Quando o telescópio Hooker olhou para o céu pela primeira vez em 1917, ninguém sabia que maravilhas ele poderia revelar. Em uma década, o astrônomo Edwin Hubble o usou – então o maior telescópio do mundo, com 100 polegadas de diâmetro – para descobrir que galáxias existem além da Via Láctea e que o universo está se expandindo.
A história se repetiu a partir de 1949, quando o telescópio Hale de 200 polegadas tirou sua primeira fotografia do céu noturno. No início dos anos 1960, o astrônomo Maarten Schmidt usou o instrumento para analisar “fontes de rádio quase estelares” incomuns – quasares para abreviar. Eles acabaram sendo buracos negros supermassivos agregando matéria nos centros das galáxias, uma fantasia de ficção científica quando o telescópio Hale foi construído.
Na década de 1990, a tecnologia avançou o suficiente para inaugurar uma era de telescópios de 8 a 10 metros de largura (26 a 33 pés), e a mesma história se repetiu mais uma vez. Com uma ajuda essencial do Telescópio Espacial Hubble de 2,4 metros orbitando acima da atmosfera de distorção de imagem da Terra, esses instrumentos poderiam analisar algumas dezenas de supernovas Tipo Ia distantes – as explosões cataclísmicas de estrelas anãs brancas. Surpreendentemente, os pesquisadores descobriram que a expansão do universo está se acelerando. Novamente, isso só foi possível com o aumento do poder de fogo dos telescópios mais recentes.
Agora, os astrônomos estão no limiar de uma nova revolução do telescópio. Durante os próximos anos, os pesquisadores esperam que três instrumentos com mais de duas vezes o tamanho de seus concorrentes mais próximos comecem a escanear os céus. E um quarto telescópio, com “apenas” 8 metros de diâmetro, usará tecnologia avançada para obter imagens de todo o céu noturno a cada três dias.
Este quarteto de novos instrumentos promete entregar ciência impressionante nas questões mais importantes. Mas, como com os grandes saltos anteriores de tamanho, os novos osciloscópios provavelmente também farão descobertas que ninguém ainda pode imaginar. Como diz Pat McCarthy, vice-presidente da Organização do Telescópio Gigante de Magalhães (GMT): “Esperamos aprender coisas que não sabemos”.
Tamanho importa
Os astrônomos estão sempre procurando esticar os limites – para ver objetos mais fracos com mais detalhes. Um telescópio maior coleta mais luz e, portanto, permite uma visão mais profunda do cosmos. Dobre o diâmetro do espelho principal capturando luz para o telescópio e você quadruplicou sua área de superfície e, portanto, a quantidade de luz que ele recebe. Uma observação que antes levava quatro horas, agora pode ser realizada em uma, e este mesmo espelho permitirá que você veja quase o dobro da distância.
Telescópio Gigante Magellan – GMTO Corporation / Produzido por Mason Media Inc.
Mas você pode se perguntar onde a lei dos rendimentos decrescentes se instala. Afinal, só até agora você pode ver. Talvez o Telescópio Espacial Hubble tenha recentemente se aproximado desses limites quando encerrou seu programa Frontier Fields, que permitiu aos pesquisadores observar as galáxias como elas existiam apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang. E para objetos mais próximos, o Hubble oferece imagens incomparáveis, apesar do tamanho relativamente pequeno. O que mais as pessoas podem querer?
Bem, astrônomos profissionais não vivem apenas de imagens. Na maioria das vezes, eles precisam de colapsos de luz, chamados espectros, das coisas que observam, para extrair informações sobre a temperatura, velocidade, rotação e composição de um objeto. Na verdade, um espectro é a única maneira de distinguir a luz das estrelas de uma nuvem de gás brilhante, ou uma estrela tênue nas proximidades da Via Láctea de uma galáxia difusa em um canto distante do universo. E obter luz suficiente para fazer até mesmo uma quantidade mínima de análise espectral leva cerca de 100 vezes mais tempo do que a obtenção de uma imagem. Felizmente, escopos maiores permitem que o tempo de processamento seja reduzido significativamente.
A resolução também aumenta com o diâmetro do telescópio. Faça um espelho com o dobro da largura e ele fornecerá o dobro de detalhes. E, graças a uma peculiaridade da física, você pode obter o mesmo benefício colocando telescópios menores mais distantes e combinando sua luz, por meio de um processo conhecido como interferometria. (Radioastrônomos usando esta técnica produziram a primeira imagem de um buraco negro no início deste ano: uma rede global de radiotelescópios avistou cerca de 54 milhões de anos-luz para capturar o buraco negro supermassivo no centro da galáxia gigante M87.)
Os telescópios terrestres enfrentam um desafio adicional: a atmosfera destruidora de detalhes da Terra. Conforme a luz de um objeto celestial passa pelo ar em diferentes temperaturas, ela é empurrada e perde clareza. Essa é uma grande razão pela qual os designers colocam grandes telescópios no topo das montanhas – há muito menos ar acima deles para interferir. Mesmo as diferenças de temperatura entre o ar fora e dentro da cúpula de um telescópio podem gerar correntes de ar que afetam adversamente a nitidez de uma imagem.
É aí que entra a óptica adaptativa. Nas últimas décadas, os astrônomos aprimoraram essa técnica, que compensa mecanicamente qualquer travessura atmosférica e
oferece imagens quase tão nítidas quanto o espelho pode teoricamente produzir. O coração de um sistema óptico adaptativo é um espelho fino, flexível e controlado por computador. Os astrônomos visam uma estrela de referência razoavelmente brilhante perto do objeto que desejam estudar. O computador analisa a luz que entra para medir como a atmosfera a turva, então diz ao sistema de controle como ajustar a forma do espelho para corrigir a imagem em tempo real. Como a turbulência atmosférica muda constantemente, tais sistemas podem alterar a forma do espelho em até 1.000 vezes por segundo. E se nenhuma estrela de referência brilhante estiver por perto – como costuma acontecer – os astrônomos podem simplesmente lançar poderosos feixes de laser na atmosfera superior da Terra e criar sua própria luz de referência.
Fazendo espelhos
Antes que possam tirar proveito da próxima geração de telescópios, é claro, os engenheiros precisam fabricar as peças – ou seja, aqueles espelhos enormes e essenciais. Os astrônomos desenvolveram dois projetos para eles.
Telescópio Gigante Magellan – GMTO Corporation
No primeiro, eles lançam um único espelho monolítico. O astrônomo Roger Angel, da Universidade do Arizona, foi o pioneiro neste método após conduzir um experimento de quintal por volta de 1980. Os técnicos iniciam o processo carregando pedaços de vidro em um molde de forno. Eles, então, aumentam a temperatura do forno para 2.100 graus Fahrenheit e giram a montagem inteira a uma taxa de cinco revoluções por minuto. Uma vez que os pedaços derretem com a consistência de mel espesso, o vidro flui em uma forma parabólica ou parabólica – perfeito para focar a luz das estrelas que entra – como resultado da rotação. Os espelhos não têm mais de 1 polegada de espessura e têm uma estrutura em forma de favo de mel para manter o peso baixo. Os técnicos então lixam e polem a superfície do espelho para a forma exata necessária.
O Laboratório de Espelhos Richard F. Caris do Arizona lançou espelhos para muitos dos maiores telescópios do mundo, incluindo o Observatório MMT de 6,5 metros e os monstros gêmeos de 8,4 metros do Grande Telescópio Binocular, ambos no Arizona.
Telescópio Magellan – GMTO Corporation
A segunda técnica de design, desenvolvida em 1977 pelo já falecido astrônomo Jerry Nelson, da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, combina muitos segmentos hexagonais de espelho em uma única estrutura. Embora os segmentos em si não sejam enormes, juntá-los pode resultar em um telescópio de classe mundial. Ambos os telescópios Keck de 10 metros no Mauna Kea do Havaí apresentam 36 segmentos, cada um com cerca de 6 pés de largura e pesando 880 libras. O Gran Telescopio Canarias de 10,4 metros em La Palma, nas Ilhas Canárias, tem o mesmo número de segmentos hexagonais que os Kecks ligeiramente menores.
Levantamento super rápido do céu
Então, o que esses novos instrumentos realmente serão e o que farão? Dos quatro osciloscópios da próxima geração que se preparam para revolucionar a astronomia, o Large Synoptic Survey Telescope (LSST) deve ser o primeiro a entrar em cena. O que diferencia o LSST não é seu tamanho – seu espelho primário de 8,4 metros caberia confortavelmente em vários observatórios atuais no topo das montanhas -, mas sua capacidade de capturar imagens largas do céu rapidamente.
Situado no topo do Cerro Pachón no centro-norte do Chile, o LSST deve levar apenas 15 segundos para entregar imagens nítidas cobrindo 9,6 graus quadrados do céu – equivalente à área de mais de 40 luas cheias, e quase 5.000 vezes o campo da câmera de campo amplo do Hubble 3 –
Projeto LSST / NSF / AURA
“O LSST terá uma visão geral no espaço-tempo, obtendo mais de 800 imagens [noturnas] de cada pedaço visível do céu em seis filtros de cor”, disse o cientista-chefe do LSST Tony Tyson, da Universidade da Califórnia, Davis. “Este será um filme digital colorido do universo, investigando a natureza de novas maneiras.”
Igualmente importante para o sucesso do LSST é sua câmera de imagem de 3,2 gigapixels. A maior câmera digital do mundo não é aquela que você gostaria de carregar nas próximas férias: ela mede 5,5 por 9,8 pés e pesa cerca de 6.200 libras. Com ele, o LSST obterá duas imagens consecutivas de 15 segundos de um único pedaço do céu e as comparará rapidamente para rejeitar qualquer radiação dispersa que atinja os detectores. (É semelhante a tirar várias fotos de um prédio famoso para remover digitalmente os turistas.) A luneta então se move para a próxima área do céu – um movimento que leva apenas 10 segundos, em média – e repete o processo. Essa imagem rápida significa que o LSST pode cobrir todo o céu visível de Cerro Pachón a cada três dias.
Todd Mason, Mason Productions Inc./LSST Corporation
O software de computador processará inicialmente as imagens em 60 segundos, procurando por algo que mudou de brilho ou posição em comparação com as imagens anteriores da mesma área. Quando encontra algo, imediatamente envia um alerta aos pesquisadores para um acompanhamento rápido. Os astrônomos esperam que o LSST forneça até 10 milhões de alertas por noite – uma média de 278 por segundo durante uma sessão típica de observação de 10 horas.
Isso será uma bênção para os cientistas que estudam eventos transitórios, como as explosões estelares que produzem novas e supernovas. Os esforços do LSST também devem desenvolver um censo detalhado de pequenos objetos do sistema solar, descobrindo de 10 a 100 vezes mais objetos próximos à Terra e objetos distantes do Cinturão de Kuiper além da órbita de Netuno.
O espelho do LSST, lançado no Caris Mirror Lab a partir de março de 2008, chegou ao topo da montanha em 11 de maio de 2019. Os astrônomos esperam que ele fique online em 2021, com operações científicas completas para sua pesquisa planejada de 10 anos começando em 2022 depois de totalmente calibrado.
Sete vezes mais charme
Se um espelho enorme pode fornecer tanta ciência, por que não tentar sete? Essa é a ideia por trás do GMT, em construção no Observatório Las Campanas do Chile. O GMT compreende sete espelhos de 8,4 metros em uma única estrutura, dispostos em um padrão semelhante a margaridas com um espelho central rodeado por seis “pétalas”. O Caris Mirror Lab tem estado ocupado trabalhando neste projeto e acaba de concluir o segundo espelho em julho; os próximos três foram fundidos e estão em vários estágios de lixamento, polimento ou teste. Em Las Campanas, uma equipe de 40 pessoas terminou de escavar a fundação do telescópio na primavera passada.
Telescópio Gigante Magellan – GMTO Corporation
“Podemos operar com quatro espelhos no lugar”, diz McCarthy. “Isso ainda o torna o maior telescópio do mundo, de longe.” O GMT deve atingir esse marco em 2026, e todos os sete devem estar no lugar em 2028. Coletivamente, os espelhos darão ao instrumento uma abertura efetiva de 24,5 metros, cerca de 10 vezes a do Hubble, então ele deve atingir resoluções 10 vezes melhores do que o observatório orbital. E sua localização, a cerca de 2.248 pés acima do nível do mar, no árido Deserto do Atacama, proporcionará uma vista soberba na luz visível, bem como no espectro infravermelho próximo. Mas não será o único com essas visualizações novas e aprimoradas.
Um feitiço sobre seu escopo
Os outros dois telescópios gigantes da próxima década seguiram um caminho diferente. Tanto o Extremely Large Telescope (ELT) como o Thirty Meter Telescope (TMT) consistirão em centenas de segmentos hexagonais unidos para criar áreas coletoras gigantescas.
O ELT da Europa possui 798 segmentos em seu espelho principal – cada um medindo 55 polegadas de diâmetro – dando ao espelho principal do telescópio uma abertura de 39 metros. A empresa ótica alemã Schott lançou o primeiro desses segmentos no início de 2018 e os vem produzindo desde então. A inovação para o gigantesco telescópio ocorreu em junho de 2014 no Cerro Armazones, uma montanha de 9.993 pés no Chile. Se tudo correr de acordo com o planejado, o ELT deve ver as primeiras luzes em 2025, aproximadamente na mesma hora do GMT.
Como o nome sugere, os 492 segmentos do TMT darão ao espelho principal do telescópio uma abertura de 30 metros. Os parceiros japoneses do projeto estão produzindo os espelhos ásperos, que são quase do mesmo tamanho que os ELTs, enquanto grupos no Japão, China, Índia e Estados Unidos os polirão, cortarão e montarão. O TMT se juntará a seus primos Keck no cume do Mauna Kea a uma altitude de 13.287 pés. O site dá ao TMT acesso a todo o céu do norte, algo que nenhum dos outros três pode obter em seus sites no Chile. É também o mais alto dos novos grandes escopos, colocando-o mais acima da atmosfera da Terra.
Mas o site também apresenta uma grande desvantagem. Mauna Kea é sagrada para os nativos havaianos, e a construção do telescópio atraiu vários protestos. Não estava claro se o novo observatório seria construído, mas a Suprema Corte do Havaí decidiu em outubro de 2018 que a construção poderia prosseguir.
O gabinete do TMT – que abrigará o próprio escopo e os componentes eletrônicos relacionados – já está concluído e aguardando envio do Canadá para a ilha. Com os desafios legais presumivelmente resolvidos, os cientistas estão olhando para a primeira luz em 2026.
Ciência em carga
Com seu poder de captação de luz e resolução sem precedentes, o GMT, ELT e TMT prometem aos astrônomos as melhores vistas de objetos desbotados e regiões lotadas. Os cientistas esperam que esses gigantes lançarão luz sobre uma variedade de problemas incômodos. Perto de casa, a caça de planetas semelhantes à Terra em órbitas semelhantes à Terra em torno de estrelas próximas será uma prioridade. Ainda mais emocionante será a nova capacidade de examinar esses mundos. “A maioria desses exoplanetas está muito perto de suas estrelas-mãe para estudar hoje”, diz McCarthy. Mas com o GMT e outros grandes osciloscópios, “Vamos separar a luz de centenas de planetas de suas estrelas hospedeiras. Seremos capazes de rastrear o clima por meio de mudanças de cor e observar a química das atmosferas planetárias.”
Observatório Internacional TMT
O nascimento e a morte das estrelas também deveriam ser campos férteis de estudo. Os espectros de alta resolução ajudarão os pesquisadores a entender por que as estrelas vêm em uma gama tão ampla de massas e sondar mais profundamente do que nunca nas estrelas falhadas de menor massa conhecidas como anãs marrons. No extremo oposto da vida de uma estrela, esses instrumentos monstruosos procuram supernovas nos confins do universo e estudam os mais próximos com detalhes extraordinários, observando a alquimia cósmica acontecendo nessas estrelas em explosão. A alta resolução dos osciloscópios também permitirá que os astrônomos estudem as aglomeradas regiões centrais da Via Láctea e aglomerados de estrelas, como R136 na Grande Nuvem de Magalhães.
Esses telescópios gigantes também devem responder a questões ainda maiores sobre a estrutura básica do universo. Com esses osciloscópios de grande abertura e recursos infravermelhos, McCarthy diz, “seremos [capazes de] olhar para trás, para o universo inicial, para galáxias de apenas 100 a 500 milhões de anos”. Este será um primeiro elo vital para fornecer uma visão geral de como as galáxias evoluem ao longo do tempo e sua relação com os buracos negros supermassivos em seus centros. Os escopos devem até iluminar como a Via Láctea cresceu ao engolir companheiros anões próximos e, potencialmente, resolver o enigma do que veio primeiro: galáxias ou seus buracos negros.
No palco maior, o cosmos ainda confunde os cientistas em busca de explicações sobre a matéria escura que mantém as galáxias unidas e a energia escura que faz com que a expansão do universo se acelere. Esses novos telescópios fornecerão novos dados vitais para ajudar a resolver esses mistérios e podem ajudar a resolver a discrepância entre as diferentes formas de medir a taxa de expansão do universo.
Na maioria desses empreendimentos, os grandes novos escopos trabalharão em conjunto com o Telescópio Espacial James Webb de 6,5 metros em órbita, que está programado para ser lançado em 2021. Com alguma sorte, poderemos saber muito mais sobre as complexidades de nosso cosmos no próximos 10 a 15 anos. Mas, como os telescópios Hooker e Hale mostraram, também podemos ter um novo lote de mistérios para tentar descobrir.
Publicado em 06/11/2020 17h39
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