
Estrelas de nêutrons são muito pequenas e possuem muita massa, elas podem concentrar a massa do Sol em um raio de 10 Km. Devido ao seu tamanho reduzido, essas estrelas giram em alta velocidade, a estrela de nêutron giratória mais rápida já conhecida gira cerca de 700 vezes por segundo. A gravidade que atua sobre esse objeto também é muito forte, por exemplo, se fosse possível existir vida nessa estrela ela seria Bidimensional (2D), já que a gravidade é capaz de achatar quase tudo. Para se escapar desse campo gravitacional é preciso ter metade da velocidade da luz.

Elas são divididas em dois tipos:

Pulsares – São altamente magnetizadas, giram muito rapidamente em seu eixo. Mas a maioria das estrelas do universo são velhas demais para serem pulsares.

Magnetar – Pode-se dizer que são estrelas de nêutrons lentas. Possuem as mesmas características, mas se diferenciam no ritmo de rotação, essas são 1 volta a cada 8 ou 10 segundos, e também possuem o campo magnético mais poderoso.

Massa
Temperatura
Composição

Massa
Temperatura
Composição

4. Composição química das estrelas

Muitas das estrelas que vemos no céu são parecidas com o Sol, tendo um percentual de composição química próxima ao dele. O Sol, possui uma abundância de Hidrogênio, que corresponde a 74,8% de toda a sua massa, contém 23,6% de Hélio e apenas 2% de outros elementos como carbono, oxigênio, neônio, magnésio, silício e ferro.

Entretanto, algumas das estrelas são mais ricas quimicamente, contendo um percentual de elementos diferentes da do Sol. Essa variação vem da diferença de idade e tamanho que existe entre elas. Aqui a gente consegue ver que essa estrela consegue fundir até o ferro que é o elemento mais pesado produzido por elas. Gigante vermelha.

Espectro Eletromagnético

É graças a análise desses espectros que temos conhecimento sobre a matéria que constitui as estrelas, mesmo elas estando a milhões de quilometro de distância.

Temos uma apresentação que explica como esse processo é feito.

Saiba mais

Ilustração: Peter Hermes Furian

5. Qual sua fonte de energia?

O principal combustível de uma estrela é o hidrogênio que, durante a fusão termonuclear, se transforma em hélio, liberando uma grande quantidade de energia, mantendo a estrela “acesa” e estável. Estrelas que não possuem hidrogênio suficiente, ou que não atingiram a temperatura mínima de 10 milhões de K, são incapazes de dar início à fusão nuclear, chamamos essas estrelas de “estrelas fracassadas”.

Aqui temos um vídeo que explica de uma forma mais detalhada esse processo de produção de energia.

6. Ciclo de uma estrela

Assim como quase tudo no universo, as estrelas seguem um ciclo. Elas nascem das grandes nuvens de gases e poeira, quando uma protoestrela atinge 10.000.000 Kelvin ela se torna uma estrela da sequência principal, podendo ser uma estrela pequena, com relativamente pouca massa, ou gigante, com massa maior que a de 25 vezes a massa solar.

Ao atingirem o equilíbrio hidrostático e iniciarem a fusão, as estrelas dão início à fase mais longa de sua vida, queimando o hidrogênio em seu núcleo e produzindo energia. A diferença entre as pequenas e as grandes estrelas é o tempo que levam para queimar todo o hidrogênio. Estrelas gigantes queimam seu combustível mais rápido, devido a sua maior temperatura, sendo assim, elas possuem uma vida mais curta.

Estrelas de pouca e média massa:

Quando elas queimam todo o hidrogênio do núcleo a fusão é interrompida e, assim, o equilíbrio que ela possuía é quebrado, a gravidade passa comprimir a estrela, enquanto ela queima o hidrogênio restante das camadas mais externas. Ao ser comprimida sua pressão interna aumenta e, em consequência, a temperatura, assim ela se torna capaz de fundir Hélio em carbono e expande, podendo atingir o dobro de seu tamanho original, se tornando uma gigante vermelha.

Após se tornar uma gigante vermelha, e esgotar todo o Hélio disponível que tinha para a conversão do carbono, a estrela ejeta as suas camadas mais externas formando o que chamamos de nebulosas planetárias. O que resta da estrela é apenas o seu núcleo, cheio de carbono, conhecido por anã branca. Essas anãs brancas são formadas por estrelas que tinham massas menores que a de 8 massas solares.

Nebulosas

Nebulosas são nuvens de gás e poeira formadas por hidrogênio, hélio e plasma que
se originam devido a explosão de uma estrela. São enormes e coloridas (sua
coloração é fruto da composição química e da quantidade de ionização) podendo
chegar a até centenas de anos-luz de diâmetro. Como em um ciclo, nessas
nebulosas se formam novas estrelas e sistemas planetários, como o Sistema sol.

Saiba mais sobre nebulosas na nossa página.

Saiba mais

Credit: ESO/VISTA/J. Emerson. Acknowledgment: Cambridge Astronomical Survey Unit

Estrelas de muita massa:

Possuem um processo semelhante, elas esgotam o Hélio e voltam a se comprimir, aumentando a temperatura para, assim, conseguir fundir o carbono em elementos mais pesados. Ela repete esse processo toda vez que um elemento presente no núcleo se esgota, permitindo que ocorra a criação de um novo elemento por fusão termonuclear, contudo cada estágio desse processo tem uma duração mais curta que a anterior. Estrelas gigantes podem levar até 10 milhões de anos queimando hidrogênio, mas sua fase final, transformando silício em ferro, pode durar apenas 1 dia.

O fim desse ciclo se inicia com a fusão do ferro, que é um dos elementos mais estável da tabela periódica e não pode ser fundido pela estrela. Com núcleo repleto desse elemento a estrela não consegue mais realizar a fusão, a gravidade passa a comprimi-la, ela se contrai com tanta rapidez que explode em uma supernova liberando os átomos que hoje formam nosso corpo e toda a base de vida existente na Terra. Os restos remanescentes da estrela dependem da massa que ela possuía: estrelas entre 8 e 25 massas solares se tornam uma estrela de nêutrons, estrelas com mais de 25 massas solares tornam-se buracos negros.

Supernovas

São grandes explosões estelares com um alto poder destrutivo. Surgem de estrelas supermassivas, que passam pelo seu processo de expansão, tornando-se uma supergigante vermelha.

Caso você esteja usando algum tipo de joia nesse momento, saiba que o ouro, a prata e a platina foram produzidos numa Supernova, especificamente no chocar de átomos gerado pela explosão. O ferro e o oxigênio presentes no seu sangue foram fabricados no interior de uma dessas estrelas gigantes por fusão termonuclear e espalhados pelo universo através dessa Supernova.

Saiba mais sobre Supernovas na nossa página.

Saiba mais

Credit: ESO