O Big-Bang e a radiação cósmica de fundo

Espectros de radiação descontínuos e a composição do Universo

A descoberta dos espectros de radiação descontínuos

Refracção da luz do Sol. source

Isaac Newton foi a primeira pessoa a compreender que a luz branca é composta pelas cores do arco-íris, após ter feito passar a luz do Sol através de um prisma. Este efeito, usualmente observado no arco-íris, nunca tinha sido convenientemente explicado, até que em 1666, Newton mostrou que se pode reconstruir a luz branca se se fizer atravessar a luz refractada através de um segundo prisma, embora tal não já não aconteça se se fizer atravessar apenas algumas das cores.

Em 1752 o físico escocês Thomas Melvill, ao colocar diferentes substâncias sobre uma chama e analisando a luz resultante com um prisma, descobriu diferentes espectros. Por exemplo o sal de cozinha gerava um amarelo brilhante. Além disso nem todas as cores do arco-íris apareciam! Existiam bandas escuras no espectro e para algumas substâncias existiam apenas algumas riscas de luz. Em 1826 o astrónomo inglês John Herschel reconheceu que estes espectros forneciam uma excelente impressão digital permitindo a identificação de pequenas quantidades de um elemento em pó colocado sobre uma chama. Hoje em dia essas linhas designam-se por espectro de emissão e estes são obtidos fazendo passar uma corrente eléctrica através de um tubo contendo apenas essa substância no estado gasoso. Exemplos de espectros de emissão obtidos dessa forma:

Hidrogénio:
Hélio:
Carbono:

A explicação dos espectros descontínuos constitui um dos grandes triunfos da Mecânica Quântica.

A composição do Universo

Em 1802 o físico inglês William Wollaston acoplou ao prisma uma fenda ajustável, podendo dessa forma usar fendas muito estreitas para obter espectros bastante nítidos. Descobriu assim que existiam finas riscas negras no arco-íris de cores da luz do Sol. Estas riscas foram estudadas de forma mais sistemática pelo fabricante alemão de espelhos e lentes Joseph von Fraunhofer de 1814 a 1823. Este, ao utilizar um telescópio para observar a luz refractada pelo prisma, identificou 574 riscas escuras no espectro da luz do Sol. Para designar as oito riscas mais proeminentes usou as letras de A a G. Fraunhofer foi no entanto incapaz de explicar por que razão estas linhas se encontravam no espectro da luz do Sol.

Fraunhofer não fazia ideia que este espectro era um mapa codificado da composição química do Sol. A informação contida nestas linhas, hoje em dia chamadas linhas de Fraunhofer, revelaria mais tarde essa mesma composição química. Fraunhofer reparou no entanto que os planetas (que reflectem a luz do Sol), apesar de terem um espectro mais ténue, as riscas escuras mais fortes estavam nas mesmas posições. Porém quando observou outras estrelas reparou que essas riscas negras mudavam de posição e/ou apareciam outras riscas...

Finalmente, em 1859, o físico alemão Gustav Kirchhoff enquanto estudava vapores incandescentes de sódio observou a existência de duas linhas brilhantes na mesma posição das duas linhas escuras D de Fraunhofer. Após experiências adicionais com a luz do Sol, vapores ou gases de diferentes elementos e o mapa das linhas de Fraunhofer, Kirchhoff enunciou as três leis:

Espectros contínuos, de emissão e de absorção.

1. Qualquer sólido ou gás a alta pressão e incandescentes produzem um espectro contínuo.
2. Qualquer gás a baixa pressão e incandescente produz um espectro descontínuo de riscas, o qual depende dos elementos que o compõem e é único para cada gás.
3. Quando a luz proveniente de qualquer sólido ou gás a alta pressão e incandescentes atravessa um gás ou um vapor no seu caminho, o espectro de emissão desse gás ou vapor é subtraído ao espectro contínuo, deixando riscas escuras no seu lugar.

Munido deste conhecimento, Kirchhoff descodificou as linhas de Fraunhofer. As linhas escuras e a sua posição indicavam que a atmosfera do Sol continha sódio, magnésio, ferro, cálcio, cobre e zinco entre outros elementos.

Os astrónomos tinham agora a chave para determinar a composição das estrelas e consequentemente do Universo.