Como sabemos a química das coisas no espaço?
A espectroscopia astronômica envolve a conversão da luz dos corpos celestes em um espectro digital. O espectro digital é então comparado aos dados espectrais de diferentes substâncias químicas conhecidas pela humanidade. A análise ajuda os cientistas a determinar a química da fonte celestial que emitiu essa luz.
Em setembro de 2020, outro planeta em nosso sistema solar roubou os holofotes de Marte, atraindo a atenção da comunidade científica e da mídia tradicional.Issofoi colocadoempráticaapós um relatório emocionante de uma equipe de pesquisa internacional que anunciou: “Gás fosfina encontrado na atmosfera de Vênus”. O relatório, publicado na Nature Astronomy , gerou debates e especulações sobre os sinais de vida presentes no planeta, principalmente porque os ecossistemas anaeróbicos produzem fosfina.
No entanto, além do debate sobre se a fosfina indica a presença de vida alienígena ou não, essa história dá origem a algumas outras questões elementares . Ou seja, como eles entendiam a química de Vênus daqui da Terra?
Felizmentepara nós, a luz que entra em nossos telescópios vinda de um corpo celeste não sócria grandes imagens, mas também carrega informações sobre a composição desses corpos celestes. A ferramenta que nos ajuda a processar essas informações é umaespectroscopia estronômica.
Astronomia primitiva
A curiosidade da humanidade sobre o cosmos vai além da história registrada.Os primeiros humanos e suas pinturas rupestres nos dão algumas dicas sobre seu interesse pela astronomia.As pessoas passaram muitas luas fazendo observações astronômicas, como predizer eclipses com matemática e identificar constelações a olho nu. Muito simplesmente, as estrelas sempre nos fascinaram.
Usar o nosso olho nu para observar os céus era a única opção até 1600, quando Galileu começou a usar sua luneta (telescópio antigo) para astronomia.Hans Lippershay, um fabricante holandês de vidros ópticos, inventou o telescópio refrator, enquanto Galileu foi o primeiro a usá-lo para astronomia.Derepente, ele podia ver coisas como crateras na lua, manchas escuras no sol, os anéis de Saturno e as luas de Júpiter. Little ele sabia que um dia, a humanidade seria capaz de analisar a química do cosmos a partir do conforto do nosso (ing) acolhedor e quenteplaneta.
Em 1814, Joseph von Fraunhofer, um óptico de Munique, criou o espectroscópio, um telescópio modificado com um teodolito (um instrumento óptico de precisão).Ele se tornou o primeiro espectroscopista astronômico a estudar os espectros obtidos de diferentes corpos celestes, como a lua, o sol, outros planetas e estrelas.
No entanto, as primeiras pessoas a co-relacionar linhas espectrais com a química de um objeto foram Robert Kirchoff e Robert Bunsen(também conhecido pelas leis de Kirchoff e o queimador de Bunsen). Eles foram os fundadores da moderna análise espectral ou espectroscopia.Eles não apenas identificaram a natureza preditiva dos espectros, mas também descobriram dois novos elementos – Rubídio e Césio – usando sua técnica.
Avançando para os dias atuais, onde combinamos os poderes dos telescópios e da espectroscopia para analisar as composições químicas de objetos celestes, mesmo além da nossa galáxia, a Via Láctea.
Antes de entrarmos na espectroscopia, talvez precisemos de uma rápida atualização sobre as propriedades da luz. A luz é uma forma de energia que viaja como uma onda. É uma forma de radiação eletromagnética (ondas EM) que varia de ondas de rádio a raios gama, dos quais podemos ver apenas a seção intermediária (o pequeno alcance visível). Esses tipos de radiaçãosão segregados combase em seus comprimentos de onda ou frequências.
O espectro eletromagnético (crédito da foto: Flickr)
Agora, vamos aos espectros e espectroscopia!
O que é um espectro?
Um espectro (espectros plurais) é um padrão criado quando a luz (ondas EM) interage com a matéria (por exemplo, vemos um arco-íris quando a luz solar interage com as gotas de chuva ). Um espectro é distinto e depende do tipo de ondas EM e da propriedade da matéria que interage com ele.Agora, se sabemos informações sobre os espectros e o tipo de luz, podemosfacilmentededuzir o tipo de matéria com a qual a luz interagiu. Isso é o que a espectroscopia nos permite fazer – analisar os espectros e rastrear para trás para determinar o que os criou.
O que cria espectros?
Embora não seja evidente a nosso olho nu, o mundo inteiro está dançando em seu próprio ritmo em um nível atômico.Tudo o que sabemosé feitode átomos e átomos têm elétrons quevibramconstantementecomo uma onda (sendo um objeto quântico), e quando a luz os atinge, eles interagem de maneiras únicas.
Os elétrons em um átomo não agitado gostam de ficar em seu estado fundamental. Quando a energia externa na forma de luz (ou calor) os atinge, eles a absorvem para atingir um estado de excitação.No entanto, eles sempre tendem a retornar ao seu estado fundamental; para fazer isso, eles emitem a energia queabsorveramem primeiro lugar. Este processo de absorção e emissão dá origem a uma série de espectros ou espectros.
O que é espectroscopia?
Essa energia absorvida ou emitida durante o processo de excitação e relaxamento é exclusiva da composição molecular de uma substância.Por exemplo, as frequências da luz absorvida pelos elétrons de um átomo de sódio seriam completamente diferentes das frequências absorvidas pelo carbono. Da mesma forma, a luz emitida pelo oxigênio seria completamente diferente daquela da fosfina.
Espectro de emissão visível de sódio (Crédito da foto: McZusatz / Wikimedia Commons)
Espectro de emissão visível de carbono (Crédito da foto: McZusatz / Wikimedia Commons)
Impressões digitais ou padrões químicossão formadosdevido à absorção ou emissão de luz em frequências discretas, e o estudo desses padrões de luz é formalmente chamado de espectroscopia.
Agora, chegando à espectroscopia astronômica.A luz da fonte (corpos celestes) atinge os telescópios e, por meio de uma pequena abertura, entra no espectrógrafo acoplado a ele.Dentro do espectrógrafo há um espelho colimador (um espelho parabólico que converte toda a luz que entra no instrumento em raios paralelos).Esta luz atinge um espelho com grade de difração (arranhões finos regulares na superfície do vidro).
A grade age como uma pessoa que adora separar M & Ms com base na cor.Ele separa os diferentes componentes da luz e atribui a eles faixas individuais com base em seu comprimento de onda,criando, emúltima análise,um espectro em outro espelho.O espectro formado no espelho é então detectado por um dispositivo acoplado carregado (uma superfície fotossensível) e convertido em um espectro digital.
Trabalho de uma microlente de espectroscopia. (Crédito da foto: ESO / Wikimedia Commons)
O espectro digital é então comparado aos dados espectrais de diferentes substâncias químicas conhecidas pela humanidade.A análise ajuda os cientistas a determinar a química da fonte celestial que emitiu essa luz.
Os dados espectrais não sófornecem informações sobre a composição química dos objetos no espaço, mas também seu tipo, arredores e o tipo de movimento que exibem.
Se a luz está sendo recebidadiretamentede uma fonte quente, como uma estrela, planeta ou nebulosa, vemos um espectro contínuo.A maioria dos planetas ou estrelasé cercada poruma atmosfera de gases que geralmente são mais frios do que a fonte que emite a luz. Os gases mais frios absorvem algumas das frequências da luz irradiada pela fonte, então,quando a luz dessa fonte chega até nós através das nuvens, as frequências absorvidas aparecem mais escuras no espectro gerado. Esses tipos de espectrossão conhecidoscomo espectros deabsorção ou linha escura.
Por outro lado, se tentarmos observar os gases circundantes em vez da fonte,veremos essas frequências absorvidassendo emitidas devolta como linhas brilhantes no espectro gerado. Esses tipos de espectrossão conhecidoscomo espectros deemissão ou linha clara.
Tipos de espectros (crédito da foto: Wikimedia Commons)
Todos nós já ouvimos que o universo está emconstanteexpansão. Isso implica que alguns objetos estão se afastando de nós, enquanto outros estão se aproximando. Este movimento podeser determinadoestudando asmudançasvistas no espectro.Por exemplo, os cientistas descobriram como seriam as linhas espectrais de emissão do hidrogênio em uma estrelaconsideradaestacionária em relação à Terra. Este espectro é então comparado aos espectros de emissão H de outros objetos celestes.
Se o objeto está se afastando de nós, as linhas espectrais do espectro H parecem ter se deslocado em direção à região mais vermelha ou à região de comprimento de onda mais longo do espectro. Issoé conhecidocomo desvio para o vermelho. Seo corpo estiver se aproximando de nós, as linhas parecerão ter se deslocado para o comprimento de onda mais curto ou para a extremidade mais azul do espectro. Issoé conhecidocomo mudança para o azul. Este deslocamento observável nos comprimentos de ondaé chamado dedeslocamento Doppler.
Doppler Shift (crédito da foto: Aleš Tošovský / Wikimedia Commons)
As linhas espectrais são como presentes que continuam dando.Além do que foi discutido acima, eles também nos fornecem informações sobre a densidade, temperatura e campos magnéticos de diferentes corpos celestes .
Conclusão
A humanidade semprefoi fascinada pelocéu noturno.Deixamos de olhar maravilhados paraestrelascintilantesno céu noturno a olho nu epassamosa ter uma imagem do telescópio Hubble de 1,5 bilhões de pixels da galáxia de Andrômeda que está a 2,5 milhões de anos-luz de nós.Todos os dias, vamos mais fundo no espaço, tentando entender o que o universoé feitoe desvendar os segredos escondidos no silêncio fora de nosso planeta. Como Carl Sagan disse uma vez: “Em algum lugar, algo incrível está esperando paraser conhecido”.
Imagem mais nítida da Galáxia de Andrômeda obtida pelo telescópio Hubble (Crédito da foto: Flickr)
Referências:
- ResearchGate
- Rochester Institute of Technology
- ESO
- Universidade do Arizona
- Nasa.gov (Link 1)
- Nasa.gov (Link 2)
