Galáxias, Estrelas e a Radioastronomia

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Desenvolvida deste a antiguidade, a astronomia é uma das ciências naturais mais fascinantes. Este encantamento é facilmente compreendido quando temos a possibilidade de olhar para o céu em uma noite estrelada. Porém, em todas as noites temos estrelas nos céus, não com tanta visibilidade como na antiguidade pois hoje em dia, com cidades cada vez mais iluminadas com lâmpadas de LEDs, torna-se complicado a apreciação de noites estreladas. De fato, no imaginário boa parte da população, a observação de estrelas e outros astros é limitada em nossa capacidade óptica. Na verdade, a maioria das pessoas provavelmente crêem que os astrônomos esperam até escurecer e olhar para o céu usando binóculos, telescópios ópticos de diferentes tamanhos. Porém, como vou comentar nas linhas a seguir, não é bem assim, tudo mudou nos anos 30 do século passado.

Antes de 1931, não tínhamos ideia de que havia outra maneira de observar o universo. Em 1931, nós já tínhamos conhecimento sobre o espectro eletromagnético. Sabíamos que a luz visível, cobria parte de espectro de radiação eletromagnética. Nós sabíamos também de radiações de frequência mais altas que a luz visível como Raio-X e mais baixas como o infravermelho. Naquela época, já compreendemos razoavelmente bem sobre as radiações em radiofrequências, o que tinha sido fundamental para desenvolver o rádio naquela época. A descoberta de ondas de rádio refletindo ionosfera em 1902, levou a muitos dos físicos concluírem que da mesma forma que a radiação emitida na terra era refletida para a terra, o mesmo aconteceria com o sinal externo, tornado os sinais externos indetectáveis, ou seja, em 1931, ninguém sabia que ondas de rádio eram emitidas por milhares de milhões de fontes extraterrestres, e nem que algumas dessas frequências passam através da atmosfera terrestre. Tudo o que necessário para detectar essa radiação era um novo tipo de “olho”.

Como muitas vezes acontece em nossa vida, o destino do acaso, na ciência as vezes isso acontece. As ondas de rádio oriundo das estrelas foram detectadas pela primeira por Jansky enquanto ele analisava a interferência no sinal em seu trabalho no Bell telephone laboratories, New Jersey.  Para  compreender a interferência, ele foi designado a projetar uma antena que minimizaria a estática de sinais de rádio que cruzavam os oceanos. Usando uma grande antena direcional, Jansky notou que seu sistema de gravação  um sinal de repetido de origem desconhecida com um ciclo de 24 h. Inicialmente,  Jansky suspeitou originalmente que a interferência fosse do sul cruzando a sua antena, porém, as análises mostraram que a fonte não tinha um ciclo exato de 24 h, mas 23 horas e 56 minutos. Intrigado com essa diferença em uma conversa com seu amigo, o professor e astrofísico Albertt Melvin Skellet, que concluíram que essa diferença de quatro minutos é a exata diferença entre um dia solar e um dia sideral. Alguns meses se passaram até ele descobrir a localização da fonte, que se situava na constelação de Sagitário, direção do centro do enorme conjunto contendo bilhões de estrelas, incluindo o Sol, da Via Láctea, nossa Galáxia. A descoberta de Jansky, que levaram à primeira detecção de ondas de rádio de origem extraterrestre, marcam o início da Radioastronomia.

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Jansky e a primeira Antena a detectar um sinal de rádio Extra-terrestre.

Apesar das implicações do trabalho de Jansky, tanto na concepção de receptores de rádio, bem como para a astronomia de rádio, ninguém prestou muita atenção em primeiro lugar. Então, em 1937, Grote Reber, outro engenheiro de rádio, pegou em descobertas de Jansky e construiu o protótipo para o radiotelescópio em seu quintal em Wheaton, Illinois. Ele começou a olhar para a radiação em comprimentos de onda mais curtos, pensando estes comprimentos de onda seriam mais forte e assim mais fácil de detectar. Porém ele não teve muita sorte, no entanto, ele modificou sua antena para detectar radiações com comprimento de onda de 1,87 metro (altura de um ser humano), onde encontrou emissões. Neste comprimento de onda ele fez o primeiro rádio mapa da Via Láctea, confirmando o resultado obtido por Jansky anos antes, da fonte em Sagitário, e descobrindo dois outros emissores nas constelações de Cisne e Cassiopeia. Em 1942, James Stanley Hey, um oficial da pesquisa do exército britânico, fez a primeira detecção de ondas de rádio emitidas pelo Sol e Mais tarde, nesse mesmo ano, George Southworth, no Bell Labs, também detectou ondas de rádio oriundas do Sol. Assim, a radioastronomia fixou-se de vez como uma área da astronomia que utiliza as emissões em frequências rádio para estudar galáxias, bem como inteiramente novas classes de objetos, tais como rádio galáxias, quasares, pulsares, e maser. A descoberta da radiação cósmica de fundo, considerado como evidência para a teoria do Big Bang, foi feita através de radioastronomia.

O que é um Radiotelescópio afinal?

Um radiotelescópio é simplesmente uma antena que é projetado para receber ondas de rádio oriundas do espaço. Na sua forma mais simples têm três componentes:

  • Uma ou mais antenas para recolher as ondas de rádio recebidos. A maioria das antenas são antenas parabólicas que refletem as ondas de rádio a um receptor, da mesma forma como um espelho curvo pode focar a luz visível para um ponto. As antenas podem ser, no entanto, outras formas;
  • Um receptor e amplificador para aumentar o sinal de rádio muito fraco para um nível mensurável. Atualmente os amplificadores são extremamente sensíveis e são normalmente arrefecidos a temperaturas muito baixas para minimizar a interferência devida ao ruído gerado pelo movimento dos átomos do metal;
  • Um gravador para manter um registro do sinal. Pode parecer óbvio ter um registro dos dados, mas no início este gravador era feito diretamente no papel com tinta ou como registro em papel fotográfico. Hoje a maioria dos radiotelescópios faz o registro digital, o que aumentou em muito o volume dos dados a serem analisados;

Se em um telescópio óptico a configuração das lentes permitem melhor observar um objeto, o radiotelescópio, também possui alguns ajustes para melhor analisar as estrelas. Não são todas as radiações oriundas do espaço que atingem a superfície terrestre. A atmosfera funciona como um filtro para grande parte destas radiações, impondo “janelas” por onde passam estas radiações. A janela para as ondas de rádio, encontra-se entre 1 mm e 30 metros em média. Além disto, as ondas de rádio não são absorvidas pela poeira cósmica, como acontece com a luz visível, oferecendo assim uma ferramenta de estudo muito mais potente.

Para essa gama de frequências que atingem a superfície da terra, existe um amplo número de desenho de antenas, tamanho e configurações. Em comprimentos de onda entre 3-30 metros (10 MHz-100MHz), as antenas são geralmente direcionais, semelhantes as antenas de TV ou grandes refletores estacionários, como ponto focais móveis. Em comprimento de onda mais curtos, antenas parabólicas predominam. A resolução angular de uma antena parabólica é determinada pela relação entre o diâmetro do prato e comprimento e ondas de rádio observadas. Isso determinar o tamanho do prato de que um telescópio de rádio precisa de resolução útil. Telescópios de rádio, operam em comprimentos de onda de 3-0.3 metros (100 MHz- 1GHz) são geralmente bem maiores que 100 metros de diâmetros.

Para melhor receber o sinal que se quer captar uma antena necessita ter a metade do comprimento de onda do objeto que se procurar. Por exemplo, a radiação do hidrogênio monoatômico (HI), elemento químico de maior ocorrência no espaço, da seguinte maneira: Sabendo que a emissão do hidrogênio encontra-se na frequência de 1420 MHz, primeiro vamos calcular o comprimento de onda.

λ = (3 x 108 m/s) / (1,42 x 109 Hz)  = 0,211 m.

ou seja o comprimento de onda desta emissão é de 21 cm, logo, uma antena construída para captar esta frequência terá um tamanho ideal de λ/2 = 10,5 cm. Na figura abaixo vemos a comparação entre uma imagem ótica, a esquerda, oriunda do Digital Sky survey e uma de rádio, a direita, oriunda do radiotelescópio Very Large Array (VLA), exatamente neste comprimento de onda. As imagens ilustram um pouco da necessidade de estudar objetos celestes em diferentes comprimentos de onda, a fim de obter “toda a imagem” do que está acontecendo com esses objetos.

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A imagem é da galáxia M81 e suas vizinhanças. Na imagem da esquerda, mostrado em escala de cinza invertida, a maior parte da luz vem de estrelas nas galáxias, a direita, correspondente a transição do átomo de hidrogênio monoatômico (HI) reflete a distribuição deste elemento. Enquanto que a imagem ótica reflete principalmente a distribuição das estrelas. Imagens em 21 cm, como vemos, são ótimas para delinear os braços de galáxias espirais e a conexão gasosa entre estas galáxias que interagem gravitacionalmente. A partir da imagem de rádio, torna-se evidente que este é um grupo de galáxias interagindo, não objetos isolados.

O tamanho dos instrumentos de rádio se deve ao fato de que o comprimento das ondas de rádio é também muito maior do que as ondas de luz visível, como mostrado. Daí a necessidade de uma superfície muito maior para coletar estas ondas. Recentemente a china concluí o Maior radiotelescópio do planeta FAST (Five hundred meter Aperture Spherical Telescope) que possui um diâmetro de 500 metros (300 metros efetivos). O FAST é capaz de apontar em qualquer lugar dentro de ± 40 ° do zênite e ele trabalha na faixa de frequência de 70 MHz a 3,0 GHz.

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Five hundred meter Aperture Spherical Telescope – FAST

O segundo maior radiotelescópio, encontra-se me Arecibo, Porto rico, construído sobre uma depressão natural na paisagem. Outros dois que merecem destaque são os radiotelescópios o Ratan-600, da Rússia e o alemão Effelsberg, que são mostrados no slide abaixo.

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Em regra, quanto maior o diâmetro melhor a resolução dos radiotelescópios. No entanto, com a atual necessidade de captações cada vez maiores, os diâmetros tenderiam a aumentar em uma escala inviável de construção para um só aparelho e é nesse contexto que entra a técnica chamada de interferometria.

A técnica funciona sobrepondo o sinal de diferentes telescópios espacialmente distribuídos, tendo como princípio que sinais com interferência de mesma fase interferirão positivamente enquanto que de fases opostas terão sinal anulado. Isto cria um radiotelescópio combinado, que é equivalente em resolução a uma única antena, cujo diâmetro é igual ao espaçamento das antenas mais afastadas na matriz.

Para uma imagem de alta qualidade ela requer um grande número de diferentes separações entre telescópios. Separação prevista entre quaisquer dois telescópios, como pode ser visto a partir da fonte de rádio, é chamado de linha de base. Por exemplo, o VLA, Novo México tem 27 telescópios com 351 linhas de base independentes ao mesmo tempo, que alcança uma resolução de 0,2 segundos de arco com 3 cm comprimentos de onda. Os VLA ainda podem ser combinados globalmente com outros conjuntos de radiotelescópios, multiplicando as capacidades do sistema de captação. O radiotelescópio ASKAP (Australian Square Kilometre Array Pathfinder) é um exemplo desses sistemas globais. Ele faz parte de um projeto muito maior, o SKA (Square Kilometer Array), que contará com outro conjunto de radiotelescópios ainda em construção na África do Sul.

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Atacama Large Millimeter Array – Alma

Nesse contexto, encontra-se o um dos maiores projetos científicos. Depois de 30 anos de planejamento e 10 anos de construção, entrou em operação em 2011 no topo do deserto do Atacama a maior antena já construída para o estudo do Universo. ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) o qual é Composto de 66 antenas parabólicas individuais, o arranjo equivale a nada menos que um gigantesco radiotelescópio de 16 quilômetros de diâmetro. O custo estimado em 1.3 bilhões de dólares, o projeto ALMA é uma parceria internacional entre os EUA, União Europeia, Chile e países do leste asiático e deverá ser uma das principais ferramentas  no estudo da formação de planetas, estrelas e galáxias distantes. O poder deste arranjo é de investigar ondas entre 0.3 e 9.6 milímetros, região do espectro eletromagnético do infravermelho e é também chamada de sub-milimétrico.

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Atacama Large Millimeter Array -ALMA

As galáxias Antena (também conhecidas como NGC 4038 e 4039) são um par de galáxias em espiral em colisão, que apresentam formas muito distorcidas, situadas a cerca de 70 milhões de anos-luz de distância, na constelação do Corvo. A figura abaixo, faz a combinação entre as observações ALMA, obtidas em duas regiões diferentes de comprimentos de onda durante a fase de testes iniciais do observatório, com observações obtidas pelo Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA. A imagem Hubble é a imagem mais nítida alguma vez obtida para este objeto, sendo por isso um marco em termos de resolução. O ALMA observa comprimentos de onda muito maiores, o que faz com que tenha muito mais dificuldade em obter imagens comparativamente tão nítidas. No entanto, quando a rede ALMA estiver completa, a sua visão será dez vezes mais nítida que a do Hubble. A maioria das observações do ALMA utilizadas para criar esta imagem, foram obtidas com apenas doze antenas a trabalhar em uníssono – muito menos do que as que serão utilizadas para fazer as primeiras observações científicas – e situadas muito próximo umas das outras. Ambos os factores contribuem para fazer desta nova imagem apenas o aperitivo do que ainda está para vir. À medida que o observatório for crescendo, a nitidez, velocidade e qualidade das observações irá aumentar de forma drástica, já que mais antenas ficarão disponíveis e a rede irá crescer em tamanho. Apesar disso, esta é a melhor imagem no comprimento de onda submilimétrico das galáxias Antena e abre uma nova janela para o Universo submilimétrico.

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Galáxia Antena composta das imagens do ALMA(ESO/NAOJ/NRAO) e do telescópio Hubble (NASA/ESA)

Enquanto a radiação visível – aqui mostrada a azul – revela as estrelas recém-nascidas nas galáxias, a imagem ALMA mostra algo que não pode ser visto a esses comprimentos de onda: as nuvens de gás denso frio a partir das quais as novas estrelas se formam. As observações do ALMA – aqui mostradas a vermelho(2.6 nm), rosa(2.6 mm) e amarelo(870 nm) – foram obtidas a comprimentos de onda específicos da radiação milimétrica e submilimétrica (bandas 3 e 7 do ALMA), calibradas para detectar moléculas de monóxido de carbono nas nuvens de hidrogênio (que seriam invisíveis de outro modo), onde se estão a formar novas estrelas.

No Brasil, um dos radiotelescópios nacionais fica no estado de São Paulo, no Rádio Observatório de Itapetinga (ROI) do INPE/CRAAM, instalada em 1974 com antena de 13,7 metros de diâmetro fica na cidade de Atibaia-SP. Atualmente dispõe de receptores para observações em contínuo e raia nas bandas de 18 GHz a 26 GHz e 40 GHz a 50 GHz. O outro, o Rádio Observatório Espacial do Nordeste (ROEN), também fruto da parceria INPE/CRAAM, possui uma antena de 14.2 metros de diâmetro e está localizado na cidade de Eusébio, CE, operando nas frequências de 22 e 48 GHz. Além desses, há uma parceria entre Brasil-Argentina no Radio telescópio Submilimétrioc Solar, com 1.5m e diâmetro, instalado pelo CRAAM em El Leoncito, San Juan, Argentina, a uma altitude de 2550 metros, operando em 212 e 405 Ghz.

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Referências e leituras

Hey.J.S (1975) Radio Universe (2nd ed.).  Pergamon Press

Southworth,G.C (1945)  microwaves radiation from the sun. Journal of the Franklin Institute.239: 285-297.

Baade, W.; Minkowski, R. (1954).  On the Identification of Radio Sources . Astrophysical Journal. 119: 215–31

Astrophysical Journal,  Identification of the Radio Sources in Cassiopeia (A), Cygnus A, and Puppis A, Baade, W.; Minkowski, R., vol. 119, p.206, January 1954

Miller,D. F. (1998) .Basics of Radio Astronomy for the Goldstone.Apple Valley Radio Telescope-JPL D-13835

Microwave Probing of the Invisible. Archived from the original on August 31, 2007. Retrieved June 13, 2007.

National Radio Astronomy Observatory : Pre-History of Radio Astronomy

Eric Chaisson, Steve McMillan(1998)-Astronomy, a Beginners Guide to the Universe. Prentice Hall.

Burke, B. F  Graham-smith,F (2009). An introduction to Radio astronomy.Cambridge University Press; 3 edition

Departamento de astronomia(UFRGS): História da Astronomia

Instituto de Física (UFRGS): A Rádio Astronomia

Australia telescope National Facility : What is Radio Astronomy?

ESO: Telescopes & Instruments

CRAAM: Centro de radioastronomia e astrofisica mackenzie

ROEN : Radio Observatório Eusebio