Adaptações de medidas: o que é o ano-luz?

No texto anterior sobre adaptações de medidas (leia aqui), falamos sobre métodos que eram bastante imprecisos e como evoluímos para a adoção de um sistema universal para a medição da massa, do comprimento e do tempo. Hoje, na segunda parte, falaremos do ano-luz, uma medida de distância!

O ano é uma medida temporal, definida como o intervalo de tempo necessário para a Terra completar uma volta ao redor do Sol. Já a luz viaja a uma velocidade de 299.792.458 m/s. Mas e o ano-luz? Como tempo e velocidade podem estabelecer uma medida de distância?

A velocidade é uma grandeza que estabelece uma relação entre distância e tempo.  A velocidade média é a divisão entre deslocamento e tempo gasto – como metros por segundo (m/s) e quilômetros por hora (km/h). Por exemplo, para sabermos a velocidade média de um carro, observamos a distância percorrida por ele, que consiste no seu deslocamento, e dividimos pelo tempo gasto nesse trajeto. E isso também pode ser feito com a luz!

Durante muito tempo, acreditou-se que a luz tinha uma velocidade infinita, ou seja, que ela é instantânea, mas não é bem assim. Ela é sim incrivelmente rápida: tem velocidade de quase 300 mil quilômetros por segundo! Galileu foi uma das pessoas que tentou medir a velocidade da luz, mas não obteve muito sucesso. Um dos primeiros experimentos realizados que obteve um resultado bastante satisfatório foi feito pelo físico francês Armand-Hyppolyte-Louis Fizeau, em 1849, com a ajuda de uma fonte de luz, uma roda dentada, um espelho comum e um espelho semi-refletor.

Esquema do experimento de Fizeau para mensurar a velocidade da luz; disponível em: https://bit.ly/33OoGmH

Fizeau construiu o aparato acima, em seu laboratório nos arredores de Paris, no qual uma roda dentada e um espelho foram colocados separados por 8.633 metros e foram enviados pulsos de luz entre eles. Com a roda dentada parada, ele viu que a luz passava pelo vão entre dois dentes, batia no espelho e retornava para o ponto de origem, passando pelo mesmo vão. O físico então começou a girar a roda, aumentando a velocidade até que o reflexo rebatido pelo espelho sumiu. Diminuindo a velocidade, o raio voltou a aparecer.  Ele então concluiu que o feixe de luz rebatido pelo espelho estava sendo bloqueado pelo dente da engrenagem. 

Então, Fizeau sugeriu que a quantidade de tempo que a roda levava para mover a distância da largura de uma única engrenagem era equivalente a quanto tempo levou para o feixe de luz viajar até o espelho distante e voltar. Como sabia a velocidade de rotação da roda dentada, a largura de uma única engrenagem, bem como a distância até o espelho, o cientista conseguiria calcular a velocidade da luz. E conseguiu! Ele obteve o valor de 313.300 km/s, apenas 5% a mais do que medimos hoje com a ajuda de tecnologias mais aprimoradas.

Sabendo, então, o valor da velocidade da luz, que é uma constante, conseguimos estabelecer novas medidas que fazem sentido no contexto que estamos utilizando, como é o caso do ano-luz. Também podemos definir medidas derivadas: sendo o ano-luz a distância percorrida pela luz no vácuo, no tempo de 1 ano, isso possibilita adaptações para minutos ou segundos luz, por exemplo.

Vimos, então, que quando se combina a medida da velocidade da luz com uma medida de tempo, temos uma relação de distância. Vamos pensar no nosso dia a dia: por exemplo, sabendo que a velocidade média é o deslocamento dividido pelo tempo, podemos combinar a velocidade média de um carro e o tempo que ele gastou para descobrirmos a distância percorrida. Para isso, basta multiplicarmos a velocidade pelo tempo gasto.

É comum utilizarmos o metro e seus múltiplos, ou divisores, como medidas de distância no nosso cotidiano. Já o ano-luz é a medida mais utilizada na astronomia, uma vez que  envolve distâncias bem maiores do que as que encontramos aqui na Terra. 

O Sol está a 149.600.000 km de distância da Terra. Isso é muito, não é mesmo?! Mas há outros jeitos de nos referirmos a essa distância. A luz do Sol leva cerca de 8,3 minutos para chegar até a Terra, ou seja, nossa estrela está a uma distância de 8,3 minutos-luz de nós. Essa distância também define outra unidade de medida importante para o estudo do Sistema Solar: a unidade astronômica (UA), que corresponde à distância média entre a Terra e Sol.

Uma unidade astronômica equivale a 499 segundos-luz

Alfa Centauri é um sistema triplo de estrelas, sendo que a mais próxima de nós – depois do Sol -, é a Proxima Centauri, que fica a 278.261 UA ou, como também podemos dizer, 4,4 anos-luz de nós! Isso significa que a luz que está saindo agora do nosso Sistema Solar vai chegar em Alfa Centauri daqui a 4,4 anos! E o contrário também é verdade, ou seja, a luz dela que estamos vendo hoje viajou durante 4,4 anos para chegar até nossos olhos – é isso mesmo: nós olhamos sempre para o passado das estrelas, já que a luz não é instantânea!

Mas, como medimos distâncias no universo? Será que existe uma régua gigantesca para isso? Esse foi o tema de uma sessão da Descobrindo o Céu, que você pode assistir aqui.

Para saber mais:

B. Walker, Optical Engineering Fundamentals, Second Edition, SPIE Press, Bellingham, WA (2008). Acesso em 16 nov 2020. Disponível em <https://spie.org/publications/tt82_25_speed_of_light?SSO=1>

[Texto de autoria de Samantha Jully, estagiária do Núcleo de Astronomia]