Em maio de 1609 ouviu falar de um instrumento de olhar à distância que o holandês Hans Lippershey havia construído, e mesmo sem nunca ter visto o aparelho, construiu sua primeira luneta em junho, com um aumento de 3 vezes. Galileu se deu conta da necessidade de fixar a luneta, ou telescópio como se chamaria mais tarde, para permitir que sua posição fosse registrada com exatidão. Até dezembro ele construiu vários outros, o mais potente com 30X, e faz uma série de observações da Lua, descobrindo que esta tem montanhas.
Como funciona a luneta:
A primeira lente que a luz encontra é a objetiva, que ao receber os raios luminosos forma uma imagem real e invertida em um de seus focos. A segunda lente é a ocular que utiliza como seu objeto a imagem da lente objetiva. A ocular tem como finalidade aumentar a imagem formada pela primeira lente, de maneira que o observador possa visualizá-la. A imagem formada pela lente ocular é vista pelo operador do telescópio será do tipo virtual e invertida.
De 7 a 15 de janeiro de 1610 descobre os quatro satélites maiores de Júpiter e sua revolução livre em torno do planeta. Descobriu também as principais estrelas dos aglomerados das Plêiades e das Híades e a primeira indicação dos anéis de Saturno e as manchas solares. Por suas afirmações, Galileu foi julgado e condenado por heresia em 1633. Sentenciado ao cárcere, Galileu, aos setenta anos, renega suas conclusões de que a Terra não é o centro do Universo e imóvel.
Apenas em 1822 foram retiradas do Índice de livros proibidos as obras de Copérnico, Kepler e Galileu, e em 1980, o Papa João Paulo II ordenou um reexame do processo contra Galileu, o que eliminou os últimos vestígios de resistência, por parte da igreja Católica, à revolução Copernicana.
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