Observar os segredos da “Idade das Trevas” do universo exigirá a captura de comprimentos de onda de rádio ultralongos - e não podemos fazer isso na Terra.
ILUSTRAÇÃO: VLADIMIR VUSTYANSKY
O UNIVERSO está constantemente transmitindo sua história para nós. Por exemplo: informações sobre o que aconteceu há muito, muito tempo, contidas nas ondas de rádio de longa duração que são onipresentes em todo o universo, provavelmente contêm os detalhes sobre como as primeiras estrelas e os buracos negros foram formados. Mas há um problema. Devido à nossa atmosfera e aos ruidosos sinais de rádio gerados pela sociedade moderna, não podemos lê-los da Terra.
É por isso que a NASA está nos estágios iniciais de planejamento o que seria necessário para construir um telescópio de pesquisa automatizado no outro lado da lua. Uma das propostas mais ambiciosas seria construir o Radiotelescópio da Cratera Lunar , a maior antena de radiotelescópio com abertura preenchida do universo. Outra dupla de projetos, chamada FarSide e FarView, conectaria uma vasta gama de antenas - eventualmente mais de 100.000, muitas construídas na própria lua e feitas de seu material de superfície - para captar os sinais. Os projetos fazem parte do programa Institute for Advanced Concepts (NIAC) da NASA, que premia inovadores e empreendedores com financiamento para desenvolver ideias radicais na esperança de criar conceitos aeroespaciais revolucionários. Embora ainda sejam hipotéticos e a anos de distância da realidade, as descobertas desses projetos podem remodelar nosso modelo cosmológico do universo.
“Com nossos telescópios na lua, podemos fazer engenharia reversa dos espectros de rádio que registramos e inferir pela primeira vez as propriedades das primeiras estrelas”, disse Jack Burns, cosmologista da Universidade de Colorado Boulder e co -investigador e líder científico para FarSide e FarView. “Nós nos importamos com essas primeiras estrelas porque nos preocupamos com nossas próprias origens - quero dizer, de onde viemos? De onde veio o Sol? De onde veio a Terra? A via Láctea?"
As respostas a essas perguntas vêm de um momento obscuro no universo, cerca de 13,7 bilhões de anos atrás.
Quando o universo esfriou cerca de 400.000 anos após o Big Bang, os primeiros átomos, hidrogênio neutro, liberaram seus fótons em uma explosão de radiação eletromagnética que os cientistas ainda podem ver hoje. Esta radiação cósmica de fundo, ou CMB, foi detectada pela primeira vez em 1964. Hoje os cientistas usam ferramentas complexas como a sonda Planck da Agência Espacial Européia para detectar suas flutuações mínimas, que criam uma visão instantânea da distribuição de matéria e energia no universo jovem. Os cientistas também podem avançar cerca de cem milhões de anos para estudar grande parte dos cerca de 13 bilhões de anos desde a formação das primeiras estrelas, ou "Cosmic Dawn", graças aos dados visuais coletados da luz das estrelas por telescópios como o Hubble (e em breve, o James Webb atualizado). Eles nos permitem ver tão longe que estamos literalmente olhando para o passado.
Depois que a bola de fogo inicial do Big Bang se desvaneceu no CMB, mas antes que as primeiras estrelas começassem a queimar, houve um período em que quase nenhuma luz estava sendo emitida no universo. Os cientistas se referem a este período sem luz visível ou infravermelha como a "Idade das Trevas Cósmica". Durante essa época, parece provável que o universo era muito simples, consistindo principalmente de hidrogênio neutro, fótons e matéria escura. As evidências sobre o que aconteceu durante este período podem nos ajudar a entender como a matéria escura e a energia escura - que, segundo nossas melhores estimativas, constituem cerca de 95 por cento da massa do universo, mas são amplamente invisíveis para nós e que ainda não entendemos de verdade - moldou sua formação.
Há pistas sobre o que aconteceu durante a Idade das Trevas Cósmico girando em torno, escondido no hidrogênio, que ainda constitui a maior parte da matéria conhecida no universo. Cada vez que o giro dos elétrons do átomo de hidrogênio muda, ele emite uma onda de rádio em um comprimento de onda específico: 21 centímetros. Mas esses comprimentos de onda liberados durante a Idade das Trevas Cósmica não têm realmente 21 centímetros de comprimento quando alcançam a Terra. Como o universo está se expandindo rapidamente, os comprimentos de onda do hidrogênio também se expandem, ou "desvio para o vermelho", estendendo-se quando viajam por grandes distâncias. Isso significa que cada comprimento de onda funciona como um carimbo de data / hora: quanto mais longa a onda, mais velha ela é. Quando chegam à Terra, têm cerca de dez ou mesmo 100 metros de comprimento, com frequências abaixo da banda FM.
Apesar de sua baixa frequência, essas ondas poderiam ser capturadas por um radiotelescópio - se nossa atmosfera não estivesse no caminho. A ionosfera, ionizada pela energia elétrica do sol, absorve ou reflete essa informação antes que ela chegue até nós. Nossas comunicações de rádio na Terra também o interrompem. Então imagine: Da Idade das Trevas do cosmos, eles viajam, prontos para nos dizer o que exatamente estava acontecendo quando foram feitos, e então BLAM - ionosféricos. Tchau, verdades cósmicas.
“Somos totalmente ignorantes sobre a radiação do universo em comprimentos de onda longos que não passam pela nossa atmosfera”, diz John Mather , cosmologista, astrofísico e ganhador do Prêmio Nobel por seu trabalho de estudo da radiação cósmica de fundo. “Pode haver grandes surpresas por aí.”
É aí que a lua entra. Do outro lado, ela bloqueia os sinais de rádio da Terra. Não há ionosfera. Para comprimentos de onda incrivelmente longos, é um porto de escala perfeito.
Para capturá-los, as propostas FarSide e FarView de Burns evitam um radiotelescópio de abertura sólida (imagine o falecido Arecibo ) em favor de uma vasta gama de antenas dipolo simples - muito parecidas com as orelhas de coelho da velha TV de seu avô. O FarSide exigiria uma estação base de 590 quilogramas e 128 pares de antenas conectadas por uma corda, que seria desenrolada na forma de quatro braços espirais em uma faixa de dez quilômetros da lua. Um único rover lunar cuidaria da construção. A estação base serviria como um centro de processamento central para os dados de sinal captados pelas antenas e os enviaria para um satélite retransmissor alternativo orbitando a lua.
ILUSTRAÇÃO: VLADIMIR VUSTYANSKY
FarView, um programa mais ambicioso que foi projetado com a ajuda da Lunar Resources, Inc., com sede em Houston, espalharia 100.000 antenas dipolo por 400 quilômetros quadrados da lua. Mas o plano não é apenas uma versão aprimorada do FarSide. O FarView se constrói sozinho - da lua . Primeiro, uma equipe de rovers automatizados coletaria o regolito e o entregaria a uma “fábrica” que poderia extrair alumínio. Outros dez rovers fabricariam antenas finas desse metal e então usariam uma técnica de eletrólise para eletroculá-las na superfície lunar. Painéis solares para operar o sistema também podem ser feitos no local.
A ideia de Burns é usar matrizes como essas para criar um mapa de áreas específicas do universo durante a Idade das Trevas. Quanto maior o comprimento de onda do hidrogênio neutro, mais para trás no tempo os cientistas sabem que estão procurando. Os comprimentos de onda também podem mostrar se o hidrogênio neutro que liberou a onda era mais quente ou mais frio do que a radiação cósmica de fundo em micro-ondas liberada logo após o Big Bang; essa informação pode revelar o papel que a matéria escura desempenhou nos acontecimentos da Idade das Trevas e oferecer pistas sobre o que, exatamente, é a matéria escura. “Gosto de dizer aos meus colegas físicos: 'Imagine que acabamos de construir para você um acelerador de partículas de alta energia totalmente novo e é maior do que qualquer coisa que possamos imaginar. Bem, o universo fez isso por nós. ' Essas partículas existem desde a Idade das Trevas e o Amanhecer Cósmico ”, diz Burns.
“Esta é uma parte muito importante da história da história térmica do universo”, concorda Mather. “A expansão do universo estava esfriando esta matéria ou objetos como estrelas ligando-se e aquecendo a matéria novamente?”
Os projetos gêmeos de Burns são o ponto final de mais de 35 anos de pesquisa , incluindo um artigo que ele escreveu para a Scientific American em 1990 que expôs os obstáculos para a construção de um radiotelescópio lunar de 10 a 15 metros na época. “Eu realmente pensei que teríamos um desses telescópios na lua agora”, diz ele. Mas o impulso da NASA para retornar à luasignifica que o sonho de Burns pode estar se tornando realidade. Até agora, o FarSide e o FarView receberam US $ 125.000 em financiamento da NASA para estudos iniciais de projeto de engenharia. Em 2022, a agência pretende enviar um único espectrômetro de rádio de baixa frequência por meio de um módulo lunar comercial. O dispositivo é chamado de Observações de ondas de rádio na superfície lunar da bainha fotoelétron (ou Rolses), e será uma importante prova de conceito para futuros radiotelescópios lunares. Outra sonda de sinal de rádio chamada Dark Ages Polarimeter Pathfinder (Dapper) , é proposta como uma carga útil para pousar no lado distante lunar junto com o instrumento de rádio LuSEE em 2024. Ela irá capturar comprimentos de onda de rádio de 21 centímetros desviados para o vermelho no lado oposto antes de baixar seu dados para a Terra através de um satélite relé em órbita lunar.
Mas, ainda assim, há uma ideia ainda mais impressionante: o rádio telescópio da cratera lunar da NASA Jet Propulsion Labs, que acaba de receber US $ 500.000 em financiamento da segunda rodada do NIAC. Isso criaria o radiotelescópio mais audacioso já construído. Sua placa de malha de alumínio se estenderia por um quilômetro de diâmetro e 600 metros de profundidade, alojada dentro de uma cratera de 3 quilômetros de largura. Sua antena parabólica captaria ondas de rádio de longo comprimento de onda viajando pelo espaço e as direcionaria a um receptor suspenso sobre a cratera.
Saptarshi Bandyopadhyay , o roboticista que é o cérebro por trás do conceito, foi inspirado pelo artigo de Burns de 1990 sobre por que um radiotelescópio em uma cratera lunar não funcionaria. (Ou, pelo menos, não funcionava naquela época.) Essas limitações incluíam encontrar a cratera perfeita e a dificuldade de construir as torres exigidas por antenas tradicionais de radiotelescópio. Mas encontrar o ponto certo está sendo alcançado graças à missão Lunar Reconnaissance Orbiter, e um novo design e materiais significam que as torres não são mais necessárias. “Nossa inovação dizia: 'Olha, podemos resolver tudo isso agora, porque temos todas essas tecnologias que podem cuidar desses problemas'”, diz Bandyophadhyay. “Se redesenharmos todas essas ideias desta nova forma, podemos fazer isso acontecer.”
O LCRT seria mais caro e muito mais complicado de executar do que a abordagem de 128 antenas do FarSide. Mas também forneceria dados extremamente precisos, dando-nos uma visão mais clara de, digamos, como as galáxias foram formadas 12,5 bilhões de anos atrás. Ao capturar os comprimentos de onda mais longos, Mather diz, pode mapear uma imagem de “um universo muito simples, onde ainda não havia estrelas, nem galáxias, apenas algumas bolhas” mostrando a densidade da matéria escura. “Encontrar isso”, ele continua, “seria muito legal”.
A equipe de Bandyopadhyay usará os US $ 500.000 para executar simulações complexas, testando diferentes maneiras como os robôs podem construir o enorme prato. Eles têm uma boa ideia do que funcionará. Em vez de uma torre, eles usarão um design simplificado no qual o receptor do telescópio ficará pendurado em fios estendidos ao longo da cratera - uma aranha empoleirada precipitadamente acima de sua teia. A teia será uma rede de malha de alumínio, composta de fios radiais que vão do módulo de pouso - situado no fundo da cratera - até a borda. Fios circunferenciais irão conectá-los eletricamente.
Para construí-lo, metade da nave de desembarque, carregando a malha leve e durável que formará o prato alado, pousaria na cratera. A outra metade, carregando os robôs DuAxel projetados pelo JPL, se dividiria e pousaria na borda da cratera. Os rovers são cavalos de trabalho de 4 rodas com dois eixos que podem se separar e se reconectar. Metade de cada rover seria ancorado à borda e, em seguida, amarrava seu parceiro até o módulo de pouso principal no fundo da cratera. O rastreador se prendia à malha de alumínio do módulo de pouso, depois subia de volta na cratera, desenrolando a teia atrás dela, que poderia simplesmente se desdobrar, como uma rede de pesca gigante. Depois de fazer seu caminho de volta pela borda, cada rover ancoraria os fios de elevação radial do prato no lugar.
E se isso não funcionar, Bandyopadhyay tem um segundo plano. “Outra ideia é não usar robôs, mas atirar arpões na parede da cratera” a partir da nave de desembarque no fundo da cratera, diz ele, com os rovers ajudando a tensionar o prato de malha de alumínio.
Desnecessário dizer que todos os três conceitos de projeto enfrentam alguns desafios importantes. O financiamento do NIAC é apenas uma gota no oceano; cada um custaria mais de US $ 1 bilhão para se desenvolver, construir e se tornar operacional. (“Gostaria de dizer a qualquer pessoa que tenha dinheiro que, se você me der US $ 5 bilhões, posso lançar isso amanhã”, diz Bandyopadhyay.)
Também existe o problema do trabalho de parto. Todos os três projetos propõem o uso de rovers, que precisariam hibernar para sobreviver às temperaturas de -173 graus Celsius da noite lunar - que dura 14 dias terrestres. E não está claro se seria melhor usar rovers automatizados ou operados por astronautas na Lua, em órbita ou na Terra. Acima de tudo, os golpes precisos de orquestrar não apenas um pouso bem-sucedido, mas também um projeto de construção baseado em veículo espacial impecável em grande escala estão ... digamos, ainda a serem determinados.
Em um cronograma ideal, o FarSide poderia iniciar as operações antes do final da década; FarView na década de 2030; e o LCRT em 2040. “Eu pessoalmente ficaria muito surpreso em vê-lo lançado antes de me aposentar”, diz Bandyopadhyay.
Enquanto isso, outros projetos podem nos ajudar a entender os segredos da Idade das Trevas Cósmica. O novo telescópio James Webb, que deve ser lançado neste outono para estudar o Cosmic Dawn, pode fornecer dados que podem ajudar os cientistas a extrapolar para a Idade das Trevas. E os pesquisadores estão trabalhando para estudar melhor as frequências de hidrogênio neutro mais limitadas que podem observar da Terra.
Mas até que cheguem ao outro lado ou acabem o tempo, Bandyopadhyay, Burns e outros continuarão a atirar para a lua. “Sou filho do otimismo e da ficção científica”, diz ele. “Eu quero - não para mim, mas para meus netos ou bisnetos - permitir viagens espaciais, motores de matéria e antimatéria e coisas assim. E não estaremos em lugar nenhum se não buscarmos respostas para questões fundamentais como 'De que é feito o universo?' agora mesmo."
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