Uma nova geração de telescópios
A participação brasileira em grandes projetos internacionais promoveu avanços nas áreas de astronomia e de instrumentação astronômica que levaram a criação de uma rede para conectar as universidades, instituições e profissionais envolvidos em diferentes consórcios. Assim, foi constituída a Rede Paulista de Astronomia (SPAnet), com o objetivo de impulsionar o desenvolvimento da área no estado de São Paulo. Nesta aliança estão inclusos alguns dos projetos da nova geração de telescópios terrestres, como o Giant Magellan Telescope, o Cherenkov Telescope Array e o Large Latin American Millimeter Array, que prometem produzir análises únicas, transformando nossa visão e compreensão do universo, e, consequentemente, abrindo novas portas para a pesquisa em astronomia e cosmologia.
Há algumas décadas, não se fazia ideia da imensidão e da idade do universo, acreditava-se inclusive, que a Via-Láctea era o próprio universo. Essa percepção começou a mudar entre 1920 e 1930, com os trabalhos de Edwin Hubble. Ao longo desses anos, usando o recém inaugurado telescópio do Monte Wilson, ele determinou a distância de Andrômeda e posteriormente de outras galáxias, provando assim que a Via Láctea é apenas uma galáxia entre muitas outras. Em 1990, a NASA lançou o famoso Telescópio Espacial Hubble, apelidado em homenagem ao cientista, e que viria a contribuir consideravelmente nos estudos sobre o universo, além de fornecer algumas das imagens mais famosas e deslumbrantes do espaço.
Uma das mais conhecidas, a The Hubble Deep Field (O Campo Profundo de Hubble), emoldura uma pequena região da constelação da Ursa Maior, e, nessa área tão pequena, foi possível identificar milhares de galáxias. A descoberta da existência de outras galáxias, primitivas e jovens, seguida da descoberta da expansão do universo revolucionou o campo astronômico de maneiras que eram inimagináveis pelos pesquisadores da época. Novas empreitadas têm também esse ambicioso objetivo: de conseguir enxergar o universo de uma maneira nunca antes vista e, assim, aproximar-nos um pouco mais da resposta para as grandes perguntas da humanidade.
A imagem do Hubble Deep Field cobre uma área do céu equivalente ao tamanho de uma moeda a uma distância de cerca de 25 metros. Neste pequeno campo, o Hubble descobriu uma variedade surpreendente de pelo menos 1.500 galáxias em vários estágios de evolução.
Crédito: R. Williams (STScI), the Hubble Deep Field Team and NASA/ESA
Estamos sozinhos no universo?
Esse é um dos grandes questionamentos que acompanham cientistas e não cientistas ao longo de gerações. O GMT (Giant Magellan Telescope) espera ser capaz de encontrar uma resposta para isso. O Telescópio Gigante de Magalhães está sendo construído no Observatório Las Campanas, no Chile, e a expectativa é que ele comece a operar em 2029. Ele conta com tecnologia de ponta: possuirá uma área coletora 100 vezes maior e nitidez 10 vezes maior do que o Telescópio Espacial Hubble. Com a grande área de coletora do GMT espera-se que, uma vez operando, seja possível fotografar objetos e áreas do universo com maior nitidez e maiores distâncias, assim, uma expectativa é conseguir registros de astros como os planetas “extrasolares”, que orbitam outras estrelas. Fotografar esse tipo de planeta é extremamente difícil, além da vasta distância – a estrela mais próxima da Terra está a quatro anos-luz de distância – o maior problema é o brilho da estrela hospedeira, que ofusca a maior parte da luz refletida de um pequeno planeta distante
Com o crescimento da astronomia brasileira no cenário internacional, impulsionada após a adesão aos consórcios Gemini e SOAR, surgiram também iniciativas nacionais para incentivar a participação de pesquisadores brasileiros nesses grandes projetos. Um exemplo disso foi a criação, em 2009, do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Astrofísica (INCT-A). “O INCT de Astrofísica tinha exatamente o o objetivo de facilitar e incentivar novos pesquisadores a usarem dados destes telescópios. Outro objetivo era prepará-los para uso dos futuros telescópios gigantes Extremely Large Telescope (ELT), Giant Magellan Telescope (GMT), e Thirty Meter Telescope (TMT).”, conta a professora Beatriz Barbuy, pesquisadora do departamento de Astronomia no IAG/USP, e vice coordenadora do INCT-A. Até o encerramento de suas atividades, em 2017, o Instituto reuniu astrônomos e astrônomas de diferentes especialidades no desenvolvimento de novos projetos de pesquisa e iniciativas de divulgação científica, e contribuiu para o aumento da pesquisa astronômica brasileira usando dados de consórcios internacionais.
O CTA (Consórcio Cherenkov Telescope Array ) também é uma investida na busca de um maior entendimento do universo. Ao contrário do GMT, que tem como objetivo gerar imagens do espaço, o CTA visa coletar dados a partir da chamada Radiação de Cherenkov. Ela ocorre a partir de uma reação em cadeia, quando feixes de raios-gama vindos do espaço incidem na atmosfera terrestre. Elisabete Dal Pino, professora e pesquisadora do IAG-USP, que desde 2010 participa da construção do CTA, explica a necessidade de um número tão grande de telescópios para esse tipo de estudo, “a radiação Cherenkov se espalha por uma região de 100 mil metros quadrados, então não basta um único telescópio para a gente captar a radiação vinda de um único raio gama. Então imagine um feixe de raios gama. São necessários muitos telescópios distribuídos numa área do solo bastante larga para poder capturar essa radiação”, conta. O CTA ainda está em fase de construção, e tem previsão de início das atividades para 2025, quando deverá ser o maior observatório de raios-gama do mundo.
O que é a Radiação de Cherenkov?
Elisabete Dal Pino (IAG-USP)
O CTA (Consórcio Cherenkov Telescope Array ) também é uma investida na busca de um maior entendimento do universo. Ao contrário do GMT, que tem como objetivo gerar imagens do espaço, o CTA visa coletar dados a partir da chamada Radiação de Cherenkov. Ela ocorre a partir de uma reação em cadeia, quando feixes de raios-gama vindos do espaço incidem na atmosfera terrestre. Elisabete Dal Pino, professora e pesquisadora do IAG-USP, que desde 2010 participa da construção do CTA, explica a necessidade de um número tão grande de telescópios para esse tipo de estudo, “a radiação Cherenkov se espalha por uma região de 100 mil metros quadrados, então não basta um único telescópio para a gente captar a radiação vinda de um único raio gama. Então imagine um feixe de raios gama. São necessários muitos telescópios distribuídos numa área do solo bastante larga para poder capturar essa radiação”, conta. O CTA ainda está em fase de construção, e tem previsão de início das atividades para 2025, quando deverá ser o maior observatório de raios-gama do mundo.
O que é a Radiação de Cherenkov?
Elisabete Dal Pino (IAG-USP)
O que é a Radiação de Cherenkov?
Elisabete Dal Pino (IAG-USP)
O terceiro grande projeto no qual a SPAnet está envolvida, é o Large Latin American Millimeter Array (LLAMA). Ele está sendo desenvolvido em conjunto entre Brasil e Argentina, e visa a construção de um grande radiotelescópio com uma antena de 12 m de diâmetro, localizado no deserto de Puna de Atacama, na Argentina, a 4800 m acima do nível do mar. A antena deverá atender às demandas de diversas áreas de pesquisa, como meio interestelar e intergaláctico, física solar, e núcleos ativos de galáxias. Além disso, ela possibilitará o uso de Interferometria de Longa Linha de Base (VLBI, da siglas em inglês), uma técnica que permite combinar diversos radiotelescópios na observação simultânea de um único objeto. Ela torna possível simular um único telescópio extremamente potente, com o diâmetro equivalente à distância que separa as antenas que o compõem. Foi graças a esse método que a primeira observação direta de um buraco negro, em 2019, foi possível.
Jacques Lépine, professor do Instituto de Astronomia Geofísica e Ciências Atmosféricas da USP, é, também, coordenador do LLAMA. Ele conta como um dos objetivos do radioteslescópio é de interesse da Astroquímica, uma vez que as ondas de rádio serão utilizadas para mapear a presença de moléculas no meio interestelar. Confira abaixo a entrevista completa com o professor, na qual ele comenta mais sobre o processo de construção e planejamento da antena, o papel do Brasil nesse processo e a importância da participação de pesquisadores em consórcios internacionais:
A astronomia demanda projetos muito caros: estamos falando da construção de telescópios, de satélites etc. São instrumentações extremamente caras, por isso precisamos dessa parceria internacional. (...) Nós só precisamos manter políticas científicas sérias neste país. Urge-se que a gente as mantenha e amplie, e não as encolha.
Elisabete Dal Pino
Astrônoma pesquisadora do IAG-USP
Também na Argentina está localizado o Observatório Pierre Auger, o maior do mundo dedicado exclusivamente ao estudo dos raios cósmicos, partículas extremamente energizadas que caem sobre a Terra, cuja origem ainda não é completamente entendida. Entender como e onde são formadas essas partículas é importante não apenas pela revelação de suas misteriosas origens, mas também dos processos físicos capazes de gerar tanta energia. O observatório, que em 2019 completou 20 anos de história, reúne um consórcio de diversos países, no qual o Brasil está presente desde o começo. “É o experimento líder no mundo e a participação Brasileira nele desde o seu princípio trouxe avanços significativos para a construção de uma comunidade brasileira nessa área de pesquisa.”, explica Luiz Vitor de Souza Filho, pesquisador em astrofísica de partículas na Universidade de São Paulo, que também está envolvido com o as pesquisas do Observatório. “O observatório já obteve resultados históricos, como a correlação com algumas fontes dos raios cósmicos, alguns tipos de fontes, e também a composição dos que chegam aqui na Terra.”
Também na Argentina está localizado o Observatório Pierre Auger, o maior do mundo dedicado exclusivamente ao estudo dos raios cósmicos, partículas extremamente energizadas que caem sobre a Terra, cuja origem ainda não é completamente entendida. Entender como e onde são formadas essas partículas é importante não apenas pela revelação de suas misteriosas origens, mas também dos processos físicos capazes de gerar tanta energia. O observatório, que em 2019 completou 20 anos de história, reúne um consórcio de diversos países, no qual o Brasil está presente desde o começo. “É o experimento líder no mundo e a participação Brasileira nele desde o seu princípio trouxe avanços significativos para a construção de uma comunidade brasileira nessa área de pesquisa.”, explica Luiz Vitor de Souza Filho, pesquisador em astrofísica de partículas na Universidade de São Paulo, que também está envolvido com o as pesquisas do Observatório. “O observatório já obteve resultados históricos, como a correlação com algumas fontes dos raios cósmicos, alguns tipos de fontes, e também a composição dos que chegam aqui na Terra.”
Essas partículas energéticas, que viajam pelo Universo, ainda trazem muitos mistérios, mas podem contribuir para desvendar outra questão que tem instigado os pesquisadores: a matéria escura. Esta forma de matéria não interage com as radiações eletromagnéticas, ou seja, ela não emite nenhuma luz, o que torna extremamente complicada sua detecção, e por conta disso, ainda não se sabe qual é a sua composição. Entretanto, sabe-se que ela existe por conta da força gravitacional, uma vez que ela é responsável por grande parte da interação gravitacional entre as galáxias.
Se olhamos as estrelas mais distantes na galáxia, e observamos como elas se movem, isso nos leva a acreditar que deve existir algum tipo de matéria que mantém essas estrelas juntas na galáxia, ou no grupo de galáxias. É isso o que chamamos de “matéria escura”.
Marcela Carena
pesquisadora do Fermilab e professora na Universidade de Chicago
O termo matéria escura foi criado pelo astrofísico suíço Fritz Zwicky, em 1933, a partir de suas observações dos movimentos das galáxias. O físico calculou a massa de algumas galáxias e, ao comparar com outras observações, percebeu que as massas eram 400 vezes maiores do que o esperado, essa diferença, portanto, seria a matéria escura. Apesar da suspeita inicial, apenas mais tarde, com os trabalhos da astrônoma Vera Rubin surgiram evidências que corroborassem a teoria da matéria escura. Em suas observações foi possível afirmar que a velocidade de rotação das estrelas era maior do que o esperado e que, portanto, deveria existir uma matéria que não era visível, responsável por essa diferença na velocidade.
O Javalambre Physics of the Accelerating Universe Astrophysical Survey (J-PAS) e o Javalambre Physics of the Local Universe Survey (J-PLUS) são projetos irmãos que começaram como uma colaboração entre Brasil e Espanha, e hoje contam com a participação de mais de 10 países. “O objetivo principal desses levantamentos é investigar a natureza de duas das mais misteriosas componentes do universo: a energia escura e a matéria escura. Mas muitos outros problemas podem ser abordados, desde aqueles envolvendo objetos do sistema solar até propriedades das galáxias” explica Laerte Sodré, pesquisador do IAG-USP que já fez parte da coordenação do J-PAS e até hoje dedica-se a diversos projetos de pesquisa envolvendo o levantamento. Esses levantamentos são feitos com telescópios que usam filtros para determinar as distâncias de galáxias e com isso construir um mapa 3D da sua distribuição no universo. Com esse mapeamento espera-se encontrar a relação entre a distribuição de galáxias e da matéria escura e energia escura no universo.
No mundo todo a astronomia caminha para a era do “big data”, isto é, para um cenário onde a produção de dados astronômicos é tão grande que a capacidade de armazenamento e processamento dessas informações chega a representar um novo desafio tecnológico que exige novas iniciativas para articular os pesquisadores brasileiros. Com isso em mente, foram criados em 2010 e em 2017 respectivamente, o Laboratório Interinstitucional de e-Astronomia (LIneA) e o INCT e-Universo. “O LIneA e o INCT são duas faces da mesma moeda. o LIneA é o braço técnico do INCT, enquanto o INCT é o braço científico do LIneA. O LIneA na verdade é um experimento que propõe um novo modelo institucional na era de ‘big science’ e ‘big data’.”, explica Luiz Nicolaci da Costa, físico diretor da associação LIneA e coordenador do INCT e-Universo.
Juntos, o LIneA e o INCT funcionam como um centro de ciência focado em cosmologia e astronomia observacional com a missão de auxiliar, através de chamadas públicas, a participação brasileira em levantamentos astronômicos que geram grande quantidade de dados, como tem sido feito em relação à participação brasileiro nas colaborações Sloan Digital Sky Survey (SDSS), Dark Energy Survey (DES), Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) e Large Synoptic Survey Telescope (LSST). Essa iniciativa busca preencher uma lacuna no sistema científico brasileiro, que se dá tanto pelo desenvolvimento de tecnologias para lidar com essa questão, quanto pelo treinamento e formação de astrônomos preparados para lidar com a nova realidade astronômica que vem se instaurando. “Os nomes ‘e-astronomia’ e ‘e-universo’ foram escolhidos de propósito para sublinhar a importância dessa nova área do conhecimento da ciência. A e-ciência é cada vez mais importante em projetos de grande porte porque eles geram um enorme volume de dados, o que exige uma estrutura computacional e ferramentas adequadas para permitir a exploração científica destes dados”, conta Nicolaci.
O Dark Energy Survey (DES) foi um grande esforço coletivo de instituições de diversos países para fazer um levantamento de galáxias, com o objetivo de mapear os padrões que formam as estruturas do universo e investigar a natureza da matéria escura. Para fazer este mapeamento, foi construída uma câmera altamente sensível para ser acoplada ao telescópio de 4 metros de diâmetro do Observatório Interamericano de Cerro Tololo, no Chile. Ao longo de seis anos (entre 2013 e 2019), essa câmera percorreu uma área de 5000 graus quadrados do céu do hemisfério Sul para obter informações detalhadas de cada galáxia dessa região. “A partir dos dados levantados pelo Dark Energy Survey, é possível testar modelos que descrevem o nosso Universo para verificar qual deles é mais adequado e quais são os parâmetros que melhor descrevem o universo”, explica Rogério Rosenfeld, professor do Instituto de Física Teórica da UNESP e do ICTP-SAIFR, especialista nas áreas de física de partículas elementares e cosmologia, e complementa “nosso grupo está agora analisando esses dados e usando métodos estatísticos sofisticados para extrair as informações necessárias nos testes desses modelos”.
Em junho de 2020, o DES descobriu mais de 20 mil galáxias com um brilho tão fraco que eram quase invisíveis. (Clique na imagem para ampliar)
Crédito: DES Cam, Observatório Nacional
O Dark Energy Survey (DES) foi um grande esforço coletivo de instituições de diversos países para fazer um levantamento de galáxias, com o objetivo de mapear os padrões que formam as estruturas do universo e investigar a natureza da matéria escura. Para fazer este mapeamento, foi construída uma câmera altamente sensível para ser acoplada ao telescópio de 4 metros de diâmetro do Observatório Interamericano de Cerro Tololo, no Chile. Ao longo de seis anos (entre 2013 e 2019), essa câmera percorreu uma área de 5000 graus quadrados do céu do hemisfério Sul para obter informações detalhadas de cada galáxia dessa região. “A partir dos dados levantados pelo Dark Energy Survey, é possível testar modelos que descrevem o nosso Universo para verificar qual deles é mais adequado e quais são os parâmetros que melhor descrevem o universo”, explica Rogério Rosenfeld, professor do Instituto de Física Teórica da UNESP e do ICTP-SAIFR, especialista nas áreas de física de partículas elementares e cosmologia, e complementa “nosso grupo está agora analisando esses dados e usando métodos estatísticos sofisticados para extrair as informações necessárias nos testes desses modelos”.
Em junho de 2020, o DES descobriu mais de 20 mil galáxias com um brilho tão fraco que eram quase invisíveis. (Clique na imagem para ampliar)
Crédito: DES Cam, Observatório Nacional
Após o DES, o próximo grande projeto de mapeamento do céu para o qual grupos de cientistas estão se mobilizando é o levantamento do Large Synoptic Survey Telescope (LSST). Mariana Penna Lima Vidente, pesquisadora em cosmologia e astrofísica da Universidade de Brasília e colaboradora brasileira no projeto, explica: “O LSST é um novo telescópio que está sendo construído no Chile e que mapeará quase metade do céu ao longo de dez anos”. O funcionamento do projeto está programado para iniciar em 2023, e será conduzido no Observatório Vera C. Rubin, que leva o nome da astrônoma estadunidense responsável por confirmar a existência da matéria escura. “Atualmente estamos no processo de preparação das ferramentas que serão necessárias para realizar as análises científicas quando tivermos os dados do LSST.”, continua a professora Mariana Penna, ao discorrer sobre a participação de sua equipe, “em particular eu tenho participado do desenvolvimento de software que serão também disponibilizados para toda a comunidade científica”. Os dados levantados também deverão ajudar cientistas a compreender a formação e as estruturas da Via Láctea, a natureza da matéria escura e da energia escura, os confins do Sistema Solar e as rotas de asteroides perigosos. Além disso, com bilhões de objetos astronômicos localizados neste mapa, pode-se esperar que muitas descobertas inesperadas virão dos dados do LSST.
Crédito do vídeo: Todd Mason Inc. / LSST
E a vastidão do Universo deixa espaço para descobertas que constroem novos olhares para o espaço. Mais recentemente tivemos a detecção das ondas gravitacionais, que foram inicialmente propostas por Albert Einstein em 1916, com a Teoria da Relatividade Geral. Essas ondas são perturbações do espaço-tempo provocadas pelo movimento de qualquer objeto que tenha massa, sendo que, quanto mais massivo é o objeto, maior será a perturbação gerada. 100 anos depois da previsão de Einstein, essas ondas foram detectadas por uma colaboração de mais de 100 instituições de 18 países, incluindo o Brasil. A demora para conseguir realizar a primeira detecção se deve ao fato de que essas perturbações são extremamente fracas e exigem equipamentos super sensíveis. Em 2015, o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria a Laser (LIGO, na sigla em inglês), detectou pela primeira vez as perturbações gravitacionais resultantes da fusão de dois buracos negros e, apenas em 2017, foi possível detectar ondas gravitacionais geradas pela fusão de estrelas de nêutrons.
No Brasil, existem dois grupos envolvidos no Colaboração Científica LIGO: um do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), que trabalha no aperfeiçoamento de instrumentação do LIGO, e outro do Instituto Internacional de Física Teórica da Universidade do Rio Grande do Norte, coordenado pelo professor Riccardo Sturani, que trabalha com análise de modelagem de sinais emitidos por binários coalescentes, isto é, sistemas de dois objetos que se unem em um só, como no caso da fusão de buracos negros que possibilitou a primeira detecção de ondas gravitacionais. “As observações feitas nos últimos cinco anos determinaram o surgimento de uma nova ciência: a astronomia de ondas gravitacionais.”, observa Sturani. A possibilidade de observar o universo através de ondas gravitacionais não apenas marca uma nova fronteira para as observações astronômicas como também abre os olhos da humanidade para um novo mundo antes invisível.
No Brasil, existem dois grupos envolvidos no Colaboração Científica LIGO: um do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), que trabalha no aperfeiçoamento de instrumentação do LIGO, e outro do Instituto Internacional de Física Teórica da Universidade do Rio Grande do Norte, coordenado pelo professor Riccardo Sturani, que trabalha com análise de modelagem de sinais emitidos por binários coalescentes, isto é, sistemas de dois objetos que se unem em um só, como no caso da fusão de buracos negros que possibilitou a primeira detecção de ondas gravitacionais. “As observações feitas nos últimos cinco anos determinaram o surgimento de uma nova ciência: a astronomia de ondas gravitacionais.”, observa Sturani. A possibilidade de observar o universo através de ondas gravitacionais não apenas marca uma nova fronteira para as observações astronômicas como também abre os olhos da humanidade para um novo mundo antes invisível.
A colaboração brasileira ao longo dos anos nesses grandes projetos multinacionais colocou o Brasil no mapa da pesquisa astronômica de ponta — seja pela qualidade e quantidade da pesquisa produzida, pelo intercâmbio e formação de cientistas e técnicos especializados, pela mobilização econômica e intelectual viabilizadas pelo desenvolvimento tecnológico de equipamentos de última geração, ou pelo diálogo instaurado entre diferentes culturas por um fim comum. Os anos que seguirão prometem muito para o desenvolvimento da astronomia: movimentação de recursos que um único país não seria capaz de financiar, construção de grandes telescópios e outros equipamentos com capacidades nunca antes vistas e coleta de dados em quantidades que ultrapassam os limites de armazenamento da tecnologia atual. Para cruzar as fronteiras do conhecimento que permitirão conquistar esses feitos, a astronomia começa cruzando fronteiras geográficas e políticas.
Reportagem: Ana Luiza Sério (ICTP-SAIFR), Artur Alegre (ICTP-SAIFR), Malena Stariolo (ICTP-SAIFR);
Consultoria Científica: Roberto Costa(IAG-USP);
Edição: Malena Stariolo (ICTP-SAIFR).
Reportagem:
Ana Luiza Sério (ICTP-SAIFR), Artur Alegre (ICTP-SAIFR), Malena Stariolo (ICTP-SAIFR);
Consultoria Científica:
Roberto Costa(IAG-USP);
Edição:
Malena Stariolo (ICTP-SAIFR).
