Para entender a natureza da nossa galáxia, os astrônomos tiveram que olhar para universos insulares distantes.

Clique na imagem para ampliar | A faixa luminosa da Via Láctea, de Cassiopeia a Scorpius, se estende pelo céu sobre o Vale do Panamint, no Parque Nacional do Vale da Morte. Crédito da imagem: John Fisanotti

Por milênios, os observadores especularam sobre a verdadeira natureza da Via Láctea. Os gregos diziam que a neblina no céu era leite jorrando do peito da deusa Hera, os egípcios achavam que era leite de vaca, e alguns aborígenes australianos achavam que era um rio que atravessava o céu.

Hoje, sabemos que estamos olhando ao longo do plano de nossa galáxia espiral, composta por pelo menos 100 bilhões de estrelas. Mas entender a forma da Via Láctea provou ser difícil até o século 20. O problema é que não podemos ter uma visão panorâmica de nossa galáxia porque nosso sistema solar está enterrado dentro da galáxia. Mas com a invenção do telescópio, fotografia, espectroscopia e radioastronomia, descobrimos a forma e o tamanho de nossa galáxia natal, e nosso lugar entre as bilhões de estrelas que compõem nosso universo insular.

A REVOLUÇAO DO TELESCÓPIO

Antes do telescópio, não havia uma compreensão clara da extensão da nossa galáxia. Quase 25 séculos atrás, o filósofo grego Demócrito propôs que a Via Láctea estava cheia de estrelas que pareciam se misturar por causa de sua grande distância. No entanto, 100 anos depois, Aristóteles sugeriu que o rio nebuloso de luz era um fenômeno atmosférico. A autoridade de Aristóteles foi aceita por quase 2.000 anos, até que dois pequenos pedaços de vidro finalmente o derrubaram.

Quando Galileu Galilei virou seu telescópio para o céu em 1609, ele fez descobertas surpreendentes. Ele publicou suas observações em um pequeno livro, Sidereus Nuncius, em março de 1610. A Lua era áspera e imperfeita, declarou ele, e Júpiter tinha quatro companheiros. Galileu também escaneou a Via Láctea e relatou: “Esta luneta me permitiu descobrir uma infinidade de estrelas fixas nunca antes vistas, das quais são mais de dez vezes mais numerosas do que as naturalmente visíveis”.

Observando alvos como a Nebulosa de Órion (M42) e o Aglomerado da Colmeia (M44) na constelação de Câncer, Galileu encontrou uma miríade de estrelas inobserváveis a olho nu. Ele cogitou que todos os objetos difusos no céu seriam resolutamente estrelas; o astrônomo não poderia saber que cada um desempenharia um papel em nos dar uma imagem de nossa galáxia.

A concepção deste artista da Via Láctea é baseada em dados do Telescópio Espacial Spitzer da NASA. Imagens infravermelhas revelaram que a estrutura espiral da Via Láctea é dominada por dois de seus quatro braços primários: o braço de Perseu e o braço de Scutum-Centaurus. Os braços Norma e Sagitário estão localizados entre eles. A recém-descoberta estrutura Cattail, relatada em agosto de 2021 por astrônomos da Universidade de Nanjing, na China, também pode ser um braço espiral ou um filamento muito longo de gás hidrogênio. Crédito da imagem: Astronomy: Roen Kelly, depois da NASA/JPL-Caltech

NEBULOSAS ESPIRAIS

Depois de alcançar a fama da noite para o dia em 1781, quando descobriu Urano, William Herschel foi rapidamente nomeado astrônomo da corte do rei George III. O rei lhe deu dinheiro para construir telescópios, incluindo seu telescópio de 12 metros de comprimento com um espelho de 48 polegadas.

Com ele, Herschel produziu talvez o primeiro mapa sistemático da Via Láctea. Ele começou observando uma área densa da Via Láctea e contando o número de estrelas em seu campo de visão. À medida que se afastava do plano da Via Láctea, o número de estrelas diminuiu.

Herschel assumiu que o número de estrelas em cada área era uma indicação direta da população estelar naquela direção. Sem saber de qualquer relação entre esmaecimento e distância, ou que milhões de estrelas fracas foram obscurecidas de sua visão, ele produziu um diagrama da Via Láctea que parece uma ameba gigantesca!

Na década de 1840, o equipamento de Herschel foi ofuscado pelo Leviatã de Parsonstown na Irlanda. Construído para William Parsons, Conde de Rosse, o espelho de 72 polegadas deste telescópio monstruoso permitiu que Rosse produzisse desenhos incrivelmente detalhados do que viu. Em particular, suas observações da Galáxia do Redemoinho (M51), da Galáxia do Triângulo (M33) e da M99 (NGC 4254) mostraram estruturas espirais distintas. Sem uma maneira adequada para medir distâncias, os astrônomos só podiam questionar se essas nebulosas, como estrelas e aglomerados, estavam dentro da Via Láctea. Afinal, se fossem estruturas distantes além da Via Láctea, o que isso significava para o nosso lugar no universo?

William Herschel construiu seu mapa da Via Láctea com medidas que chamou de “gages estelares”, que ele fez apontando seu telescópio para trechos do céu e contando o número de estrelas que viu. O resultado é uma seção transversal da Via Láctea do ponto de vista da Terra. Crédito da imagem: Caroline Herschel

MEDIDAS CÓSMICAS

O debate sobre a natureza física da Via Láctea continuou no início do século 20. Duas novas tecnologias ajudaram a impulsionar a discussão: espectroscopia e fotografia. A capacidade de analisar a luz das estrelas deu aos astrônomos uma nova maneira poderosa de entender a química das estrelas, enquanto a fotografia aumentou a capacidade limitada de coleta de luz do olho humano.

Armados com essas ferramentas, os astrônomos Henrietta Leavitt, Edward C. Pickering e Ejnar Hertzsprung descobriram e definiram uma relação entre o período de escurecimento e brilho de uma classe de estrelas chamadas variáveis Cefeidas. Em 1908, Leavitt estudava estrelas variáveis em fotografias das Grandes e Pequenas Nuvens de Magalhães enviadas ao Observatório da Faculdade de Harvard, onde trabalhava, do observatório de Harvard no Peru. Ela notou uma variação rítmica e previsível no brilho dessas estrelas nas Grandes e Pequenas Nuvens de Magalhães, que pode durar de um único dia a mais de um mês antes de se repetir.

Além disso, ela descobriu que quanto maior o período de variação, mais brilhante a estrela parecia ser. Como todas as estrelas na Pequena Nuvem de Magalhães estão aproximadamente à mesma distância, ela raciocinou que o período de uma variável Cefeida estava relacionada ao seu brilho verdadeiro e intrínseco.

Pickering, o diretor do observatório, sugeriu que essa relação período-luminosidade poderia ser útil para determinar a distribuição de aglomerados de estrelas e nebulosas. E Hertzsprung foi capaz de ajustar essa técnica fazendo medições de distância independentes para as Cefeidas usando o método de paralaxe, vendo o quanto elas se deslocavam em relação às estrelas de fundo enquanto a Terra orbitava o Sol.

Assim, medindo o período de uma Cefeida, os astrônomos poderiam conhecer seu verdadeiro brilho, e comparando-o com seu brilho aparente, calcular a distância. Os astrônomos finalmente tinham um padrão cósmico confiável.

Na mesma época, o jovem astrônomo Harlow Shapley começou a medir a distribuição de aglomerados globulares, esferas compactas e densas de estrelas. Em 1918, ele descobriu que os aglomerados se concentravam em torno da constelação de Sagitário, formando um halo ao redor da Via Láctea. Ele também fez medições de paralaxe aprimoradas de variáveis Cefeidas, o que, por sua vez, melhorou a calibração da relação de Leavitt.

Usando esses dados, Shapley não apenas localizou o centro de nossa galáxia, em Sagitário, mas também mostrou que a Via Láctea era 10 vezes maior que as estimativas anteriores. Suas observações também colocaram nosso sistema solar longe do centro da galáxia. Dado o tamanho da nossa galáxia, Shapley estava convencido de que as nebulosas espirais, como os aglomerados globulares, faziam parte da Via Láctea.

As estrelas variáveis ??cefeidas continuam sendo importantes para entender a forma da Via Láctea. Cada ponto nesta imagem é uma Cefeida cuja distância foi medida por uma equipe usando o telescópio Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE), ao centro, no Observatório Las Campagnas, no Chile. Crédito da imagem: K. Ulaczyk/J. Skowron/OGLE

O GRANDE DEBATE

No início do século 20, a especulação sobre nebulosas espirais e a natureza da Via Láctea atingiu um pico de exaustão. A fotografia mostrou claramente que essas nebulosas tinham estrutura espiral bem definida composta por inúmeras estrelas, mas não havia boas medições de sua distância para verificar se elas estavam dentro da Via Láctea ou não.

Em abril de 1920, Harlow Shapley enfrentou Heber Curtis no Museu Nacional de História Natural em Washington, DC, em uma discussão chamada O Grande Debate. Shapley sustentou que a espiral e todas as outras nebulosas faziam parte da Via Láctea, assim como aglomerados globulares. Mas Curtis forneceu evidências convincentes de que eram sistemas estelares independentes, “universos insulares”, como ele os chamava, um termo cunhado pelo filósofo alemão Immanuel Kant.

As variáveis cefeidas acabaram por resolver o debate. Alguns anos depois, enquanto usava o telescópio Hooker de 100 polegadas no Observatório Mount Wilson, na Califórnia, Edwin Hubble encontrou variáveis Cefeidas na nebulosa espiral de Andrômeda. Usando a calibração de Shapley da relação período-luminosidade de Leavitt, o Hubble mostrou que este objeto estava a 900.000 anos-luz de distância, muito além dos arredores da Via Láctea. (Esse número foi refinado para 2,5 milhões de anos-luz.) Em uma única medição, ele provou que a Via Láctea não era o universo inteiro, mas parte de um vasto mar de universos insulares.

Em 2019, a equipe OGLE lançou um mapa tridimensional da Via Láctea, conforme traçado por mais de 2.400 Cefeidas. O mapa mostra como a porção externa do disco da galáxia é deformada. Essa deformação havia sido detectada anteriormente, mas esta foi a primeira vez que foi mapeada com medições diretas de distância das estrelas. Crédito da imagem: Jan Skowron/OGLE/Observatório Astronômico, Universidade de Varsóvia

A ASCENSÃO DA RADIOASTRONOMIA

No século 19, os astrônomos ficaram intrigados com grandes áreas ao longo da Via Láctea quase desprovidas de estrelas. Esses chamados sacos de carvão apareceram como buracos escuros contra um fundo estrelado. Pelo menos um astrônomo especulou que poderiam ser aberturas para o céu!

Como naquela época a exploração da Via Láctea ainda estava restrita à luz visível, os astrônomos não sabiam que os sacos de carvão eram enormes nuvens de gás e poeira bloqueando a luz de estrelas distantes. Uma nova tecnologia precisaria ser desenvolvida antes que os astrônomos pudessem explorar e entender essas nuvens frias e escuras que percorrem o plano da Via Láctea.

O nascimento da radioastronomia forneceu essa nova ferramenta e levou à descoberta de que a galáxia está cheia não apenas de poeira, mas também de enormes quantidades de gás hidrogênio frio e neutro. Na maioria das vezes, o próton e o elétron de um átomo de hidrogênio giram na mesma direção. Mas às vezes, os elétrons se sacodem e giram em outra direção. Para qualquer átomo de hidrogênio, isso só acontece uma vez a cada 100 milhões de anos. Quando isso acontece, a energia é emitida com um comprimento de onda de 21 centímetros. Essas ondas passam direto pelas nuvens de poeira que escondem a luz visível, que tem um comprimento de onda muito menor.

Quando os astrônomos detectaram pela primeira vez uma radiação de 21 cm em 1951, eles começaram a usá-la para finalmente olhar através dessas nuvens para construir uma imagem mais completa da nossa Via Láctea. Ao observar a distribuição do hidrogênio neutro, os astrônomos puderam mapear porções invisíveis da galáxia, traçando seus braços espirais, onde o hidrogênio está concentrado.

A FORMA DA NOSSA GALÁXIA

Nos últimos 70 anos, surgiu uma imagem de uma galáxia massiva com quatro braços espirais primários. O Sol está localizado a 27.000 anos-luz do centro galáctico ao longo do Orion Spur, um braço menor localizado entre os braços de Perseu e Sagitário. Nos últimos anos, os astrônomos descobriram que a protuberância central da nossa galáxia tem uma estrutura de barra. E seu disco de gás e estrelas é ligeiramente deformado e torcido, talvez pela interação gravitacional com galáxias anãs próximas.

Há mistérios mais profundos ainda a serem resolvidos. Por exemplo, a lei da gravidade de Newton afirma que as estrelas e o gás nas bordas externas de uma galáxia devem orbitar mais lentamente do que os objetos mais próximos de seu centro, mas, em vez disso, observamos que os objetos externos se movem mais rápido. Isso é verdade em nossa galáxia, assim como em outras. A única explicação, sem modificar a lei da gravidade, é a existência invisível de muito mais massa, provavelmente na forma de matéria escura. Mas essa matéria escura nunca foi observada diretamente.

Destacar-se sob uma cúpula de estrelas brilhantes e entender sua verdadeira natureza é um feito incrível da engenhosidade humana. Entender a imensidão de nossa galáxia e nosso lugar nela é um ato impressionante da imaginação humana. Demócrito imaginou um grande número de estrelas além de seu poder de ver. E graças a inúmeros astrônomos que vieram depois dele, encontramos nosso verdadeiro lugar na galáxia que chamamos de lar.

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Referência:

SHUBINSKI, Raymond. How we learned the shape of the Milky Way. Astronomy, 09, fev. 2022. Disponível em: <https://astronomy.com/magazine/news/2022/02/the-shape-of-the-milky-way>. Acesso em: 09, fev. 2022.