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Rastrear o invisível para desvendar os mistérios do universo

O céu emite muito mais do que luz. Os telescópios de rádio captam ondas de rádio. Alex Cherney/terrastro.com

Ele será o maior instrumento científico já construído. Dezenas de milhares de antenas, espalhadas pela África do Sul e Austrália, irão captar sinais invisíveis enviados pelo universo. Uma boa parte da tecnologia é suíça.

Este conteúdo foi publicado em 19. outubro 2020 - 10:00

A sigla SKA em inglês significa Square Kilometer Array, ou instalação de quilômetro quadrado. O projeto tem quase 30 anos. O quilômetro quadrado a que se refere era então a superfície de todas as antenas colocadas lado a lado. Mas a fim de obter imagens do céu em alta resolução, elas serão colocadas muito distantes no terreno. 200 antenas parabólicas com um diâmetro de 15 metros na África do Sul, e no outro lado do mundo, na Austrália, 130 mil antenas do tipo "ancinho" que no passado eram usadas para captar sinais de televisão. Tudo conectado por cabos cujo comprimento circundaria a Terra duas vezes.

E tudo isso para quê? Para captar ondas de rádio. Para ouvir a RTS, BBC ou NHK em fidelidade ultra alta? De forma alguma. As ondas de rádio fazem parte da ampla gama de radiação eletromagnética emitida por muitos corpos celestes, tais como aglomerados de galáxias, o centro ativo das galáxias e algumas estrelas de cuja luz visível constitui apenas uma pequena fração. Elas são chamadas ondas de rádio exatamente porque são as ondas eletromagnéticas que usamos para transmitir nossos programas de rádio e TV.

Há muito mais na luz do que se vê. É o que as estrelas enviam para o universo. Os diferentes comprimentos de onda (topo) vão de quilômetro a picômetro (10 até a potência de -12 metros). Quanto mais tempo eles são, menos energéticos são os fótons. Como você pode ver, o olho humano captura apenas uma parte muito pequena do espectro da radiação eletromagnética (em cor, ampliada na parte inferior). wikipedia.org

Satélites e telescópios observam o céu em diferentes comprimentos de onda já há muito tempo. A radioastronomia (ou astronomia de ondas de rádio) decolou na década de 1950. Desde então, têm sido construídos radiotelescópios cada vez maiores. Assim como os espelhos para os maiores telescópios ópticos, várias antenas são usadas em um local, dando a mesma visão que daria uma antena gigante que cobrisse toda a área.

A Organização SKA é um consórcio internacional. Seus países membros juntos representam 40% da população mundial, desde a África do Sul até o Reino Unido, China, Índia, Portugal e Austrália. Em abril de 2020, a Escola Politécnica Federal de Lausanne (EPFL) tornou-se membro, com a tarefa de coordenar a contribuição da comunidade científica suíça. A Suíça já tem o status de observador desde 2016 e espera-se que se torne um membro pleno num futuro próximo.

Veja a reportagem transmitida há pouco no canal RTS.

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A lista de áreas em que esta ferramenta fora do comum permitirá avanços é impressionante. Desde o início do universo (380 mil anos após o Big Bang), passando pelo tempo da formação das primeiras estrelas e das primeiras galáxias, depois ao longo de sua evolução e subsequentemente dos cerca de 13 bilhões de anos de existência do universo, até a vida nos exoplanetas, relativamente próximos a nós.

"Para as estrelas é indiferente o que nossos olhos podem ver". As ondas de rádio podem detectar muito mais do que o espectro visível ou infravermelho".

Catherine Cesarsky, presidente do conselho da SKA

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E se tivéssemos que escolher três áreas onde a SKA pode nos ajudar a alcançar o Santo Graal? Não é fácil, mas uma astrofísica francesa concordou em nos ajudar. E não se trata de uma astrofísica qualquer, mas sim de Catherine Cesarsky, diretora do conselho-executivo da SKA desde 2017, após chefiar o ESO (European Southern Observatory, que inclui os maiores telescópios ópticos do mundo no Chile) e presidido a União Astronômica Internacional.

O Murchison Widefield Array (MWA) é um dos precursores do SKA com suas 4.096 antenas no deserto australiano. SKA Organisation, William Garnier

Três grandes esperanças

Primeiramente o foco recai sobre ondas gravitacionais, que são oscilações na curvatura do espaço-tempo que se propagam ao longo de centenas de milhões de anos-luz. Elas são geradas pela fusão de dois buracos negros. Teoricamente previstas por Einstein em 1916, elas só foram detectadas diretamente 99 anos depois, graças à experiência LIGO, que espalhou seus detectores laser de 4 km de comprimento por dois locais nos Estados Unidos. A descoberta valeu um triplo Prêmio Nobel a seus cientistas.

Mas os buracos negros responsáveis pelo fenômeno eram "apenas" algumas dezenas de vezes a massa do Sol. "Sabemos que existem buracos negros supermassivos no centro das galáxias. Com as três sondas europeias LISA que estão planejadas para serem lançadas por volta de 2030, seremos capazes de detectar colisões de milhões de massas solares. E a SKA irá ainda mais longe, detectando até bilhões de massas solares", diz Catherine Cesarsky com satisfação.

A segunda área na qual a astrofísica espera resultados espetaculares é o estudo dos campos magnéticos cósmicos. A excepcional sensibilidade do SKA deveria permitir fazer "progressos extraordinários" aqui. O magnetismo permeia o universo, controlando a formação e a evolução de objetos de todos os tamanhos, desde pequenos planetas até filamentos de galáxias, incluindo, é claro, as estrelas. Em particular, isto deve levar a uma melhor compreensão da sequência de eventos que levam ao nascimento de diferentes estruturas no universo.

O terceiro foco é o hidrogênio, o átomo primordial mais simples com um próton e um elétron, e o primeiro a ser formado por partículas elementares depois do Big Bang. Ele é ainda hoje o átomo mais abundante do cosmos. "Vamos ser capazes de mapear a distribuição do hidrogênio nas primeiras eras do universo", explica Catherine Cesarsky. Com seu comprimento de onda de 21 centímetros, ele pode ser facilmente observado com a radioastronomia. E a SKA é a única capaz de mapear o hidrogênio ao longo da história do Universo".

Na apresentação abaixo, os cientistas explicam o que esperam do futuro radiotelescópio gigante.

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Rastreamento de matéria escura

E isso não é tudo. O hidrogênio deve revelar propriedades da famosa matéria escura. "Quando olhamos para a expansão do universo, vemos que ela está acelerando mais do que as leis da gravitação nos permitem prever", explica Jean-Paul Kneib, diretor do Laboratório de Astrofísica da EPFL. Esta aceleração é explicada pela existência de duas componentes: matéria escura e energia escura.

A matéria escura é necessária para explicar a velocidade de rotação das galáxias, ou a massa de aglomerados de galáxias. Ela representaria mais de 25% do total de energia e massa do cosmos. "Esta matéria é provavelmente feita de partículas. Todos estão procurando por elas, porque não existem no modelo padrão da Física".

Como a matéria escura não emite nenhuma radiação, isto representa um sério problema para sua detecção. Enquanto os físicos do CERN estão tentando produzi-la em seu Grande Colisor de Partículas (LHC), os astrofísicos rastream seus vestígios no universo. Isto é o que vamos tentar com a SKA. Vamos procurar por 'pequenas estruturas', menores que as menores galáxias conhecidas, em regiões relativamente vazias entre galáxias", continua Jean-Paul Kneib. E para tanto o hidrogênio encontrado lá encontrado será usado como um traçador de matéria negra.

"Tais medidas poderiam nos ajudar a decidir se devemos ou não construir um novo acelerador gigante depois do LHC". Este "detalhe" é importante tendo em vista os custos faraônicos destes instrumentos: 10 bilhões de francos para o LHC do CERN e 15 bilhões de francos para a SKA, que deverá estar operacional em 2028.

MeerKAT na África do Sul, outro precursor da SKA. Ao contrário dos primos óticos, os radiotelescópios não se importam se é dia, noite ou se há nuvens. Fora dos períodos de manutenção, trabalham 24 horas por dia, sete dias por semana. SKA Organisation

"E.T. phone home"

E se a SKA também pudesse ser usado para ouvir o rádio, mas em uma linguagem totalmente desconhecida? Um dos objetivos científicos do instrumento é a busca de "sinais de rádio extraterrestres". Com seu poder várias vezes superior em comparação com qualquer instrumento semelhante, o radiotelescópio gigante poderia talvez ter sucesso onde o programa SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence) tem falhado há 60 anos.

"Emissões de rádio extraterrestre? Não estou descartando isso. Se ainda não encontramos nada, talvez ainda não tenhamos procurado no lugar certo".

Jean-Paul Kneib, Diretor do Laboratório de Astrofísica da EPFL

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Jean-Paul Kneib não acha a ideia totalmente maluca. "Talvez não o façamos no início, mas o faremos. É claro que, se houver um sinal, não o entenderemos diretamente, mas não estou descartando. A história da SETI começou muito cedo, não conhecíamos ainda os exoplanetas. Precisamos saber onde procurar primeiro. Se ainda não encontramos nada, talvez ainda não tenhamos procurado no lugar certo".

Catherine Cesarsky é mais reservada. "O que é prático é que não precisaremos gastar nenhum tempo telescópico especificamente nesta tarefa. Poderemos fazer análises a partir de dados coletados para outros fins. Então sim, por que não? Mas eu, por exemplo, não construiria a SKA só para isso".

O vídeo abaixo, produzido pelo Centro de Pesquisa SETI em Berkeley, mostra a esperança de capturar uma emissão extraterrestre com a SKA.

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Contribuição suíça

"As instituições suíças desempenharam um papel vital na fase de projeto do telescópio. Elas trazem consigo uma merecida reputação de excelência em ciência e astronomia e estão envolvidos em alguns dos projetos mais ambiciosos", disse Phil Diamond, diretor da SKA, ao dar as boas-vindas à EPFL. Por enquanto, a comunidade acadêmica suíça envolvida no projeto ainda inclui as Universidades de Genebra, Zurique e Berna, Escola Politécnica Federal de Zurique (ETH), o Centro Nacional Suíço de Supercomputação (CSCS), as Universidades de Ciências Aplicadas do Noroeste e Sudoeste e o Planetário do Museu do Transporte de Lucerna.

O que já está certo é que os relógios atômicos requeridos por estes telescópios multiantenas para serem perfeitamente sincronizados serão fornecidos por uma empresa de Neuchâtel. Os suíços também trabalharão no processamento das quantidades verdadeiramente astronômicas de dados que a SKA fornecerá (1 terabyte por segundo, mais do que é trocado em toda a Internet global), incluindo software de inteligência artificial para eliminar muito rapidamente o que não tem interesse.

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