Espectro, a “digital” das estrelas

Quando Isaac Newton (1643-1727) começou a explorar a natureza da luz, deu o primeiro passo de uma longa jornada experimental. Este caminho fundamentou praticamente toda a astrofísica moderna. Em meados de 1670, Newton chegou à conclusão de que a sensação visual que chamamos de “branco” não passa da soma de diversas cores primárias. O famoso disco de Newton é um círculo colorido que ao ser girado com rapidez torna-se, ao nossos olhos, branco. Decompor a luz com um prisma, semelhante ao que acontece num arco-íris, permite recuperar as cores primárias.

Se você fizer a luz branca atravessar uma fenda e depois um prisma, o que se obtém é uma faixa colorida que varia do vermelho ao violeta, gradualmente passando pelo laranja, amarelo, verde e azul. Esta faixa é chamada de espectro.

Em 1814, o físico alemão Josef von Fraunhofer (1787-1826) foi o primeiro a montar um instrumento capaz de analisar um espectro: o espectroscópio. Fazendo passar a luz que é captada pelo telescópio através de um elemento dispersor, um prisma por exemplo, a luz é decomposta e analisada. Cada cor vai ser dispersa em uma diferente direção. Os raios de luz passam pelo elemento dispersor através de uma fenda. Daí, o feixe luminoso se abre num leque colorido que é projetado sobre um anteparo. Para registrar o espectro geralmente se usava uma placa fotográfica (no século passado), mas hoje sensores fotoelétricos (CCD por exemplo) fazem este papel de forma dinâmica e digital nos observatórios modernos.

Como o espectro dá informações detalhadas sobre o estado e a composição da matéria, ao estudar o espectro de diversas estrelas foi possível dividi-las em várias classes espectrais. A emissão e a absorção de energia pelos átomos se realiza de forma bem determinada, especialmente a energia luminosa. Existem vários tipos de espectros conforme o estado e a composição da matéria que interage com a luz.

Temperatura

Você pode obter a temperatura de uma estrela através da cor da sua luz. Você já deve ter visto o ferro sendo aquecido: um prego aquecido na chama de um fogão, por exemplo. A medida que se aquece, muda de cor: vermelho, laranja, amarelo e quase branco. Os corpos sempre estão emitindo algum tipo de luz (visível ou não). A cor desta luz dependerá basicamente da temperatura: quanto mais quente mais azulada.

As estrelas também se comportam assim produzindo um espectro contínuo, isto é, varia do vermelho ao violeta de forma contínua (como um arco-íris). A região do espectro de maior emissão luminosa determinará a “cor” predominante do corpo. Corpos sólidos, líquidos ou gases bem densos apresentam espectros deste tipo. Ao contrário do nosso senso comum, as estrelas vermelhas são mais frias (menos quentes).

Resumindo: podemos obter a temperatura da superfície das estrelas através da análise detalhada da sua cor.

Composição Química

A espectroscopia também fornece informações sobre a composição química. Um átomo de um determinado elemento químico em estado gasoso, quando submetido à radiação ou aquecido, emite luz. Cada elemento emite seu próprio espectro característico. Lembra dos letreiros de neon? Ao absorver radiação eletromagnética os elétrons do átomo mudam de órbita por alguns instantes, voltando logo em seguida ao estado original, emitindo radiação neste processo. A natureza quântica deste processo obriga que esta energia seja de um determinado comprimento de onda. Na verdade, para cada transição eletrônica (vai e vem do elétron), há uma frequência (comprimento de onda, cor) específica e somente aquela. Assim temos um espectro de linhas de emissão ou absorção para um elemento químico em estado gasoso. É como se cada elemento tivesse sua própria impressão digital. Em uma estrela existem diversos elementos químicos misturados.

Movimento

Pelo efeito Doppler, podemos ver a velocidade de afastamento ou aproximação do astro. Este efeito é responsável pelo desvio para o vermelho de todo o espectro de objetos que se afastam de nós, e pelo desvio para o azul quando se aproximam.  Uma estrela que esteja submetida a uma espécie de puxão gravitacional, devido a um planeta companheiro, vai ter uma velocidade na nossa direção, ora de afastamento, ora de aproximação, uma espécie de bailado periódico. Se temos essas variações periódicas podemos estimar órbitas dos possíveis planetas.

Não para por aí as informações dadas pelos espectros estelares. Para citar um exemplo interessante: o chamado efeito Zeeman (duplicação de algumas linhas espectrais) pode nos revelar até o campo magnético na superfície do astro.

A espectroscopia é, sem sombra de dúvidas, a ferramenta mais poderosa da Astronomia. A outra grande fonte de informação astronômica é a fotometria. Mas essa é outra história.

Links interessantes:

http://acervoastronomico.org/acervo/MACROCOSMO/macrocosmo17.pdf
https://pt.wikipedia.org/wiki/Efeito_Zeeman