Quando o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman, da NASA, for lançado, possivelmente já no fim do próximo mês, ele tentará realizar um dos truques de desaparecimento mais precisos da astronomia até hoje. O aparelho levará o primeiro coronógrafo “ativo” enviado ao espaço, um instrumento que elimina efetivamente a maior parte da luz de uma estrela durante a captura de imagens.
Isso permitirá que astrônomos façam as primeiras imagens de planetas semelhantes aos do nosso Sistema Solar orbitando outras estrelas. Em última análise, a tecnologia poderá abrir caminho para uma futura missão capaz de registrar as primeiras fotos de mundos semelhantes à Terra.
“Espero que ele seja lembrado como aquele passo fundamental para encontrar a Terra 2.0”, afirma Brandon Creager, engenheiro mecânico-chefe do instrumento no Laboratório de Propulsão a Jato (Jet Propulsion Laboratory, ou JPL) da NASA.
Batizado em homenagem a Nancy Grace Roman, a primeira chefe de astronomia da agência, o novo telescópio levará uma câmera de campo amplo com cerca de 300 megapixels, que permitirá capturar imagens aproximadamente cem vezes maiores do que as exposições mais amplas do Telescópio Espacial Hubble, com resolução semelhante.
Esses recursos ajudarão os astrônomos a desvendar a natureza misteriosa da matéria escura e da energia escura, além de detectar cerca de 100 mil novos exoplanetas, planetas localizados fora do nosso Sistema Solar, cuja presença pode ser inferida pela maneira como distorcem a luz de estrelas mais distantes. Javier Viaña, pesquisador de Harvard, nos Estados Unidos, que teve dois projetos selecionados para o disputado primeiro ano de observações do Roman, compara esse salto à passagem de “entrevistar algumas pessoas” para “realizar um censo global”.
Outra câmera usará o coronógrafo para bloquear a luz de uma estrela enquanto observa um sistema estelar por vez. O instrumento proporcionará aos astrônomos uma visão sem precedentes do espaço ao redor das estrelas, permitindo que vejam exoplanetas menores, menos luminosos e mais próximos delas. “Ele está nos dando a capacidade de ver planetas que antes não conseguíamos ver fisicamente”, afirma Creager.
A anatomia de um truque de desaparecimento
Coronógrafos no espaço não são novidade. Mas versões anteriores, como as que estão atualmente a bordo do Hubble e do Telescópio Espacial James Webb, usam um sistema fixo para bloquear a luz ofuscante de uma estrela. Essa abordagem ajuda, mas é como colocar o polegar sobre uma lanterna enquanto se procura um vaga-lume em um cômodo escuro. Embora a lâmpada desapareça, parte do brilho disperso ainda pode escapar e ofuscar a luz do inseto. Dentro de um telescópio, esse brilho pode vir da luz que vaza pelas bordas dos equipamentos ou de imperfeições minúsculas nos espelhos e revestimentos, capazes de dispersar a luz estelar e formar pontos luminosos. Tudo isso pode esconder um planeta ou até mesmo se passar por um.
O coronógrafo do Roman, no entanto, tentará fazer algo que, até este ano, jamais havia sido visto em telescópios espaciais: antes de cada observação, ele medirá a luz residual e tentará suprimi-la, uma técnica conhecida como controle ativo da frente de onda.
O telescópio consegue fazer isso porque contém dois espelhos deformáveis. Sob uma fina lâmina de vidro, cada um deles possui uma grade quadriculada de 48 por 48 atuadores, pequenos pistões. A aplicação de uma pequena quantidade de tensão faz com que os atuadores se contraiam e puxem levemente para trás as respectivas regiões do espelho, como milhares de dedos microscópicos esculpindo delicadamente uma superfície.
O efeito é muito sutil: cada região do espelho pode se deformar em até 0,5 micrômetro (milionésimo de metro), cerca de um quarto do tamanho de uma bactéria E. coli, e em incrementos de aproximadamente 10 picômetros (um trilionésimo de metro). Isso corresponde a cerca de um décimo do diâmetro de um átomo de hidrogênio, afirma Ilya Poberezhskiy, engenheiro de sistemas do projeto do instrumento.
Os atuadores permitem que os espelhos criem uma “frente de onda ativa”, na qual cada componente é deslocado para a posição ideal a fim de anular as ondas de luz indesejada que chegam ao instrumento, de forma semelhante a um par de fones de ouvido com cancelamento de ruído, mas para a luz, em vez do som. A luz “anulada” cria uma “região em forma de rosca ao redor da estrela, na qual suprimimos a luz estelar e esperamos encontrar exoplanetas”, afirma Poberezhskiy.
Em comparação com os coronógrafos espaciais atuais, espera-se que o sistema aumente em até mil vezes a sensibilidade a exoplanetas em meio ao brilho de suas estrelas hospedeiras, revelando planetas que antes seriam tênues demais para serem detectados.
Assim como o Hubble e o JWST, o Roman também usa máscaras, placas com padrões colocadas no trajeto da luz e projetadas para bloquear os fótons que colidem com elas. Uma das ferramentas do arsenal de máscaras do Roman é a “grama de silício”, uma concentração de pontas microscópicas presente em algumas máscaras que, em determinadas configurações, pode ser usada para absorver fótons, impedindo que eles ricocheteiem pelo telescópio e alcancem acidentalmente um detector.
A luz que entra nessa floresta ricocheteia cada vez mais fundo entre as lâminas e fica aprisionada, em vez de ser refletida de volta para a câmera. “Depois que a luz entra ali, ela nunca mais sai”, afirma Poberezhskiy. Os espelhos e as máscaras formam uma sucessão de portões e cercas para direcionar ao detector final a maior quantidade possível da luz planetária preservada.
Júpiteres alienígenas
Essa configuração complexa pode inaugurar um novo capítulo na obtenção direta de imagens de exoplanetas. Quase todos os fotografados até agora são jovens gigantescos que não se parecem em nada com os habitantes do nosso Sistema Solar: têm várias vezes a massa de Júpiter, ainda brilham com o calor remanescente de sua formação e orbitam a distâncias dezenas ou centenas de vezes maiores de sua estrela do que a distância entre a Terra e o Sol. Isso ocorre porque eles são relativamente fáceis de enxergar. Seu tamanho, calor e distância em relação à estrela hospedeira fazem com que brilhem intensamente em luz infravermelha, longe da parte mais intensa do ofuscamento estelar.
O Roman, no entanto, poderá obter diretamente a imagem de um verdadeiro análogo de Júpiter, um planeta com massa semelhante à de Júpiter e que orbita uma estrela parecida com o Sol a uma distância algumas vezes maior do que a que separa a Terra do nosso Sol. Diferentemente dos Júpiteres quentes que conseguimos observar atualmente, esse seria um gigante gasoso muito mais maduro, semelhante ao nosso, que, após bilhões de anos de resfriamento, refletiria principalmente a luz de sua estrela hospedeira, em vez de emitir intensamente a própria luz.
Os astrônomos já conseguiram inferir a existência desses planetas a partir da oscilação gravitacional que eles provocam na estrela. O Roman, por sua vez, coletará a luz estelar refletida pelo próprio planeta. “Não estamos observando a estrela. Não estamos observando o efeito do planeta sobre a estrela”, afirma Meredith MacGregor, professora de astronomia da Johns Hopkins University, nos Estados Unidos, que também conseguiu garantir um programa de observação. “Estamos de fato observando o planeta, e isso é extremamente poderoso.”
Quando esse instrumento estiver disponível, chegará a vez de os cientistas fazerem seu trabalho. “Sinceramente, estou um pouco apavorada com a maneira como todos nós vamos lidar com isso, porque acho que será uma quantidade enorme de dados”, afirma MacGregor. “Acredito que as pessoas ainda estarão trabalhando com os dados do Roman por décadas.”
Mas não espere ver uma foto em 4K de um Júpiter alienígena nos próximos meses. O aparelho não conseguirá mostrar um planeta desse tipo como um globo definido. Na melhor das hipóteses, ele provavelmente se parecerá com um pequeno conjunto de pixels. Ainda assim, isso será suficiente, afirma MacGregor, pois o Roman poderá usar o coronógrafo para obter informações sobre os diferentes comprimentos de onda da luz proveniente do planeta, o que pode revelar aos astrônomos sua composição química atmosférica.
“Você pega algo que é apenas um ponto de luz e o transforma em um mundo de verdade”, afirma a professora, “porque, quando se sabe isso sobre a atmosfera, passa-se a conhecer algo sobre a superfície do planeta e sobre a possibilidade de haver vida nele, certo? Portanto, esse é um grande passo.”
Durante as primeiras observações, cientistas e engenheiros verificarão se conseguem manter uma estrela exatamente no centro das máscaras do coronógrafo, moldar os espelhos, “escavar” a rosquinha escura, como descreve Poberezhskiy, e então preservar toda essa configuração enquanto a espaçonave se desloca pelo espaço e sua temperatura varia continuamente.
Os resultados servirão de base para o proposto Habitable Worlds Observatory (Observatório de Mundos Habitáveis, em português) da NASA, o sonho de muitos astrônomos especializados em exoplanetas, que, em teoria, será capaz de separar a luz de um planeta semelhante à Terra da luz de uma estrela parecida com o Sol, mais de 10 bilhões de vezes mais brilhante.
Creager, que trabalha no instrumento desde 2018, orgulha-se da conquista: “Poucas pessoas podem dizer: ‘Eu construí algo e esse equipamento está fotografando um planeta que orbita uma estrela a 50 ou 100 anos-luz de distância.’” Ele imagina o momento em que ele e sua equipe poderão observar a primeira imagem assim que ela chegar: “Sim, nós fizemos isso.” Embora o planeta possa aparecer apenas como um ponto minúsculo, a conquista do Roman estará na escuridão criada ao redor dele.
Eswar Prasad
