Conteúdos
● O que é uma estrela;
● De onde vem a fonte de energia de uma estrela;
● Evolução estelar e cadáveres cósmicos;
● Estrelas e os elementos químicos.
Objetivos
● Compreender o ciclo de vida das estrelas;
● Compreender de onde vem a fonte de energia das estrelas;
● Compreender que a maioria dos elementos químicos da Tabela Periódica são formados no interior das estrelas.
Palavras-Chave:
Evolução estelar. Estrelas. Anã Branca. Estrelas de Nêutrons. Buraco Negro. Elementos químicos.
Sugestão de aplicação para o ensino remoto:
As sugestões estão organizadas em tópicos com uma breve explicação de cada recurso.
● Jitsi Meet: é um sistema de código aberto e gratuito, com o objetivo de permitir a criação e implementação de soluções seguras para videoconferências via Internet, com áudio, discagem, gravação e transmissão simultânea. Possui capacidade para até 200 pessoas, não há necessidade de criar uma conta, você poderá acessar através do seu navegador ou fazer o download do aplicativo, disponível para Android e iOS.
Trabalhando com essa ferramenta, é possível:
– Compartilhar sua área de trabalho, apresentações e arquivos;
– Convidar usuários para uma videoconferência por meio de um URL simples e personalizado;
– Editar documentos simultaneamente usando Etherpad (editor de texto on-line de código aberto);
– Trocar mensagens através do bate-papo integrado;
– Visualizar automaticamente o orador ativo ou escolher manualmente o participante que deseja ver na tela;
– Reproduzir um vídeo do YouTube para todos os participantes.
● Gravação de videoaula usando o Power Point: o PPT, já tão utilizado por nós professores para preparamos nossas aulas, também permite a gravação de uma narração para os slides, que tanto nos auxiliam na explanação dos conteúdos. É possível habilitar a função de vídeo enquanto grava, assim, os alunos verão o professor em uma janelinha no canto direito da apresentação. Essa ferramenta é bem simples e eficaz. Veja um guia.
● Envio de Podcast aos alunos: podcast nada mais é do que um áudio gravado (como os enviados pelo Whatsapp). Podem ser utilizados para narrar uma história, para correção de atividades, revisar ou aprofundar os conteúdos. Para tanto, sugiro o app Anchor, que pode ser baixado no seu celular. Ele é muito fácil e simples de utilizar.
● Plataforma Google Classroom: permite a criação de uma sala de aula virtual. Essa ação irá gerar um código que será compartilhado com os alunos, para que acessem a sala. Nesse ambiente virtual, o/a professor/a poderá criar postagens de avisos, textos, slides do PPT, conteúdos, links de vídeos, roteiros de estudos, atividades, etc. É uma forma bem simples e eficaz de manter a comunicação com os alunos e postar as aulas gravadas, usando os recursos anteriormente mencionados. Confira outros recursos oferecidos pela Google, como a construção de formulários (Google Forms) para serem realizados pelos alunos.
Sugerimos aulas com até 30 minutos de duração. Além disso, nem toda aula precisa gerar uma atividade avaliativa, para não sobrecarregar os alunos. As aulas virtuais também podem ser úteis para correção de exercícios e plantões de dúvidas.
Previsão para aplicação:
4 aulas (30 min./aula)
1ª Etapa: Início de conversa
A sugestão para o (a) professor (a) é começar este plano de aula fazendo uso do ensino híbrido (modalidade sala de aula invertida), enviando previamente aos/às alunos/as, através da plataforma Google Classroom, as perguntas abaixo. Dessa forma, eles serão estimulados a pesquisarem mais sobre os conteúdos que serão trabalhados.
1) Qual é a idade do nosso Universo?
2) E a idade do nosso Sol, quem sabe?
3) Quanto tempo de vida ainda resta para o Sol?
4) As estrelas morrem?
5) Qual é o elemento químico mais abundante no Universo?
6) Qual é a relação que existe entre uma Bomba de Hidrogênio e uma estrela?
Obs.: Na Internet, existe um projeto de extensão da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), criado pelo professor Alexandre Zabot, chamado “Astrofísica para Todos”. Nesse projeto, é ofertado, gratuitamente, um minicurso sobre “Astrofísica Geral”.O minicurso trata dos mais diversos assuntos abordados em Astronomia, entre eles, a evolução, vida e morte das estrelas. O material pode ser proveitoso tanto para os/as professores/as, quanto para os/as estudantes. Acesse o minicurso!
2ª Etapa: O que é uma estrela?
Para esta etapa, o/a professor/a poderá gravar um podcast (usando o recurso sugerido anteriormente neste plano) com o texto descrito abaixo, e disponibilizá-lo para que os/as alunos/as ouçam na plataforma Google Classroom. Lembre-se de fazer diferentes entonações de voz e de adicionar músicas e efeitos sonoros ao seu podcast.
Afastados dos grandes centros, da poluição luminosa e atmosférica, durante uma noite sem nuvens, ao olharmos para os céus nos deparamos com uma miríade de astros. Com exceção da nossa vizinha Lua — que apresenta fases —, os demais astros parecem não mudar. Eles são percebidos como imutáveis e “imortais”.
Um(a) observador(a) mais cuidadoso(a), no entanto, perceberá uma mudança na posição dos nossos companheiros de viagem espacial, os nossos vizinhos errantes, os planetas. Uma vez ou outra pode surgir um meteoro, e, com muita sorte, quem sabe até mesmo um cometa?!
Mas as estrelas não. Elas se apresentam como astros fixos e brilhantes. Como se estivessem lá no alto para nos transmitir uma sensação de ordem, de calma, e de estabilidade. Mas essa suposta calmaria é apenas aparente! Isso se deve ao fato do nosso tempo médio de vida ser uma fração irrisória do tempo cósmico. De forma análoga a todos os seres vivos que conhecemos na Terra, as estrelas também nascem, evoluem e morrem.
O nosso Universo possui 13,8 bilhões de anos, e centenas de bilhões de galáxias, cada uma delas contendo bilhões de estrelas. Estrelas essas que em sua maioria são como o nosso Sol. Sim! O nosso Sol é uma estrela. A nossa estrela. O fato dela parecer-nos especial é apenas devido à nossa proximidade ao astro rei e devido à nossa total dependência do mesmo para sobrevivermos. Sem o Sol, a vida na Terra, como a conhecemos, seria inimaginável.
Bom, mas se o Sol é uma estrela, e existem bilhões e bilhões de estrelas, afinal de contas, o que elas são? As estrelas são astros que produzem a sua própria luz. São formadas por gases, basicamente hidrogênio e hélio. E elas se encontram naquilo que se pode chamar de o “quarto estado físico da matéria”, ou seja, bolas de plasma. São formadas por nuvens de gás interestelar que, por efeitos gravitacionais, começam a contrair. À medida que o gás é comprimido em direção ao centro da nuvem, a temperatura em seu interior aumenta. A temperatura vai subir até um certo ponto que será capaz de “acender” a estrela. E assim a estrela acaba de nascer.
A vida da estrela dependerá do equilíbrio, ou desequilíbrio, da “disputa” entre duas forças: a força gravitacional, que é sempre atrativa e empurra toda a massa da estrela para o centro, e a força devido à pressão térmica, que ao esquentar o gás fará com que ele tenda a se expandir, ou seja, empurra a massa para fora.
3ª Etapa: De onde vem a fonte de energia de uma estrela?
Para as etapas 3, 4 e 5, a sugestão são aulas expositivas, que podem acontecer ao vivo (através da plataforma Jitsi Meet). O/a professor/a poderá usar os conteúdos descritos abaixo para preparar slides e compartilhar com os/as alunos/as no momento da aula (utilize o recurso de compartilhamento de tela do seu computador, disponível na plataforma). Também é possível instigar a participação da turma pelo chat ou por meio da habilitação do microfone.
Conforme a temperatura do interior da nuvem aumenta – a gravidade continuará a contrair a nuvem – o grau de agitação entre as partículas que a constituem também aumenta. Chegará um ponto em que a temperatura será tão alta que no centro da nuvem começarão a ocorrer reações de fusão nuclear. Átomos de Hidrogênio vão se chocar com tanta energia que serão fundidos em átomos de Hélio.
De uma forma bem simplificada, pode-se dizer que quatro átomos de Hidrogênio se fundem para formar um átomo de Hélio. Mas se somarmos as massas dos quatro átomos de Hidrogênio, ela é menor do que a massa do átomo resultante, o átomo de Hélio.
Para onde foi parte da massa durante a fusão nuclear? Essa diferença de massa será convertida em energia, de acordo com a famosa equação do físico alemão Albert Einstein:
Onde:
E = energia
m = massa
c = velocidade da luz = 300.000 Km/s
Está aí a fonte de energia de todas as estrelas que vemos brilhar durante uma noite estrelada.
Obs.: A Bomba de Hidrogênio obedece ao mesmo princípio, onde átomos de Hidrogênio são fundidos em átomos de Hélio, liberando uma enorme quantidade de energia.
Pode-se dizer que a Bomba-H é uma “mini estrela” criada pela humanidade, que vive por um intervalo de tempo muito curto.
Vale a pena ressaltar que a fusão nuclear não precisa ser utilizada apenas para fins bélicos, ou seja, para a criação de armas. Ao redor de todo o mundo, há vários centros de pesquisas buscando desenvolver reatores de fusão nuclear para a geração de energia limpa, e não para a geração de cadáveres.
4ª Etapa: Evolução estelar e cadáveres cósmicos
Dependendo da massa inicial da estrela, formada pela nuvem de gás, ela terá uma vida mais longa ou mais curta, e terminará seu ciclo de vida como uma anã branca, uma estrela de nêutrons ou como um buraco negro.
Estrelas como o nosso Sol, por exemplo, vivem em torno de 10 bilhões de anos. O nosso astro rei possui em torno de 4,5 bilhões de anos, ou seja, ainda lhe resta mais uns 5,5 bilhões de anos de vida.
Um fato interessante é que, ainda que possa parecer contraintuitivo, estrelas muito massivas vivem por pouco tempo, enquanto estrelas menos massivas vivem por muito mais tempo. Embora as estrelas mais massivas possuam mais combustível nuclear para “queimar”, ou seja, mais átomos de Hidrogênio para fundir em átomos de Hélio, elas consomem o combustível muito mais rapidamente do que uma estrela menos massiva, e por isso vivem menos.
Os astrônomos medem as massas das demais estrelas utilizando a massa do nosso Sol como parâmetro. Desta forma, podemos ter uma melhor ideia da ordem de grandeza envolvida.
A massa inicial de uma estrela determina o quanto ela viverá, e como ela irá morrer, da seguinte forma:
● Estrelas com até 10 massas solares morrerão como uma Anã Branca;
● Estrelas entre 10 e 25 massas solares morrerão como uma Estrela de Nêutrons;
● Estrelas acima de 25 massas solares morrerão como Buracos Negros.
5ª Etapa: Estrelas e os elementos químicos
Anã Branca: é o resultado de uma estrela que foi capaz de fundir, através do processo de fusão nuclear, até os átomos de Carbono e Oxigênio. Inicialmente, a estrela fundiu Hidrogênio em Hélio, e depois Hélio em Carbono, e um pouco de Oxigênio. Mas ao chegar no Carbono, a estrela não teve mais energia para continuar as fusões nucleares para transformar átomos leves em átomos cada vez mais pesados.
Antes de chegar ao estágio final, ela formará a famosa nebulosa planetária. A massa final da estrela é menor que 1,4 massas solares, e ocupa um volume da ordem do tamanho do planeta Terra, sendo, portanto, um objeto muitíssimo denso, onde uma colher de chá de matéria da estrela pesa 1000 Kg.
Estrela de Nêutrons: é o resultado de uma estrela que foi capaz de fundir até o átomo de Ferro. O Ferro é o último elemento químico onde uma estrela pode fundir átomos ganhando energia. A partir do Ferro a fusão atômica deixa de fornecer energia, e passa a consumir a energia da estrela. Esse processo gera um desequilíbrio catastrófico na estrela, que acaba resultando numa supernova. É neste momento, quando a estrela se torna uma supernova, que os átomos mais pesados que o Ferro são fundidos.
A gravidade continua atuando sobre a Estrela de Nêutrons até empurrar os elétrons para “dentro” do núcleo atômico, neutralizando toda a matéria. Um elétron, ao se fundir com um próton, torna-se um nêutron. Por isso, a estrela recebe o nome de “Estrela de Nêutrons”.
A massa final de uma Estrela de Nêutrons é da ordem de 1,4 massas solares, ocupando o volume de uma esfera de 10 Km de diâmetro. Trata-se do objeto físico mais denso que se pode conceber no Universo. Uma colher de chá de matéria de uma estrela de nêutrons pesa 10 bilhões de Kg.
Buraco Negro: uma estrela muito massiva, cuja gravidade seja o suficiente para continuar comprimindo a matéria, mesmo depois de tudo ter se transformado em nêutrons, pode se tornar um Buraco Negro. Ele não é um objeto físico, pois possui características físicas “bizarras”, como, por exemplo, densidade infinita. Ele ainda continua sendo um tema bastante desafiador, pois põe em cheque as bases de toda a Física. A massa final de um Buraco Negro é estimada entre 5 e 13 massas solares, mas em um volume que tende a zero e, portanto, com densidade que tende para o infinito.
O buraco negro tem esse nome devido ao fato de que para escapar de dentro dele, um objeto deveria ter uma velocidade superior à velocidade da luz, o que é impossível, de acordo com a Teoria da Relatividade de Albert Einstein. Sendo assim, nem a luz escapa do seu interior, e, por isso, ele é chamado de Buraco Negro.
Ao final das aulas, o/a professor/a poderá solicitar como atividade avaliativa que os/as alunos/as gravem podcasts curtos sobre algum tema trabalhado de interesse deles/as. É possível divulgar no blog da escola ou em outra rede social.
Para enriquecer ainda mais as aulas, também é recomendado o uso do planetário aberto Stellarium. Você poderá mostrá-lo através do recurso de compartilhamento de tela do seu computador e viajar, virtualmente, pelo Universo junto com a turma.
Plano de aula elaborado pelo Professor Elves Silva Moreira
Adaptação para o ensino remoto elaborada pela Prof.ª Dr.ª Nathalie Lousan
Materiais Relacionados
● Para ver conteúdos sobre Evolução Estelar: Vida e morte das estrelas, acesse:
CBPF
Acesso em: 19 de outubro de 2020.
Astro – USP
Acesso em: 19 de outubro de 2020.
Explorando o Universo: dos quarks aos quasares
Acesso em: 19 de outubro de 2020.
Evolução estelar: o ciclo de vida das estrelas
Acesso em: 19 de outubro de 2020.
● Para ver vídeos sobre Evolução Estelar: Vida e morte das estrelas, acesse:
Ciência Todo Dia – De Poeira Estelar a Supernovas: O Ciclo de Vida das Estrelas
Acesso em: 19 de outubro de 2020.
Simplifísica – Vida e morte das estrelas
Acesso em: 19 de outubro de 2020.
Astrofísica para Todos – Tema 12: A morte das estrelas
Acesso em: 19 de outubro de 2020.
Simplifísica – Evolução de estrelas
Acesso em: 19 de outubro de 2020.