Espaço sideral

 Nota: Se procura outros usos para a palavra espaço, veja Espaço.

Os limites intermediários entre a superfície da Terra e o espaço exterior, incluindo as 5 regiões atmosféricas, constando a Linha de Kármán a 100 km de altitude (fora de escala).

Espaço sideral, ou também Espaço exterior ou mais popularmente, simplesmente Espaço, é todo o espaço do universo que não é ocupado por corpos celestes e suas eventuais atmosferas. É a porção vazia do universo, região em que predomina o vácuo. O termo também pode ser utilizado para se referir a todo espaço que transcende a atmosfera terrestre.

Conceituações

Em astronomia, usa-se a denominação "espaço exterior" ou "espaço sideral" para fazer referência a todo espaço que transcende o espaço englobado pela atmosfera terrestre. O espaço sideral é frequentemente subdividido em três sub espaços:

1. Espaço interplanetário - designação usada sobretudo para se referir aos espaços existentes entre os planetas do nosso próprio sistema solar. Por extensão, inclui as distâncias entre os eventuais planetas de qualquer sistema estelar, inclusive o nosso.
2. Espaço interestelar - designação usada para se referir às porções de quase vácuo existentes entre as estrelas. Refere-se sobretudo aos espaços entre as estrelas da nossa própria galáxia: a Via Láctea.
3. Espaço intergalático - designação usada para se referir às desoladas vastidões existentes entre as galáxias. Da Via Láctea à sua galáxia satélite mais próxima, a Grande Nuvem de Magalhães, esta vastidão é da ordem de 152 mil anos-luz de distância. E, da Via Láctea até Andrômeda (que é sua galáxia irmã e a mais próxima com forma e tamanho similares), são cerca de 2 milhões e 200 mil anos-luz de distância. A partir daí, as distâncias são imensamente maiores.

O espaço não é propriamente vazio, ele contém infinitesimais quantidades de partículas subatômicas vagando a velocidade da luz, mais predominantemente: um plasma de hidrogénio e hélio, assim como radiação eletromagnética, campos magnéticos e neutrinos. E à medida que se afasta de uma estrela, este quase vácuo tende a ser mais rarefeito ainda.

O espaço também é adensado por ondas gravitacionais e radiações de toda espécie, desde o rádio, a micro-ondas, o infravermelho, a luz visível, a ultravioleta, os raios-X e os raios Gama. Tudo isso sem considerar as micropartículas, a poeira cósmica, gases primordiais ou oriundos de estrelas, micro meteoritos, além dos corpos espaciais bem conhecidos.

Fatos conhecidos

Observações recentes, constataram que o espaço também contém matéria escura e energia escura. A temperatura padrão, estabelecida pela radiação cósmica de fundo em micro-ondas, é de apenas 2,7 kelvin. Plasma com densidade extremamente baixa (menos de um átomo de hidrogênio por metro cúbico) e alta temperatura (milhões de kelvin) no espaço entre galáxias, constitui a maior parte da matéria do espaço exterior; concentrações eventuais, foram se condensando em estrelas e galáxias. Espaço inter galático, constitui a maior parte do volume do Universo. Mas mesmo as galáxias e os sistemas solares, consistem, em sua maior parte, de espaço vazio.

Não existe uma fronteira exata de onde o Espaço começa. No entanto, a Linha de Kármán, a uma altitude de 100 km acima do nível do mar, é usada por convenção como sendo o início do espaço exterior no contexto de tratados sobre o espaço e estabelecimento e manutenção de recordes. As bases para leis internacionais sobre o espaço foram estabelecidas com o Tratado do Espaço Exterior, aprovado pelas Nações Unidas em 1967. Esse tratado previne qualquer pretensão de soberania, permitindo que qualquer nação explore o espaço livremente. Em 1979, o "Tratado da Lua", tornou a superfície de corpos como os planetas e o espaço ao redor desses corpos, jurisdição da comunidade internacional. Resoluções adicionais a respeito do uso pacífico do espaço exterior têm sido propostas pelas Nações Unidas, mas elas ainda não impedem o envio de armas ao espaço exterior, incluindo armas antissatélite.

O homem iniciou a exploração física do espaço no século 20, com o surgimento dos voos de balão, seguidos pelo desenvolvimento de foguetes lançadores mono e multi estágios. O primeiro homem a atingir a órbita terrestre, foi Iuri Gagarin da União Soviética em 1961, e espaçonaves não tripuladas têm alcançado todos os planetas conhecidos do sistema solar desde então. Alcançar a órbita terrestre baixa, requer uma velocidade mínima de 28.000 km/h, muito mais rápido que qualquer avião. O espaço exterior, representa um ambiente desafiador para a exploração humana devido aos seus dois principais perigos: o vácuo e a radiação. A micro gravidade, gera efeitos importantes na fisiologia humana, resultando em atrofia muscular e osteopenia. Viagens espaciais tripuladas, até o momento estão limitadas à órbita terrestre baixa ou à Lua. Viagens não tripuladas, já ultrapassaram os limites do sistema solar. O restante do espaço exterior conhecido, permanece inacessível, a não ser por observações através de telescópios cada vez mais potentes.

Descoberta

Em 350 A.C., o filósofo Grego Aristóteles sugeriu: nature abhors a vacuum, um princípio que ficou conhecido como: horror vacui. Este conceito, construído sobre uma argumentação ontológica do século 5 AC do filósofo grego Parmênides, que negava a possibilidade de existência de vácuo no espaço. Baseado nessa ideia de que o vácuo não podia existir, no ocidente, por muitos séculos, se acreditou que o espaço não poderia ser vazio. No século 17, o filósofo francês René Descartes argumentou que todo o espaço deveria ser preenchido.

Na China antiga, existiam várias escolas de pensamento a respeito da "natureza dos céus", algumas das quais se assemelham ao nosso entendimento moderno. No século 2, o astrônomo Zhang Heng, ficou convencido que o espaço devia ser infinito, se estendendo muito além do "mecanismo" de sustentação do Sol e das estrelas. Os livros remanescentes da escola Hsüan Yeh, dizem que os céus não tinham limites, "vazio e desprovido de substância". E continuando: "o Sol, a Lua e o conjunto de estrelas, flutuam no espaço vazio, estando parados ou em movimento".

O cientista italiano Galileu Galilei, sabia que o ar tinha massa e portanto estava sujeito à gravidade. Em 1640, ele demonstrou que uma força estabelecida resistiu à formação de vácuo. No entanto, coube ao seu pupilo, Evangelista Torricelli, criar um aparelho que iria produzir vácuo em 1643. Este experimento resultou no primeiro barômetro de mercúrio que foi a sensação científica na Europa da época. O matemático francês Blaise Pascal, argumentou que se a coluna de mercúrio era envolvida pelo ar, a coluna deveria ficar menor em grandes altitudes, onde a pressão do ar é menor. Em 1648, seu irmão adotivo, Florin Périer, repetiu o experimento na montanha de Puy de Dôme na região central da França, e constatou que a coluna de mercúrio era 7,6 cm menor. Essa diminuição de pressão, foi mais tarde demonstrada, carregando um balão parcialmente cheio para uma montanha e observando que ele inflava gradualmente, e desinflava na descida.

Os Hemisférios de Magdeburgo originais (esquerda inferior) usados para demonstrar a bomba de vácuo de Otto von Guericke (direita).

Em 1650, o cientista alemão Otto von Guericke, construiu a primeira bomba de vácuo: um dispositivo que pode, mais tarde, refutar o princípio de horror vacui. Ele corretamente observou que a atmosfera da Terra, envolve o planeta como uma concha, com a densidade diminuindo gradualmente com a altitude. Ele concluiu que deveria haver vácuo entre a Terra e a Lua.

No século 15, o teólogo alemão Nicolau de Cusa, especulou que o Universo não tinha um centro, pois não era uma circunferência. Ele acreditava que o Universo, apesar de não ser infinito, também não podia ser tratado como finito, devido a ausência de limites nos quais ele pudesse estar contido. Essas ideias levaram o filósofo italiano Giordano Bruno, no século 16, a especular sobre as dimensões infinitas do espaço. Ele expandiu a cosmologia heliocêntrica de Copérnico ao conceito de um Universo infinito preenchido com uma substância que ele chamou de éter, que não causava resistência aos movimentos de corpos celestes. O filósofo inglês William Gilbert, chegou a uma conclusão semelhante, argumentando que as estrelas eram visíveis apenas pelo fato delas estarem cercadas por éter ou um "vazio". Este conceito de éter, originou-se nos filósofos da Grécia antiga, incluindo Aristóteles, que o concebeu como sendo o meio através do qual os corpos celestes se moviam.

O conceito de um Universo preenchido com éter luminífero permaneceu em voga entre alguns cientistas até o início do século 20. Esta forma de éter era vista como um meio no qual a luz podia se propagar, daí o seu nome. Em 1887, a Experiência de Michelson-Morley, tentou detectar o movimento da Terra através desse meio procurando alterações na velocidade da luz dependendo da direção do movimento do planeta. No entanto, o resultado nulo, indicou que havia algo errado com o conceito. A ideia do éter luminífero, foi então abandonada. Ele foi substituído pela teoria da relatividade restrita de Albert Einstein, que sustenta que a velocidade da luz no vácuo é um valor constante, independente do movimento do observador ou referencial.

O primeiro astrônomo profissional a apoiar o conceito de um Universo infinito foi o Inglês Thomas Digges em 1576. Mas o tamanho do Universo permaneceu desconhecido até a primeira aferição bem sucedida da distância de uma estrela próxima em 1838 pelo astrônomo alemão Friedrich Bessel. Ele mostrou que a estrela 61 Cygni tinha um paralaxe estelar de apenas 0,31 arcosegundo (comparado com o valor moderno de 0,287″). Isso corresponde a uma distância de mais de 10 anos luz. A distância para a Galáxia de Andrômeda, foi determinada em 1923 pelo astrônomo Edwin Hubble, medindo a intensidade do brilho das variáveis Cefeida na galáxia, uma nova técnica descoberta por Henrietta Leavitt. Com ela, ficou estabelecido que a galáxia de Andrômeda, e por extensão todas as galáxias, ficavam fora da Via Láctea.

O conceito moderno de espaço exterior é baseado na a teoria cosmológica denominada "Big Bang", proposta pela primeira vez em 1931 pelo físico belga Georges Lemaître. Esta teoria, sustenta que o Universo se originou de uma forma de matéria muito compacta submetida a expansão contínua. Matéria que continuou seguindo a expansão inicial, ficou submetida desde então a pardas gravitacionais levando à criação de estrelas, galáxias e outros corpos celestes, deixando atrás de si, um vácuo profundo que forma o que é chamado hoje em dia de espaço exterior. Como a luz tem velocidade finita, essa teoria, também restringe o tamanho do Universo diretamente visível. Isso deixa aberta a questão de se o Universo é finito ou infinito.

O termo espaço exterior, foi usado pela primeira vez em 1842, pela poeta inglêsa Lady Emmeline Stuart-Wortley no poema "The Maiden of Moscow". A expressão espaço exterior, foi usada como um termo astronômico por Alexander von Humboldt em 1845. O termo foi popularizado mais tarde nas obras de H. G. Wells em 1901. O termo resumido Espaço, é na verdade mais antigo, usado pela primeira vez em 1667 por John Milton em Paradise Lost, no contexto da região além do céu terrestre.

Formação e estado

Ilustração conceitual da expansão métrica do espaço, onde o volume do universo é representado, em cada intervalo de tempo, pelas seções circulares. À esquerda, é retratada a rápida inflação a partir do estado inicial, seguida pela estável expansão até os dias de hoje, à direita.

Ver artigo principal: Big Bang

De acordo com a teoria do Big Bang, o universo foi originado a partir de uma condição de extrema densidade e calor há cerca de 13.8 bilhões de anos, a qual desencadeou uma rápida expansão. Por volta de 380 000 anos depois, o espaço havia esfriado o suficiente para permitir a ocorrência de combinações de prótons e elétrons e a formação de hidrogênio na chamada recombinação. Ao acontecimento desse evento, matéria e energia tornaram-se dissociadas, permitindo aos fótons viajar livremente pelo ambiente. A matéria que permaneceu a seguir a expansão inicial tem desde então sofrido colapsos gravitacionais responsáveis por criar as estrelas, galáxias e outros corpos celestes, deixando para trás um profundo vácuo que constitui, por sua vez, o que hoje é chamado de espaço sideral. Como a luz tem uma velocidade finita, essa teoria teoria também restringe o tamanho do universo diretamente observável. Esse contexto deixa em aberto a indagação sobre o universo ser finito ou infinito.

A atual forma do universo tem sido determinada a partir de medições da radiação cósmica de fundo em micro-ondas usando-se satélites como o WMAP. Essas estimativas indicam que o universo observável é plano, significando que fótons em caminhos paralelos num determinado ponto permanecerão paralelos enquanto viajam pelo espaço até o limite do ambiente cósmico observável, colocando-se fora de questão gravidades locais. Esse plano, combinado com a densidade de massa medida do universo e com sua acelerada expansão, aponta que o espaço tem uma energia do vácuo diferente de zero, chamada de energia escura.

Estimativas classificam a densidade de energia média do universo num equivalente a 5.9 prótons por metro cúbico, incluindo a energia escura, a matéria escura e a matéria bariônica. Átomos equivalem a somente 4.6% do total de densidade de energia, ou a uma densidade de um próton por quatro metros cúbicos. A densidade do universo, contudo, não é uniforme; ela varia de um valor relativamente alto em galáxias — incluindo medidaas especialmente grandes em estruturas interiores a galáxias, como planetas, estrelas e buracos negros — a condições de vastos vazios de muito menor densidão, ao menos em termos de matéria visível. Ao contrário da matéria escura e da matéria comum, a energia escura parece não se concentrar em galáxias; embora ela possa ser responsável pela maioria da massa-energia no universo, sua influência é de cinco ordens de magnitude menor que a da gravidade que atua em matéria comum e matéria escura na via láctea.

Ambiente

Parte da imagem Hubble Ultra Deep Field, que mostra uma típica seção do espaço contendo galáxias intercaladas pelo vácuo. Dada a finita velocidade da luz, essa vista cobre os últimos 13 bilhões de anos de história do espaço sideral.

O espaço sideral é o que de mais próximo se conhece de um vácuo perfeito. Ele, efetivamente, não possui atrito, o que permite a estrelas, planetas e satélites naturais uma movimentação livre pelas suas órbitas imaginárias. Contudo, mesmo o mais profundo vácuo do ambiente intergalático não é privado de matéria, contendo alguns átomos de hidrogênio por metro cúbico. Para efeito de comparação, o ar que o ser humano respira contém cerca de 10²⁵ moléculas por metro cúbico. A esparsa densidade de matéria no espaço sideral significa que a radiação eletromagnética pode viajar a grandes distâncias sem ser dispersa: o percurso livre médio de um fóton no espaço intergalático é de cerca de 10²³ km, ou 10 bilhões de anos luz. Apesar disso, extinção, que é a absorção e dispersão de fótons pela poeira e gás, é um importante fator para a astronomia galática e intergalática.

Estrelas, planetas e luas retêm suas atmosferas a partir da atração gravitacional. Atmosferas, por sua vez, não possuem limites claramente definidos: a densidade de gás atmosférico decai gradualmente à distância do objeto até se tornar indistinguível do ambiente circundante. A pressão atmosférica da Terra cai para cerca de 0.032 Pa a 100  quilômetros (62 milhas) de altitude, em comparação aos 100 000 Pa definidos como padrão pela União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC). Para além dessa altitude, a pressão de gás isotrópico se torna insignificante rapidamente ao confronto com a pressão de radiação do Sol e a pressão dinâmica do vento solar. A termosfera possui nessa condição grandes gradientes de pressão, temperatura e composição, além de variar grandemente sob influência da meteorologia do espaço.

A temperatura do vácuo é medida em termos de atividade cinética de gás, assim como é feito na Terra. Contudo, a radiação que enche o vácuo tem uma temperatura diferente, significando que o gás e a radiação não estão em equilíbrio termodinâmico. Todo o universo observável é preenchido por fótons criados durante o Big Bang e conhecidos como radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Há, ainda, muito provavelmente, um número correspondentemente grande de neutrinos, chamados de fundo cósmico de neutrinos.) A temperatura corrente de corpo negro de radiação de fundo é estimada em 3 K (−270 °C; −454 °F). As temperaturas de gás no espaço sideral são sempre ao menos as de radiação cósmica de fundo em micro-ondas, mas podem ser muito maiores. Por exemplo, a Coroa solar possui temperatura que variam de 1.2 a 2.6 milhões K.

Do lado de fora de uma atmosfera protetora e de um campo magnético, há alguns obstáculos à passagem, pelo espaço, de partículas subatômicas conhecidas como raios cósmicos. Tais partículas são dotadas de uma energia que varia de aproximadamente 10⁶ eV a um extremo de 10²⁰ eV, à ocorrência de raios cósmicos ultra-energéticos. O fluxo de pico desses elementos ocorre a energias estimadas de 10⁹ eV, com aproximadamente 87% de prótons, 12% de núcleos de hélio e 1% de núcleos mais pesados. Na gama de alta energia, o fluxo de elétrons é equivalente a apenas 1% do de prótons. Raios cósmicos podem danificar componentes eletrônicos e ser de risco à saúde a astronautas. De acordo com tais profissionais, a exemplo de Don Pettit, o espaço tem um odor de queimado/metálico que impregna em suas vestimentas e equipamentos, similarmente ao cheiro de maçarico de soldagem.

Apesar da hostilidade do ambiente, várias formas de vida capazes de suportar as condições extremas do espaço por extensos períodos têm sido encontradas. Em 2007, espécies de líquen transportadas em veículos do projeto BIOPAN, da Agência Espacial Europeia, conseguiram sobreviver à exposição por dez dias. Sementes de Arabidopsis thaliana e Nicotiana tabacum germinaram após serem expostas ao espaço por um ano e meio. Uma estirpe de bacillus subtilis sobreviveu por 559 dias quando disposta na órbita baixa da Terra ou numa simulação do ambiente marciano. A hipótese da panspermia sugere que rochas ejetadas no espaço sideral a partir de planetas que abrigam vida podem transportar, com sucesso, formas de vida a outro mundo habitável. Conjectura-se que esse tipo de evento tenha ocorrido no início da história do sistema solar, com rochas potencialmente capazes de carregar micro-organismos viajando entre Vênus, Terra e Marte.