Astronomia na velocidade da luz

Sondas espaciais futuras viajando à velocidades relativísticas ofereceriam um ponto de vista único para o estudo do Universo.

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As estrelas binárias de Alpha Centauri, nosso sistema estelar vizinho mais próximo, vistas pelo Telescópio Espacial Hubble. O que veria uma "câmera relativista" enquanto viaja quase à velocidade da luz em direção a essas estrelas próximas? Créditos: ESA e NASA.

Por Bing Zhang
Publicado na The Conversation e republicado na Scientific American

Os astrônomos se esforçam para observar o Universo através de técnicas cada vez mais avançadas. Sempre que pesquisadores inventam um novo método, informações sem precedentes são coletadas e a compreensão das pessoas sobre o cosmos se aprofunda.

Um programa ambicioso para explodir câmeras muito além do Sistema Solar foi anunciado em abril de 2016 pelo investidor de internet e filantropo científico Yuri Milner, pelo falecido físico Stephen Hawking e pelo CEO do Facebook, Mark Zuckerberg. Chamada de “Breakthrough Starshot“, a ideia é enviar um monte de minúsculas nano-espaçonaves para o vizinho estelar mais próximo do Sol, o sistema de três estrelas, Alpha Centauri. Viajando a cerca de 20% da velocidade da luz – tão rapidamente quanto 160 milhões de quilômetros por hora – a nave e suas minúsculas câmeras visariam a menor, porém mais próxima estrela em relação ao Sol, Proxima Centari, e seu planeta Proxima b, distantes 4,26 anos da nós.

O objetivo da equipe Breakthrough Starshot contará com uma série de tecnologias ainda não comprovadas. O plano é usar velas leves para conduzir essas naves espaciais mais longe e mais rápido do que qualquer coisa que já feita pelo homem – os lasers da Terra empurrarão as minúsculas naves através de suas velas super finas e reflexivas. Há outras ideias que poderia pegar carona nessa tecnologia enquanto o projeto se prepara, por exemplo, os pesquisadores poderiam obter dados valiosos desses observatórios móveis, até mesmo testar diretamente a teoria da relatividade especial de Einstein, muito antes de chegarem perto de Alpha Centauri.

DESAFIOS TÉCNICOS ABUNDAM

Atingir o objetivo do Starshot Breakthrough não é tarefa fácil. O projeto conta com o desenvolvimento tecnológico contínuo em três frentes independentes.

Primeiro, os pesquisadores precisarão diminuir drasticamente o tamanho e o peso dos componentes microeletrônicos para fazer uma câmera. Cada nanocraft é planejado para não mais do que  alguns gramas no total  – e isso terá que incluir não apenas a câmera, mas também outras cargas, incluindo fornecimento de energia e equipamentos de comunicação.

Outro desafio será a construção de materiais finos, ultra-leves e altamente refletivos para servir de “vela” para a câmera. Uma possibilidade é ter  uma vela de grafeno de camada única – com a espessura de uma molécula, com apenas 0,345 nanômetro .

A equipe do Starshot Breakthrough se beneficiará do poder crescente e do custo decrescente dos feixes de laser. Lasers com  potência de 100 gigawatts  são necessários para acelerar as câmeras a partir do solo. Assim como o vento enche as velas de um veleiro e o empurra para a frente, os fótons de um feixe de laser de alta energia podem impulsionar uma vela reflexiva ultraleve para frente à medida que se recuperam.

Com a taxa projetada de desenvolvimento de tecnologia, provavelmente serão pelo menos mais duas décadas até que os cientistas possam lançar uma câmera viajando com uma velocidade de uma fração significativa da velocidade da luz.

Mesmo que tal câmera possa ser construída e acelerada, vários outros desafios devem ser superados para realizar o sonho de alcançar o sistema Alpha Centauri. Os pesquisadores podem apontar as câmeras corretamente para alcançar o sistema estelar? A câmera pode sobreviver até a jornada de quase 20 anos sem ser danificada? E se vencer as probabilidades e a viagem correr bem, será possível transmitir os dados – digamos, imagens – de volta à Terra a uma distância tão grande?

APRESENTANDO A “ASTRONOMIA RELATIVÍSTICA”

Kunyang Li, aluna de pós-graduação do Instituto de Tecnologia da Geórgia, vê potencial em todas essas tecnologias  antes mesmo de estarem perfeitas e prontas para partir para Alpha Centauri.

Quando uma câmera viaja no espaço perto da velocidade da luz – o que poderia ser chamado de “velocidade relativística” – a teoria da relatividade especial de Einstein desempenha um papel na maneira como as imagens captadas pela câmera serão modificadas. A teoria de Einstein afirma quem em diferentes “referenciais em repouso”, os observadores têm diferentes medidas dos comprimentos de espaço e tempo. Ou seja, espaço e tempo são relativos. Quão diferente os dois observadores medem as coisas depende de quão rápido eles estão se movendo em relação uns aos outros. Se a velocidade relativa estiver próxima da velocidade da luz, suas observações podem diferir significativamente.

O efeito Doppler explica como uma fonte se afastando de você aumentará os comprimentos de onda de sua luz e parecerá mais vermelha, enquanto se estiver se aproximando, os comprimentos de onda encurtarão e parecerão mais azuis. Crédito:  Aleš Tošovský  CC BY-SA 4.0

A relatividade especial também afeta muitas outras coisas que os físicos medem – por exemplo, a frequência e intensidade da luz e também o tamanho da aparência de um objeto. No resto da câmera, o Universo inteiro está se movendo a uma boa fração da velocidade da luz na direção oposta ao movimento da própria câmera. Para uma pessoa imaginária a bordo, graças aos diferentes espaços-tempos experimentados por ele e por todos na Terra, a luz de uma estrela ou galáxia pareceria mais azul, mais brilhante e mais compacta, e a separação angular entre dois objetos pareceria menor.

Nossa ideia é aproveitar essas características da relatividade especial para observar objetos familiares no referencial de repouso do espaço-tempo da câmera relativística. Isso pode fornecer um novo modo de estudar astronomia – o que estamos chamando de “astronomia relativística”.

O QUE A CÂMERA PODERIA CAPTURAR?

Assim, uma câmera relativística serviria naturalmente como um  espectrógrafo, permitindo aos pesquisadores observarem para uma faixa de luz intrinsecamente mais vermelha. Ele atuaria como uma lente, ampliando a quantidade de luz que coleta. E seria uma câmera de campo amplo, permitindo que os astrônomos observassem mais objetos dentro do mesmo campo de visão da câmera.

Um exemplo de redshift: à direita, as linhas de absorção ocorrem mais perto da extremidade vermelha do espectro. Crédito:  Georg Wiora  CC BY-SA 4.0

Aqui está um exemplo do tipo de dados que podemos coletar usando a câmera relativística. Devido à expansão do Universo, a luz do universo primordial é mais vermelha quando chega à Terra do que quando começou. Os físicos chamam esse efeito de redshift (desvio para o vermelho): à medida que a luz viaja, seu comprimento de onda se estende à medida que se expande junto com o Universo. A luz vermelha tem comprimentos de onda maiores que a luz azul. Tudo isso significa que, para ver a luz vermelha do universo jovem, é preciso usar os comprimentos de onda infravermelhos difíceis de observar.

No caso da câmera relativista, para uma câmera que se move próximo da velocidade da luz, essa luz vermelha se torna mais azulada – isto é, um blueshift (desvio para o azul). O efeito do movimento da câmera neutraliza o efeito da expansão do Universo. Agora, um astrônomo poderia capturar essa luz usando a câmera de luz visível familiar. O mesmo efeito de impulsionamento Doppler também permite que a luz fraca do Universo inicial seja amplificada, auxiliando na detecção. Observar as características espectrais de objetos distantes pode nos permitir revelar a história do universo primordial, especialmente  como o universo evoluiu depois que se tornou transparente, 380.000 anos após o Big Bang.

Outro aspecto interessante da astronomia relativística é que a humanidade pode testar diretamente os princípios da relatividade especial usando medidas macroscópicas pela primeira vez. Comparando as observações coletadas na câmera relativística, e aquelas coletadas do solo, os astrônomos poderiam testar precisamente as previsões fundamentais da relatividade de Einstein com relação à mudança de frequência, fluxo e direção da viagem da luz em diferentes estruturas inerciais (em repouso).

Comparado com os objetivos finais do projeto Starshot, observar o universo usando câmeras relativistas deveria ser mais fácil. Os astrônomos não precisariam se preocupar em apontar a câmera, pois ela poderia obter resultados interessantes quando enviada em qualquer direção. O problema de transmissão de dados é um pouco aliviado, já que as distâncias não seriam tão grandes. Mesmo com a dificuldade técnica de proteger a câmera.

Propomos que testar câmeras relativísticas para observações astronômicas pode ser um precursor do projeto Starshot. E a humanidade terá um novo “observatório” astronômico para estudar o Universo de uma maneira sem precedentes. A história sugere que abrir uma nova janela como essa revelará muitos tesouros não detectados anteriormente.

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