Nova geração de telescópios pode revolucionar nossa compreensão do Universo

Nas últimas décadas, aprendemos muito sobre o Universo e sua história. O rápido desenvolvimento da tecnologia de telescópios - tanto na Terra quanto no espaço - tem sido uma parte fundamental desse processo, e os previstos para começar a operar nas próximas duas décadas devem ampliar ainda mais os limites de nossa compreensão da cosmologia.

Todos os observatórios têm uma lista de objetivos científicos antes de entrarem em operação, mas são as descobertas inesperadas que podem ter o maior impacto. Muitos avanços surpreendentes na cosmologia foram impulsionados por novas tecnologias, e os próximos telescópios têm recursos poderosos.

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Ainda assim, há lacunas, como a ausência de novos telescópios espaciais para astronomia em luz ultravioleta e visível. Política e interesses nacionais retardaram o progresso científico. O financiamento está apertado até mesmo para os observatórios mais famosos.

Os maiores dos novos telescópios estão sendo construídos nas montanhas do Chile. O Extremely Large Telescope (ELT), por exemplo, abrigará um espelho do tamanho de quatro quadras de tênis, sob uma enorme cúpula no deserto do Atacama. Telescópios refletores como o ELT funcionam usando um espelho primário para coletar a luz do céu noturno e, em seguida, refleti-la em outros espelhos para uma câmera. Espelhos maiores coletam mais luz e enxergam objetos mais tênues.

O Extremely Large Telescope (ELT) em construção no topo do pico Cerro Amazones, no norte do Chile.

Outro telescópio em terra em construção no Chile é o Vera C. Rubin. A câmera do Rubin é a maior já construída: do tamanho de um carro pequeno e pesando cerca de três toneladas. Seus 3.200 megapixels fotografarão o céu inteiro a cada três dias para detectar objetos em movimento. Ao longo de 10 anos, essas fotografias serão combinadas para formar um enorme vídeo de lapso de tempo do Universo.

A astronomia costumava ser um trabalho fisicamente exigente, que requeria viagens a telescópios remotos em locais escuros - mas muitos astrônomos começaram a trabalhar em casa muito antes da COVID-19. No final do século XX, os principais observatórios terrestres começaram a implementar tecnologia para permitir que os astrônomos controlassem os telescópios para observações noturnas mesmo quando não estivessem presentes fisicamente. A observação remota agora é comum, realizada pela internet.

Espere o inesperado

No entanto, a visão de qualquer telescópio no solo é limitada, mesmo que ele esteja no topo de uma montanha. O lançamento de telescópios para o espaço pode contornar essas limitações.

A história operacional do Telescópio Espacial Hubble começou quando o ônibus espacial Discovery o levou acima da atmosfera em 25 de abril de 1990. O Hubble recebeu o tratamento completo de ficção científica dos anos 1960: um foguete para lançá-lo, giroscópios para apontá-lo e câmeras eletrônicas em vez de filme fotográfico. Mas um plano não deu certo: o Hubble receberia um astronauta-astrônomo que se deslocaria, trabalhando decididamente longe de casa.

O Hubble foi projetado para fazer um censo da Via Láctea e de suas galáxias vizinhas. Seu sucessor, o Telescópio Espacial James Webb, estudaria galáxias ainda mais distantes.

Ambos telescópios revolucionaram nossa compreensão do Universo, mas de maneiras que ninguém previu. Os planos originais do Hubble não mencionam nenhuma das descobertas que hoje são vistas como seus maiores sucessos: plumas de água em erupção da lua Europa de Júpiter, o vórtice em torno dos buracos negros, a matéria escura invisível que mantém o Universo unido e a energia escura que está acelerando sua expansão.

O Webb, lançado em 25 de dezembro de 2021, agora passa um terço de seu tempo observando planetas ao redor de outras estrelas que sequer eram conhecidos quando ele foi projetado.

O objetivo declarado de um telescópio caro geralmente é apenas um argumento de venda para agências espaciais, governos e (shhh…) contribuintes. O telescópio Webb deve atingir seus objetivos científicos originais, mas os astrônomos sempre souberam que ver mais longe, com mais precisão ou em mais cores pode render muito mais. As descobertas inesperadas dos telescópios costumam ser mais significativas do que os objetivos científicos declarados de início.

Visão de longo prazo

Para os cientistas, é um alívio o fato de os telescópios irem além de seu mandato original, pois o Hubble e o Webb levaram mais de 25 anos da proposta ao lançamento. Durante esse tempo, surgem novas questões científicas.

A construção de um grande telescópio espacial normalmente leva cerca de duas décadas. Os telescópios espaciais Chandra e XMM-Newton levaram 23 anos e 15 anos para serem construídos, respectivamente. Eles foram projetados para observar raios X provenientes de gás quente ao redor de buracos negros e aglomerados de galáxias, e foram lançados muito próximos um do outro em 1999.

Eles foram seguidos pelo satélite de raios X Hitomi do Japão, que levou 18 anos para ser construído, e o instrumento eRosita alemão no observatório espacial Spektr-RG da Rússia, que levou 20 anos para ficar pronto.

Escalas de tempo semelhantes se aplicam aos telescópios espaciais Hipparcos e Gaia da Agência Espacial Europeia (ESA), que estão mapeando todas as estrelas na Via Láctea. As missões Cobe e Planck para estudar o eco de "luz" em micro-ondas do Big Bang também levaram duas décadas. As datas precisas dependem de como você conta, e algumas exceções foram "mais rápidas, melhores e mais baratas", mas as agências espaciais nacionais geralmente são avessas ao risco e lentas no desenvolvimento desses projetos.

Os mais recentes telescópios espaciais são, portanto, da geração do milênio. Eles foram projetados em uma época em que os astrônomos haviam medido a expansão do Universo recém-nascido após o Big Bang e também sua expansão acelerada e mais recente. Seu principal objetivo agora é preencher a lacuna - porque, surpreendentemente, as interpolações de tempos antigos para tempos mais recentes não se encontram no meio.

As taxas medidas para a expansão do Universo são inconsistentes, assim como os resultados para a aglomeração de matéria no Cosmos. Ambas as medições criam desafios para nossas teorias sobre como o universo evoluiu.

A observação da meia-idade do Universo requer telescópios que operem em comprimentos de onda longos, pois a luz de galáxias distantes é esticada até o momento em que chega a nós. Portanto, o Webb tem câmeras de zoom infravermelho, enquanto o telescópio espacial Euclid da Agência Espacial Europeia, lançado em 2023, e o telescópio Nancy Grace Roman da Nasa, com lançamento previsto para 2026, têm visões de grande angular no infravermelho.

Três ônibus chegam ao mesmo tempo

A maioria das estrelas brilha em luz nas faixas ultravioleta e infravermelha, que são bloqueadas pela atmosfera da Terra, bem como na faixa que nossos olhos evoluíram para ver.

Estas faixas extras são úteis. Por exemplo, podemos "pesar" estrelas do outro lado de nossa galáxia porque estrelas maciças são brilhantes no infravermelho, enquanto as menores são fracas - e permanecem assim durante toda a sua vida. Entretanto, sabemos onde as estrelas estão nascendo porque somente as estrelas jovens emitem luz ultravioleta.

Além disso, medições independentes da mesma coisa são vitais para a ciência rigorosa. Os telescópios de infravermelho, por exemplo, podem trabalhar juntos e já fizeram descobertas surpreendentes. Mas não é muito bom para a diversidade o fato de os telescópios espaciais Webb, Euclid e Roman verem cores infravermelhas.

A câmera de luz visível do Hubble acabou de ser desligada devido a cortes no orçamento. A Nasa não voltará a usar comprimentos de onda ultravioleta até a década de 2030, com o Ultraviolet Explorer e o Habitable Worlds Observatory.

A política terrestre também atrapalha. É improvável que os dados do telescópio espacial de classe Hubble da China, o Xuntian, sejam compartilhados internacionalmente. E, em protesto contra a invasão da Ucrânia pela Rússia, em fevereiro de 2022 a Alemanha desligou seu instrumento de raios X eRosita, que estava funcionando perfeitamente, em colaboração com a Rússia, a um milhão de quilômetros da Terra.

Lançamentos comerciais baratos podem salvar o dia. O Euclid deveria ter decolado em um foguete russo Soyuz de um espaçoporto da Agência Espacial Europeia na Guiana Francesa. Quando a Rússia encerrou as operações lá em represália às sanções pela invasão da Ucrânia, o lançamento do Euclid foi trocado com sucesso na última hora por um foguete Falcon 9 da SpaceX.

Se os grandes telescópios também puderem ser dobrados dentro de satélites do tamanho de uma caixa de sapatos, os "CubeSats", o custo mais baixo tornaria viável que algum deles fracassem. A tolerância ao risco cria um círculo virtuoso que torna as missões ainda mais baratas.

Os telescópios também estão sendo testados em instalações em locais inovadores, como balões gigantes de hélio e aviões. Um dia, eles também poderão ser construídos na Lua, onde o ambiente é vantajoso para determinados tipos de astronomia.

Mas talvez a tecnologia de observação do Universo mais incomum, e que pode trazer as descobertas mais inesperadas, seja os detectores de ondas gravitacionais. As ondas gravitacionais não fazem parte do espectro eletromagnético, portanto não podemos vê-las. Elas são distorções, ou "ondulações", no espaço-tempo causadas por alguns dos processos mais violentos e energéticos do Universo. Esses processos podem incluir uma colisão entre duas estrelas de nêutrons (objetos densos formados quando estrelas maciças ficam sem combustível) ou a fusão de uma estrela de nêutrons com um buraco negro, ou de dois buracos negros.

Se os telescópios são nossos olhos, os detectores de ondas gravitacionais são nossos ouvidos. Mas, novamente, os atuais detectores de ondas gravitacionais na Terra são meros ensaios para os que os astrônomos acabarão implantando no espaço.

Quando perguntado sobre o que a próxima geração de observatórios descobrirá, não tenho a menor ideia. E isso é bom. Os melhores experimentos científicos não devem apenas nos informar sobre as coisas que esperamos encontrar, mas também sobre as incógnitas desconhecidas.

Richard Massey recebe financiamento da UK Space Agency para apoiar o projeto Euclid, e lidera o envolvimento do Reino Unido no SuperBIT, um telescópio instalado em um balão.