Aulas Saber Ciência Estimando a idade de aglomerados de estrelas

Modificado da aula Joias da Noite do National Optical Astronomy Observatory de modo a realçar como gráficos podem ajudar os cientistas a interpretar e a partilhar os seus dados.

Autora: Lisé Whitfield, The University of California Museum of Paleontology, Berkeley

Resumo: Nesta aula os alunos irão explorar e discutir como a classificação e a representação gráfica são usadas pelos astrónomos para determinar a idade de aglomerados de estrelas. Eles irão medir a cor e o brilho de estrelas, como indicadores da sua temperatura e luminosidade, no aglomerado de estrelas Caixa de Joias, a partir de uma foto a cores. Estas medições irão então ser utilizados para determinar a idade do aglomerado, através da representação gráfica das suas medições num diagrama de cor-brilho.

Conceitos:

Nível de Ensino: 8-12

Materiais: Imagens e instruções podem ser encontradas em vários formatos na lição Joias da Noite (em inglês).

É necessária uma cópia de cada um dos itens abaixo por cada par de alunos:

Dica: Para reduzir os custos de impressão a cores se você tiver várias turmas, tente imprimir cópias coloridas suficientes para uma turma, e depois peça aos alunos para marcarem num acetato transparente colocado sobre a imagem a cores, usando uma caneta de tinta lavável. Isso também facilita compartilhar com a turma — cada par de alunos pode apresentar o seu gráfico usando o retroprojetor. Eles podem limpar o acetato no final da aula, ficando assim tudo pronto para a aula seguinte.

Preparação prévia: Reúna os materiais e leia o material de apoio.

Tempo: ~1 hora (Você também pode pedir aos alunos para fazerem as medições e a representação gráfica como trabalho de casa, e fazer apenas as discussões pré e pós atividade em sala de aula. Isso reduziria o tempo de aula necessário para cerca de 30 minutos)

Organização: É preferível que seja em pares, mas esta atividade pode ser feita individualmente.

Informação de Apoio:
As estrelas nascem em nuvens de moléculas, muitas vezes em grandes aglomerados. Estes aglomerados contêm estrelas que foram todas formadas mais ou menos ao mesmo tempo, mas entre o grupo haverá uma vasta gama de massas. Quando os astrónomos estudam uma imagem de um aglomerado de estrelas, eles sabem que todas as estrelas do aglomerado têm a mesma idade e também aproximadamente a mesma distância ao observador. Isto é importante, porque significa que as diferenças de brilho aparente representam, de facto, diferenças de brilho intrínseco ao invés de diferenças na distância de cada estrela ao observador.

À medida que envelhecem, todas as estrelas se tornam mais frias, independentemente da sua massa inicial, brilho ou temperatura. No entanto, a velocidade à qual elas evoluem para se tornarem mais frias depende da sua massa. Estrelas mais maciças nascem mais quentes e brilhantes e evoluem rapidamente, enquanto as estrelas menos maciças começam as suas vidas relativamente mais frias e evoluem e esmorecem lentamente.

Com este conhecimento de como as estrelas de diferentes massas evoluem, os astrónomos podem determinar a idade de um determinado aglomerado. Isso é feito através de um gráfico da cor das estrelas do aglomerado versus o seu brilho, que são indicadores de temperatura e luminosidade, respetivamente. Este tipo de gráfico é chamado de diagrama de Hertzsprung-Russell (diagrama HR). Para um aglomerado jovem, o diagrama HR deverá mostrar um padrão mais linear chamado de sequência principal, mas à medida que as estrelas mais massivas começam a arrefecer, elas movem-se para fora da linha da sequência principal para se tornarem mais frias e escuras. À medida que o aglomerado envelhece, começa-se a ver as estrelas menos maciças também a sair da sequência principal. Assim, os astrónomos podem determinar a idade de um aglomerado inteiro, olhando para o ponto em que as estrelas estão a sair da linha de sequência principal. Para uma excelente animação deste processo, veja o site do Professor Michael Richmond (em inglês).

Ao clicar no gráfico você pode ver a evolução de um aglomerado à medida que ele envelhece; note que são as estrelas mais quentes e mais luminosas as primeiras a afastarem-se da linha da sequência principal. Isto dá uma ideia do que um gráfico de um jovem aglomerado parece em comparação com um aglomerado mais velho.

Pré-requisitos dos alunos: Antes de iniciar esta atividade, os alunos devem estar cientes de:

  1. Distâncias estrelares
  2. Cor das estrelas e como se relaciona com a sua temperatura
  3. A relação entre a distância e o brilho de uma estrela

Realização da Atividade:

  1. Usando um retroprojetor mostre à turma a imagem do aglomerado Caixa de Joias (certifique-se que o Medidor de Estrelas não está incluído). Diga aos alunos que eles são astrónomos, que estão a olhar pela primeira vez para esta imagem a partir de um telescópio. O que é que veem? Quais os tipos de observações que podem fazer? Que dados podem ser recolhidos a partir da imagem? Escreva as respostas no quadro. Os alunos devem mencionar características tais como cor, raio, brilho, etc.
  2. Pergunte aos alunos se pode haver qualquer relação entre as variáveis escritas no quadro. Tente classificar ou ligar as variáveis ​​que parecem ter alguma relação e escreva isso no quadro. Por exemplo, são as estrelas azuis geralmente brilhantes ou escuras? A cor está relacionada com o brilho? Peça previsões sobre quais variáveis estarão relacionadas.
  3. Pergunte aos alunos como eles iriam determinar se há uma relação significativa entre as variáveis, como cor e brilho. Será que um gráfico poderia ajudar? Explique que os cientistas frequentemente usam gráficos para os ajudar a interpretar os dados e observações, tais como os obtidos a partir da imagem do aglomerado Caixa de Joias. Muitas vezes, os gráficos que comparam duas ou mais variáveis revelam um padrão que permite aos cientistas obter informações não acessíveis ao olhar para dados não processados.
  4. Sugira aos alunos que cada um faça um gráfico da cor versus o brilho das estrelas do aglomerado Caixa de Joias, para ver se existe alguma relação. Antes de começar, pergunte o que é que eles preveem que o gráfico possa parecer se não houver nenhuma relação (pontos espalhados aleatoriamente) versus o que pode parecer se existir uma relação (um padrão discernível).
  5. Pergunte aos alunos que tipo de ferramentas irão precisar para criar um gráfico assim (algo para medir cor e brilho). Se a turma quer comparar gráficos, como é que vão garantir que todos tenham a mesma ideia de qual cor corresponde a "azul", "verde", etc? Provoque a resposta que a turma vai precisar de um padrão para a cor e o brilho. Os cientistas, da mesma forma, devem concordar sobre sistemas de medição padrão, de modo a comparar os resultados. Mostre-lhes o Medidor de Estrelas e explique que é o padrão que os astrónomos usam para essas variáveis. Note que, embora a cor seja uma variável contínua que é um substituto para a temperatura, para os fins desta atividade, o Medidor de Estrelas utiliza medições de cor discretas. O mesmo acontece com o brilho, que nesta atividade será medido utilizando os pontos de tamanhos diferentes no Medidor de Estrelas. O tamanho é usado como um substituto para o brilho porque as estrelas mais brilhantes parecem maiores devido à refração atmosférica.
  6. Distribua uma imagem colorida do aglomerado, um marcador, uma régua, e a folha de gráfico (certifique-se que os três gráficos amostra da parte inferior foram eliminados de modo a não denunciarem a resposta!). Neste momento você também pode distribuir a folha de instruções para os alunos, ou então pode simplesmente ler as instruções em voz alta.
  7. Quando os gráficos estiverem prontos, peça aos alunos para examinarem os seus gráficos. Existe um padrão? Se assim for, qual é o seu aspeto? Você pode pedir a alguns alunos para virem até ao quadro desenhar de forma aproximada o seu gráfico. Há diferenças entre os aglomerados dos diferentes alunos? Se sim, quais? O que pode explicar essas diferenças? Os exemplos podem incluir alunos que têm mais ou menos pontos ao longo da linha principal. Estes representam, provavelmente, o que os astrónomos chamam de "estrelas de campo" — estrelas que não fazem parte do aglomerado e, portanto, têm uma idade diferente.
  8. Uma vez que a turma tenha chegado a acordo quanto a um padrão e o facto de que poderá de facto haver uma relação entre a cor e o brilho, distribua as tiras que você cortou da parte inferior da folha de gráficos com os 3 gráficos exemplo. Explique que os astrónomos têm feito gráficos deste tipo para outros aglomerados, e determinaram que a forma particular do gráfico pode ajudar a determinar a idade do aglomerado. Esta explicação também é fornecida na parte inferior da folha de instruções dos alunos. Dependendo do nível/capacidade da sua turma, você pode querer aprofundar a discussão do diagrama HR e da sequência principal nesta altura.
  9. Finalmente, comparando os gráficos dos alunos com os três gráficos exemplo, peça aos alunos para determinarem a idade do aglomerado Caixa de Joias. Os astrónomos usam um processo semelhante, embora utilizando modelos de computador, para descobrir a idade de aglomerados de estrelas.
  10. Para concluir a aula, lembre os alunos que eles foram capazes de usar dados muito simples observáveis a partir da imagem, para encontrar uma informação mais complexa — a idade do aglomerado. Não é algo que que possa ser visto na imagem, mas usando a técnica de representação gráfica, fomos capazes de descobrir uma relação entre as variáveis. Os alunos puderam então comparar o padrão do seu gráfico com os padrões encontrados por outros cientistas quando representaram graficamente a cor (temperatura) versus tamanho (brilho) de aglomerados de estrelas cujas idades eram conhecidas. Assim, os alunos descobriram uma propriedade física que não era imediatamente evidente. Este é um importante processo científico, que é utilizado regularmente.

Extensões: Para ilustrar ainda melhor como gráficos podem demonstrar se há ou não relações significativas entre as variáveis observadas, você também pode pedir aos alunos para representar graficamente a cor em função da distância ao centro do aglomerado, por exemplo. Este gráfico vai simplesmente mostrar pontos aleatoriamente espalhados, indicando que a cor e a distância ao centro não estão relacionadas. Isso é algo que o professor também pode fazer enquanto os alunos estão a trabalhar nos seus gráficos da cor versus brilho (passo 6), e depois apresentar à turma durante a discussão, ou que poderia ser atribuído a alunos que terminem o gráfico da cor versus brilho rapidamente.

 
Uma aula Saber Ciência
© 2010 The University of California Museum of Paleontology, Berkeley, and The Regents of the University of California