Como surgem as galáxias?

Amplie a compreensão da turma sobre o ciclo de vida das estrelas, levando-os a refletir sobre a essência da matéria e como ela se combina para dar origem ao Universo

Conteúdo

- Etapas da evolução estelar: transformação em estrelas gigantes, estrelas anãs ou buracos negros

- Evolução dos modelos de Universo: matéria, radiações e interações fundamentais

Objetivos

Reconhecer os modelos atuais propostos para origem, a evolução e constituição do Universo, os debates entre eles e os limites de seus resultado 

Tempo estimado                     Duas aulas

Anos                               Ensino Médio 

Materiais necessários

- Cópias da reportagem "Aglomeração de estrelas ajuda a entender a estrutura da galáxia", disponível no site de Veja

- Acesso à internet

Experimento das estrelas

- Bexigas 

- Uma fita métrica

- Papel alumínio

- Tesoura 

- Alfinete

- Balança

Experimento do buraco negro

- Cartolina

- Copo descartável vazio

- Bolinha de gude ou metálica

- Cola bastão

                        Leia mais

Plano de aula | A expansão do universo

Reportagem | Para onde o Universo se expande?

Desenvolvimento 

1ª etapa

Comece a aula questionando os alunos sobre a matéria de que todos nós somos feitos. Insista na pergunta porque ela é fundamental para os conceitos que serão discutidos e aprendidos. Procure, por meio de dicas, fazer com que os alunos mencionem as moléculas e os átomos. Explique que os átomos são elementos químicos oriundos de reações nucleares que ocorrem dentro das estrelas a partir do elemento básico mais abundante no universo: o hidrogênio. Desde o Big Bang esse átomo é a base de todos os outros. As estrelas são como grandes fábricas de elementos mais complexos. É a partir delas que se formaram a maioria dos elementos químicos da tabela periódica. Portanto podemos dizer que todos somos formados indiretamente por "restos" de estrelas. 

Para entender o que é uma estrela, recorra a uma definição geral: " Uma estrela é um corpo gasoso no interior do qual ocorrem reações de fusão nuclear formando elementos mais pesados".

Corpo gasoso significa que não há superfície a princípio, pois não há substância sólida no começo da vida. Essa nuvem é composta basicamente de hidrogênio, que é o combustível para que ocorra a tal da fusão nuclear, ou seja, a junção de núcleos de átomos de hidrogênio para formar elementos mais complexos como o hélio, o lítio e o carbono, entre outros. Até o final da aula, vamos entender o que é e o que causa a fusão nuclear. Mas antes quebre alguns mitos que os alunos carregam sobre os astros em questão. Diga que diferentemente do que pensamos as estrelas não têm pontas. Elas são esféricas porque este é o formato geométrico de menor energia (que significa melhor estabilidade ou equilíbrio). As pontas que enxergamos quando olhamos para o céu, em geral, representam a cintilação ocasionada pelo desvio luminoso ao atravessar a atmosfera. 

Aproveite o momento e apresente o Stellarium para a turma (link aqui), um planetário digital de código aberto. Nele, além de recursos astronômicos com riqueza de detalhes visuais, é possível conhecer muitas estrelas de tamanhos diferentes e ainda observá-las de lugares diferentes que extrapolam os limites da Terra, como por exemplo a Lua. Sem a presença da atmosfera, as diversas galáxias, que são conjuntos de estrelas, apresentam-se de forma fascinante para os olhos pouco acostumados com essa realidade. Diga aos alunos que os grupos de estrelas formam primordialmente o que chamamos de aglomerados estelar. O berço das estrelas é uma composição de nuvem de gás e poeira chamada de nebulosa. Dentro dessa massa de gás algumas partes começam a se concentrar devido à força gravitacional. Para esclarecer esse processo, diga aos alunos que é bem parecido com a formação da chuva dentro da nuvem: a água vaporizada forma gotículas pequeníssimas que vão se unindo a outras, depois outras, até que ganham forma e massa para precipitarem como gotas. A diferença na formação das estrelas é que o gás hidrogênio começa a se unir com outros, e sua força de atração aumenta, pois a massa cresce e junto com ela a atração gravitacional. Esse processo ocorre até que sua força é tamanha que começa a sofrer aquecimento gradativo e encerra no processo de fusão nuclear.

Em outras palavras, os átomos de hidrogênio sofrem tanta pressão pela atração que começam a se apertar de tal forma que seus núcleos se fundem, provocando uma imensa liberação de energia. Eis o mistério da luz das estrelas. É uma bomba atômica constante que não cessa enquanto houver hidrogênio para promover a fusão. O mais interessante é que, ao mesmo tempo em que ela provoca uma explosão gigantesca com liberação de energia imensa, ela mesma recolhe seus "restos" de explosão. É como se houvesse uma grande explosão, mas os detritos - que se espalhariam para todos os lados - estivessem amarrados a elásticos e voltassem a compor o corpo que gerou sua explosão. Eis o equilíbrio da estrela: uma constante explosão que não espalha seus elementos pelo espaço. 

2ª etapa

Retome a discussão sobre o surgimento dos corpos celestes e esclareça aos alunos que nem sempre aglomerados de gás e poeira formam estrelas, pois em alguns casos a massa é tão pequena que a atração gravitacional não consegue promover a fusão nuclear. Caso o processo de fusão não ocorra, a estrela não se forma, e se a massa for equvalente a 8% da massa do Sol será chamada de anã-marrom, porém não se pode dizer que se trata de uma estrela, pois o processo de formação não foi bem sucedido.

Quando bem sucedidas as estrelas brilham durante bilhões e bilhões de anos. Há muita massa de hidrogênio para "queimar" e promover a fusão de novos elementos. Aos poucos o núcleo da estrela vai se tornando mais denso, pois os novos elementos, mais complexos que o hidrogênio, carregam mais prótons e nêutrons no seu núcleo. Nesse caso, a estrela tende a caminhar para a fase adulta e em seguida para sua morte. Para compreender melhor, se houver tempo e disponibilidade de material, realize o experimento a seguir para simular o processo de morte de uma estrela.

Encha três bexigas com volumes bem diferentes (uma bem cheia, outra com metade do volume e outra com 25% do volume da maior) e diga a turma que cada bexiga representa um tipo estrela. Envolva totalmente cada uma das bexigas com folhas de papel alumínio. Use a bexiga menor para representar o Sol, colocando-a como referência para comparar as fases finais de cada estrela (vide tabela 1). Deixe bem claro que a massa é determinante na vida e na morte de uma estrela. Escreva na lousa que a densidade de uma estrela é a sua massa dividida pelo seu volume (densidade=massa/volume) e enfatize que o volume é inversamente proporcional a densidade, ou seja, para uma mesma massa, quanto maior o volume menor será a sua densidade. 

Diga aos alunos que a alta concentração de massa distribuída em um pequeno volume gera alta gravidade, por isso a importância da densidade. Para exemplificar a situação, mostre a comparação entre Saturno e a Terra. Mesmo o planeta anelado tendo cerca de quase 100 vezes a massa da Terra, suas gravidades são quase a mesma, diferindo em menos de 10%. Isso ocorre porque a massa da Terra é bastante concentrada, o que faz sua densidade ser bem mais alta que a de Saturno. 

Reforce que, dentro de uma estrela, há um processo chamado de fusão nuclear responsável por produzir alta pressão e temperatura. Essa pressão gera força de repulsão no interior da estrela, mas ao mesmo tempo a força gravitacional atrai a massa repelida, impedindo que todo material seja lançado pelo espaço. A medida que o processo de fusão nuclear for diminuindo, a força interna de repulsão também diminuirá e a força de atração entre os fragmentos da própria estrela será favorecida, provocando diminuição do seu volume e consequente aumento em sua densidade. Nesse momento segure uma bexiga de cada vez e fure-as com o alfinete, o papel alumínio manterá o formato delas.

Com as mãos, amasse bem cada molde de alumínio, simulando a contração da estrela quando o hidrogênio vai se exaurindo. Use a balança para medir a massa de cada uma delas. A massa da bolinha de alumínio formada pela bexiga menor, como já dito, será a de referência e pode ser considerada o Sol. Em seguida compare os valores das outras e verifique o destino que tomará a estrela.

Basicamente podemos entender a nomenclatura Anã branca como a classificação dada às estrelas de massa pequena. Estrela de nêutrons são os astros de massa maior, com grande densidade e gravidade a ponto de entrar em colapso no final da vida e expandir-se em uma explosão de supernova, liberando uma quantidade imensa de energia, como se fosse um flash ultra potente com milhares de vezes o brilho solar, mas que depois se condensa em um corpo altamente denso de tal forma que os átomos ficam restritos a núcleos formados apenas por nêutrons (os elétrons seriam "acoplados" aos prótons e formariam nêutrons). Buracos Negros são corpos cuja densidade é praticamente incompreensível, mesmo para os cientistas. Seu corpo é tão maciço que são denominados como singularidade. Para se ter uma ideia, é como se toda a massa da Terra fosse esmagada em uma bola de golfe. Isso seria a composição básica do buraco negro. Por ter muita massa e altíssima densidade, sua gravidade é tão grande que até mesmo a luz é atraída por ele. Isso significa que nunca ninguém viu ou verá um buraco negro, simplesmente porque ele não reflete luz; ele a "engole". 

Para simular um buraco negro, fale para os alunos para construírem um experimento que reproduz sua atração devastadora.

Pegue uma cartolina e corte uma pequena circunferência com 25 cm de diâmetro. Em seguida, faça um corte radial e cole as duas bordas de modo a formar um objeto cônico, em forma de funil. Coloque o funil no topo do copo e lance uma bolinha tangenciando a borda do funil. A bolinha realizará uma trajetória elíptica e sua velocidade aumentará à medida que desliza em direção ao centro. Esse movimento é similar à trajetória dos corpos quando sugados pelos buracos negros. É por meio desses objetos que os cientistas "enxergam" os buracos negros, pois são eles os elementos observáveis e que o evidenciam. Quanto mais massa ele incorpora, maior fica sua gravidade e seu poder de sugar tudo o que estiver por perto também cresce. 

Avaliação

Retome os assuntos discutidos sobre os astros e verifique se a turma compreendeu os principais conceitos do ciclo de vida das estrelas. Peça para pesquisarem em casa sobre os diversos tipos de estrelas mapeadas pelo homem. Se a escola dispor de recursos audiovisuais, monte grupos de no máximo 4 alunos para fazerem uma apresentação em slides das estrelas mais interessantes para cada grupo, trazendo informações relevantes e enriquecedoras para a turma. Caso a escola não disponha de recursos, peça para que cada grupo faça em uma cartolina os desenhos esquemáticos em escala das maiores estrelas mapeadas em relação ao Sol. Antes, porém, verifique se alunos dominam os conhecimentos necessário para realizar essa tarefa. Em ambos os casos os critérios para avaliar cada trabalho podem ser baseados nas informações encontradas, recursos visuais empregados e domínio dos conceitos trabalhados em sala de aula. Essa tarefa pode dar início ao despertar de uma nova visão sobre a evolução dos astros e outros mistérios. A participação do aluno com perguntas, observações e inclusões também será um elemento essencial na composição do quadro de avaliação.

Consultoria Ilton Miyazato
Professor do Colégio Casagrande, em São Paulo

Consultoria Alexandre S. Emygdio
Professor do Colégio Exatus, em São Paulo

http://revistaescola.abril.com.br/ensino-medio/plano-de-aula-fisica-como-surgem-galaxias-784079.shtml