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Imagem do Buraco Negro no Centro da Galáxia

O instrumento

Para vasculhar o Universo usamos vários tipos de radiação eletromagnéticas. Algumas não são captadas pelos nossos olhos e nem por nenhum de nossos sentidos.

Os radiotelescópios usam antenas para captar ondas de rádio provenientes do espaço.  A figura mais comum que nos vem à mente são antenas parabólicas. Quanto maior o disco, maior a resolução, isto é, ,mais detalhes pequenos o instrumento pode distinguir. Imagine agora se combinamos os dados de antenas distintas numa só imagem? Chamamos isso de interferometria. Se fizermos uma rede de antenas cobrindo distâncias continentais, teremos como resultado algo semelhante a um disco de proporções da ordem Terra.

Localização dos Radiotelescópios do EHT distribuídos pelo globo.
Radiotelescópio ALMA no Andes
Radiotelescópio no Pólo Sul

Foi exatamente isso que o Event Horizon Telescope (ETH) fez. Em 2019 esse arranjo de 13 conjuntos de antenas, em 4 continentes, nos deu a primeira imagem de um buraco negro na galáxia M87.

Buraco negro na galáxia M87 pelo EHT

O objeto

Na verdade não se pode ver um buraco negro. Só observamos a matéria estelar que cai no buraco negro. Este anel da matéria espiralando em direção ao buraco negro é chamado disco de acresção e emite muita radiação. Isto acontece pouco antes de entrar no chamado horizonte de eventos e, a partir daí, nada mais escapa. 

Sagitário A é uma  extensa fonte de rádio bem conhecida dos astrofísicos desde 1974, mas só agora, com o EHT, podemos ver detalhes do seu disco de acresção. Não havia nenhum instrumento até hoje capaz de realizar tal façanha. Este objeto se encontra a 26 mil anos-luz e é o que se usou chamar de buraco negro supermassivo.

Buraco Negro Sagitário A mapeado pelo EHT
Sagitário A mapeado pelo EHT

Os buracos negros estelares são formados no fim da vida de uma estrela com no mínimo 10 massas solares. Os buracos negros supermassivos foram formados por imensas nuvens de gás ou por milhões de estrelas que se amontoaram em aglomerados estelares. Isto aconteceu no início do Universo. Buracos negros supermassivos são encontrados no centro das galáxias.

É uma foto?

Temos que ter em mente a diferença entre foto e imagem. No sentido estrito essa não é uma fotografia. Não é resultado da luz visível obtida por um dispositivo óptico. É uma representação visual de um conjunto de dados de rádio. Está mais para um mapa e as cores não são reais: os tons de amarelo e laranja apenas representam intensidades de radiação.

A vantagem deste tipo de imagem é sua alta resolução que nos permite ver detalhes da estrutura antes invisíveis.

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Antares: uma supergigante em detalhes

Paulo Cesar R. Pereira

Durante as noites mais frias do inverno no Brasil, a constelação do Escorpião domina os céus, estando bem alta por volta das 22h no mês de julho. A forma inconfundível, e a presença da estrela brilhante, de cor laranja-avermelhada, faz dessa constelação uma das mais tranquilas de ser identificada pelo observador inexperiente. A estrela se chama Antares, uma enorme supergigante. Observando a luz visível dessa estrela, sabia-se que ela tinha um tamanho 700 vezes maior do que o Sol. De acordo com dados de pesquisas recentes, ela é bem maior do que podemos supor com base no que nossos olhos conseguem ver.

Carta celeste para o início de julho, no começo da noite. Crédito: Stellarium.

Todas as estrelas emitem um vento estelar -fluxo constante de radiação, partículas e campos magnéticos. Embora o vento estelar do nosso Sol não seja tão intenso quanto o de uma supergigante, é capaz de produzir sérios problemas nas redes de comunicação e de energia aqui na Terra, sem contar as belas auroras. As estrelas supergigantes, como Antares, são bem menos quentes do que o nosso Sol, mas apresentam ventos estelares muito mais intensos, lançando ao espaço elementos químicos pesados como N e o C, que são básicos para a vida como a conhecemos.

Um grupo de astrônomos busca entender como é produzido o vento estelar nas estrelas supergigantes, usando dois conjuntos de equipamentos: o Atacama Large Millimeter / submilimeter Array (ALMA) e o Karl G. Jansky Very Large Array (VLA). Eles não são telescópios tradicionais, no sentido de que podemos ver a imagem coletada diretamente com os nossos olhos, mas são radiotelescópios. Ou seja, são antenas de metal que coletam radiação numa frequência que nossos olhos não enxergam, mas que permite acessar camadas mais profundas da atmosfera das estrelas.

Crédito: National Radio Astronomy Observatory (NRAO)

Apontando os equipamentos do ALMA para Antares, foi possível estimar que a sua cromosfera (uma das camadas da atmosfera das estrelas) se estende a uma distância equivalente ao diâmetro da estrela! Para você ter uma ideia, a cromosfera do Sol tem apenas 1/200 do raio solar. Já o VLA, com sensibilidade para frequências menores, conseguiu observar uma camada ainda mais externa, chamada zona de aceleração. É nela que o material escapa da estrela, criando o vento estelar. Essa camada se estende por aproximadamente 3 bilhões de quilômetros, enquanto os ventos podem chegar ao dobro disso.

Ilustração das várias camadas da atmosfera de Antares, comparadas com o tamanho do Sistema Solar. Nessa escala, o Sol (Sun) é bem menor do que um pixel. Crédito: NRAO/AUI/NSF, S.Dagnello.
https://vimeo.com/428242573
Radiotelescópios revelam em detalhes a atmosfera da estrela supergigante Antares. Ilustração da pesquisa realizada. Crédito: NRAO

Essas observações são importantes para tentar entender a origem do vento estelar, bem como da pulsação, um fenômeno muito comum nas supergigantes, e que é responsável pelo enriquecimento químico do espaço. E tem mais, sabe-se que as estrelas supergigantes irão eventualmente explodir como uma supernova. Se você acha fácil encontrar Antares no céu, imagine se ela se transformar numa supernova, quando poderá ficar tão brilhante quanto uma Lua Cheia!

Da próxima vez que procurar pelo Escorpião no céu, lembre-se que aquele ponto brilhante e avermelhado é bem maior que o nosso Sol, cabendo dentro dele, com folga, a orbita de Saturno, e provavelmente explodirá num futuro distante, tornando-se muito mais brilhante, para depois desaparecer, e quem sabe, virar um buraco negro.

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Contato Radiotelescópico

Acima: Ellie Arroway (Jodie Foster) e o VLA. Abaixo a esquerda: a protagonista do filme Contato e detector focal do Radiotelescópio de Arecibo. Abaixo e direita: cartaz do filme com o VLA ao fundo.

Uns dias atras tive a alegria de rever um filme que super adoro:
Contato (Robert Zemeckis, 1997) . Baseado num livro de Carl Sagan fala da convulsão social que seria a recepção de um mensagem de rádio vinda de uma civilização extraterrestre. O filme aborda dilemas éticos e o conflito entre fé e razão. Entretanto quero me centrar na ferramenta tecnológica que o filme utiliza para desenrolar sua trama: o radiotelescópio.

Embora no filme a radioastrônoma Eleanor “Ellie” Arroway (Jodie Foster) ficar com fones de ouvido “ouvindo estrelas” não há som sendo captado pelos radiotelescópios. As ondas de rádio não são captadas por nenhum sentido humano. Esta imagem é um resquício da época no início das transmissões de som através do rádio. Ondas de rádio são de origem eletromagnética não precisam de meio (ar, por exemplo) para se propagar; fazem isso no vácuo.

Antenas: varetas e parabólicas

Primeiros Radiotelescópios.

Um radiotelescópio é uma antena altamente direcionável que se utiliza para captar emissões de rádio proveniente de corpos celestes. A antena mais simples que podemos imaginar é um dipolo: duas hastes metálicas colineares separadas por um pequeno vão onde se coloca um cabo conectado ao um detector/amplificador para medir a diferença de potencial elétrico entre elas. Um arranjo assim capta quase tudo no plano que separa as duas varetas, não é bem diretivo. Acrescentando mais varetas na direção que se quer aumentar a sensibilidade (com aquelas antenas de tv uhf) você torna o sinal bem diretivo. Colocando mais um par de varetas na direção oposta (chamadas de refletoras) você torna ainda mais diretivo. Se você usar uma superfície parabólica com refletor você consegue um feixe de sensibilidade ainda mais direcionado. Assim a figura mais emblemática de radiotelescópio é aquela que grandes refletores parabólicos (que aparecem no filme). Data de 1930 a primeira detecção de sinais de rádio provenientes centro da nossa galáxia, a Via Láctea. O primeiro arranjo de varetas (ver figura acima) foi usado pelo físico e engenheiro Karl Jansky (EUA, 1905-1950) um dos primeiros pioneiros da Radioastronomia. Grote Reber (1911-2002) usando um radiotelescópio de espelho parabólico pode mapear o céu com grande resolução a partir de 1937. Emissões de rádio provindas do Sol foram detectadas em 1942 por um oficial de pesquisa do exercito britânico: James Stanley Hey (1909-2000). Em 1964, os engenheiros Arno Penzias e Robert Woodrow Wilson foram os primeiro a detectar a radiação cósmica de fundo.

Grandes Refletores: quanto maior melhor

Quanto maior o espelho refletor mais energia é captada vinda de uma região ainda menor do céu. Ou seja: maior o espelho: mais sensível e diretivo é o radiotelescópio.

Grandes Refletores. Acima: Arecibo é o primeiro radiotelescópio que aparece no filme Contato. Abaixo: Construção de um enorme refletor na China.

Muitas Antenas juntas

Quanto mais antenas melhor…

No final da década de 60 e início dos anos 70 do século passado os computadores permitiram combinar sinais provenientes de diversas antenas como se fossem uma só. Tal técnica é conhecida como interferometria. O Very Large Array (VLA) é o conjunto de antenas que aparece no cartaz do filme (ver figura acima). Na trama do filme é onde os sinais de vida extraterrestre são captados. O ALMA será um interferômetro muitas vezes mais poderoso que o VLA.