O Universo: Origem, Estrutura e Evolução dos Elementos

Estrutura do Universo

Expansão do Universo

As observações astronómicas confirmam a Teoria da Relatividade de Einstein.

O Universo está em expansão, ou seja, a dilatar-se, comprovado pelo afastamento das galáxias; pela observação de uma radiação de fundo de micro-ondas que é igual onde quer que se olhe e cuja energia está relacionada com a diferença de energia entre eletrões ligados ao núcleo do átomo de hidrogénio; e pela proporção de átomos existentes.

Origem do Universo – Teoria do Big Bang

O Universo foi formado há cerca de 15 mil milhões de anos com uma grande explosão, o Big Bang. O Universo era inicialmente muito quente e denso. Mas foi arrefecendo e expandindo-se, e enquanto isso acontecia, a matéria foi-se organizando em estruturas cada vez mais complexas.

Provas que Favorecem o Big Bang

• Expansão do Universo;
• Radiação Cósmica de Micro-ondas (o Universo era inicialmente cheio de radiação muito energética que, ao longo do tempo, foi diminuindo de energia com a diminuição da temperatura do Universo, chegando até nós como radiações de micro-ondas);
• Abundância de elementos leves.

Posição da Terra no Universo

A Terra é o 3º planeta do Sistema Solar a partir do Sol, situada na periferia de um dos braços da nossa galáxia, a Via Láctea. A Via Láctea possui duas galáxias satélite, as Pequenas e Grandes Nuvens de Magalhães, e pertence a um grupo de 30 galáxias, o Grupo Local, que por sua vez está inserido num superaglomerado galáctico.

Átomos e Estrelas

Existem estrelas muito pequenas e muito grandes. Elas vivem, nascem e morrem. As estrelas podem emitir luz visível e luz invisível. A sua luz provém dos elementos químicos que as constituem, e estes também existem na Terra. Nas estrelas e nas poeiras interestelares existem principalmente os dois elementos mais leves, o hidrogénio e o hélio, que constituem quase 100% da matéria do Universo.

O hidrogénio é abundante na Terra, enquanto o hélio existe em menor quantidade.

Os átomos não são partículas elementares, mas sim compostas. São constituídos por núcleos atómicos, que por sua vez são formados por protões e neutrões (estes últimos compostos por quarks), e em torno dos núcleos encontram-se os eletrões.

Formação dos Primeiros Elementos Químicos

À medida que o Universo arrefecia e expandia, as partículas também sofreram alterações. O esquema seguinte mostra a evolução das partículas.

Figura 1 – Evolução do Universo ao longo do tempo. A temperatura foi sempre diminuindo e, em certos instantes, formaram-se novas estruturas: os neutrões e os protões, os núcleos atómicos, os átomos e as estrelas.

Os primeiros elementos foram formados por reações nucleares, sendo as mais abundantes as seguintes:

Um neutrão juntou-se a um protão e deu origem ao deutério, libertando radiação gama:

n + p → ²H + γ

Depois, o deutério juntou-se a um neutrão ou a um protão e originou trítio ou hélio-3, libertando radiação:

²H + n → ³H + γ

²H + p → ³He + γ

O deutério juntou-se a outros dois átomos de deutério, originando hélio-3 e trítio:

²H +²H → ³H + p

²H +²H → ³He + n

O trítio e o hélio capturaram um protão ou um neutrão e deram origem ao hélio-4, libertando radiação gama:

³H + p → ⁴He+ γ

³He + n → ⁴He+ γ

Finalmente, o hélio-4, colidindo com um trítio ou com hélio-3, originou lítio-7 e berílio-7, libertando radiação gama:

⁴He + ³H → ⁷Li+ γ

⁴He + ³He → ⁷Be+ γ

Portanto, a seguir ao Big Bang, formaram-se por todo o Universo deutério, trítio, hélio-3, hélio-4, lítio-7 e berílio-7. Todos os outros elementos formaram-se nas estrelas.

Formação dos Elementos Químicos nas Estrelas

A maioria dos elementos químicos existentes no Universo formaram-se nas estrelas, através de reações nucleares.

Reação Química

• Os núcleos dos átomos não são alterados;
• Os elementos químicos do sistema reacional mantêm-se;
• Apenas alteração das unidades estruturais do sistema reacional.

Exemplo: Li_(g) + H_{2 (g)} → LiH_(s) + H₂O

Reação Nuclear

• Os núcleos dos átomos são alterados;
• Transformação dos elementos químicos noutros diferentes;
• A energia envolvida tem uma ordem de grandeza que pode ser milhões de vezes superior à que é envolvida nas reações químicas.

Na escrita das equações, deve-se observar a lei de conservação do número de nucleões e da carga total, ou seja, a soma dos números de massa e atómico deve ser igual nos dois membros da equação.

As reações nucleares podem ser de dois tipos:

• Fusão Nuclear – Consiste na junção de dois núcleos pequenos com a obtenção de um núcleo maior.

Exemplo: 4 ¹H → ⁴He + 2e⁺ + Energia

• Fissão ou Cisão Nuclear – Consiste na divisão de um núcleo grande em dois mais pequenos.

Exemplo: ²³⁵U + ¹n → ⁹⁰Sr + ¹⁴³Xe + 3¹n

Em primeiro lugar, dois protões originam deutério, libertando um positrão e neutrinos:

2p → ²H + e⁺ + v

Depois, um deutério capta um protão e origina hélio-3, libertando radiação gama;

²H + p → ³He + γ

Seguidamente, dois núcleos de hélio-3 juntam-se e formam hélio-4 e dois protões:

³He + ³He → ⁴He+ 2p

No total (no ciclo do hidrogénio), quatro protões dão origem a hélio-4, dois positrões, dois neutrinos e radiação gama:

4p → ⁴He + 2e⁺ + 2v

Figura 2 – Ciclo do hidrogénio, no qual 4 protões dão origem a hélio-4.

Nas estrelas também ocorre a formação do carbono-12 a partir da junção de três átomos de hélio:

⁴He + ⁴He + ⁴He → ¹²C

Vida e Morte das Estrelas

Escalas de Distância, Tempo e Temperatura

Temperatura

Tempo

No Sistema Internacional, a unidade de tempo é o segundo (s). No entanto, em astronomia, o tempo é medido em anos.

Comprimento

Para exprimir distâncias ou comprimentos comuns, usamos a unidade do Sistema Internacional ou os seus múltiplos e submúltiplos.

No entanto, em astronomia, utilizam-se outras unidades de medida, pois as distâncias são muito grandes para serem expressas em metros: