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Como o próximo grande telescópio da NASA poderá tirar fotos de outra Terra

Tecnologia conhecida como "starshade" poderá fotografar planetas potencialmente habitáveis antes do previsto

NASA/JPL-Caltech
A starshade possui formato de girassol e bloqueia a luz das estrelas, permitindo que telescópios espaciais tirem fotos de planetas semelhantes à Terra que ficam além do nosso sistema solar. 

Poderá o próximo grande telescópio da NASA tirar fotos de um planeta semelhante à Terra, orbitando outra estrela? Astrônomos sonham há tempos com fotos como essa, que possibilitariam estudar mundos além do nosso sistema solar para buscar sinais de vida. Mas mesmo com todos esses sonhos, a tecnologia para transformá-los em realidade parecia distante. Agora, no entanto, um número crescente de especialistas acredita que o Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) da NASA pode capturar imagens de “outras Terras” - e logo. A agência começou a trabalhar formalmente no WFIRST em fevereiro deste ano e pretende lançar o observatório em 2025.

O WFIRST foi concebido em 2010, como a prioridade número um do National Academy of Sciences’ Decadal Survey, um relatório de astrônomos norte-americanos que propõe uma lista de desejos para futuras missões da NASA e outras agências espaciais federais. O coração do telescópio é um espelho de 2,4 metros que, embora possua o mesmo tamanho e qualidade daquele do Telescópio Hubble, promete imagens panorâmicas de céus cem vezes maiores do que qualquer coisa que o Hubble conseguiria capturar. Usando uma câmera chamada Wide Field Instrument, o objetivo primário do WFIRST será estudar a energia escura, a força misteriosa que dirige a expansão acelerada do universo. Mas outro ponto importante - a busca existencial para saber se estamos ou não sozinhos no universo - já está influenciando a missão.

Pesquisadores descobriram mais de mil exoplanetas  (planetas ao redor de outras estrelas que não o Sol)  desde que houve a recomendação crucial do Decadal Survey de colocar o WFIRST como prioridade entre as missões astrofísicas de próxima geração da NASA. Eles esperam encontrar dezenas de milhares de outros nos próximos 10 anos. Muitos serão descobertos pelo próprio WFIRST quando ele inspecionar a convexidade galáctica da Via Láctea buscando por estrelas que brilham brevemente enquanto planetas cruzam à frente delas, agindo como lentes gravitacionais para ampliar seu brilho. Essa inspeção pode render a descoberta de tantos mundos quanto àqueles descobertos pelo bem sucedido Kepler, telescópio espacial da NASA, que usou diferentes técnicas para encontrar cinco mil prováveis planetas antes de falhas no hardware encerrarem sua missão primária em 2013.

Estatísticas brutas sobre a totalidade de planetas conhecidos sugerem que cada estrela no céu é acompanhada por pelo menos um e que talvez uma em cada cinco estrelas semelhantes ao Sol possuem um globo rochoso em uma “zona habitável” que não é nem muito quente e nem muito fria, onde pode haver água líquida. A melhor maneira de descobrir se algum desses planetas é semelhante à Terra é vê-los - mas tirar a foto de um planeta a anos-luz de distância não é nada fácil. Um mundo habitável seria um ponto fraco e perdido no brilho intenso de sua estrela dez bilhões de vezes mais brilhante. Vê-lo seria como enxergar uma borboleta tremulando perto de um holofote, ou uma alga bioluminescente numa onda quebrando contra um farol.

 

LUTANDO CONTRA A LUZ

A atmosfera turbulenta da Terra é um sério obstáculo à obtenção de imagens de planetas fracos por observatórios terrestres e a maioria dos especialistas concorda que a solução é usar telescópios espaciais. Mas nem o Hubble nem o seu sucessor, o Telescópio Especial James Webb, que será lançado em 2018, chegam perto de alcançar o alto contraste necessário para observações como essas. Os hardwares dos dois telescópios foram feitos antes da grande onda de descobertas planetárias - quando fazer imagens de mundos orbitando outras estrelas era considerado um tópico de pesquisa marginal. Além de carregar um Wide Field Instrument para inspeções astrofísicas e estudos de energia escura, o WFIRST também usará um avançado coronógrafo, um instrumento dentro do telescópio que filtra a luz estelar usando uma série complexa de máscaras, espelhos e lentes.  Mas esse segundo instrumento é uma adição de última hora, e o espelho do WFIRST e outros de seus componentes ópticos não são otimizados para um coronógrafo. Consequentemente, muitos especialistas preveem que o coronógrafo do WFRIST não atingirá o contraste necessário para capturar imagens de outras Terras. Em vez disso, focará em tirar fotos de gigantes planetas gasosos e, nas circunstâncias mais favoráveis, algumas chamadas “super-Terras” ou “mini-Netunos” que são cerca de duas vezes o tamanho do nosso planeta e parecem oferecer baixas prospectivas para a vida.  

O coronógrafo do WFIRST é oficialmente apenas uma demonstração tecnológica com o objetivo de acelerar o desenvolvimento de outros coronógrafos mais sofisticados que poderiam de fato capturar imagens de Terras alienígenas - algum dia. Tirar essas fotos é tão desafiador que planos preliminares da NASA envolvem adiar esse ideia pelos próximo 20 anos para que a agência desenvolva a tecnologia e o orçamento necessário para construir um novo telescópio depois do WFIRST. E durante esse tempo, os astrônomos continuariam descobrindo grandes quantidades de planetas candidatos.

O WFIRST, no entanto, pode oferecer um atalho através de uma tecnologia chamada ‘’starshade’’ - uma tela em formato de girassol e fina como papel, do tamanho de metade de um campo de futebol, que flutuaria dezenas de milhares de quilômetros a frente do telescópio, bloqueando a luz de uma estrela alvo, da mesma maneira como alguém bloqueia o sol apontando o dedão para o céu e colocando-o na frente da estrela. O formato de pena da starshade é feito para prevenir que ondas de luz flutuem ao seu redor - como água sobre uma rocha, - algo que destruiria sua sombra ultra escura. Diferentemente dos coronógrafos, que devem ser construídos para a óptica de qualquer telescópio e funcionam melhor nos grandes, starshades funcionam com telescópios de qualquer tamanho.

 

UM ATALHO PARA OUTRAS TERRAS

Um estudo da NASA do ano passado (pdf) descobriu que uma starshade funcional poderia voar e ser construída como uma missão independente para encontrar com o WFIRST pelo custo aproximado de meio a um bilhão de dólares.Trabalhando em conjunto, o telescópio e a starshade poderiam capturar fotos de quase 40 planetas, incluindo alguns que, em tamanho e órbita, imitariam a Terra. “Se, e somente se, o WIFRST tivesse uma starshade ele poderia fornecer imagens de algumas Terras ainda na próxima década, ao invés de esperamos mais 20 anos,” diz Jeremy Kasdin, professor na Universidade de Princeton, principal cientista do coronógrafo do WFIRST e coautor do estudo da NASA sobre a starshade. “Essa é uma oportunidade real de encontrar outra Terra mais rápido e por menos dinheiro antes de fazer um investimento enorme no próximo gigantesco telescópio espacial da NASA.”

No porão do Laboratório de Química Frick, em Princeton, Kasdin está trabalhando fervorosamente em um experimento: um tubo de um metro de largura e 75 metros de comprimento com uma câmera em uma extremidade, um laser na outra e uma starshade reduzida no meio. Até o final do verão norte americano, ele espera, a experiência terá demonstrado o contraste necessário para, no tamanho normal, produzir imagens de planetas semelhantes à Terra.

Kasdin não está sozinho nos trabalhos do porão; floresce uma “comunidade starshade” que também trabalha no assunto. A companhia aeroespacial Northrop Grumman testou starshades em miniatura em um leito seco em Nevada e em um telescópio solar gigante no Arizona. E no Laboratório de Jato-Propulsão da NASA (JPL), pesquisadores estão demonstrando como fabricar as pétalas delicadas da starshade em longa escala, como dobrar a estrutura inteira para dentro de um foguete e como implantá-la e desdobrá-la até que atinja o tamanho de um campo de baseball.

Apesar de o lançamento do WFIRST estar marcado para daqui uma década, a decisão de avançar com os preparos para um possível encontro com a starshade deve vir em breve, já que o WFIRST precisará de pequenas modificações para permitir uma sincronização com a starshade através de dezenas de milhares de quilômetros no espaço.

“Nós chamamos isso de ‘estar pronto para a starshade,’” diz Kasin. “Isso não está no design atual do WFIRST, e nós não podemos simplesmente adiar essas mudanças por tempo indeterminado… Até o ano que vem nós precisaremos decidir se iremos ou não deixá-lo pronto para a starshade.”

 

UM “PROJETO DE TECNOLOGIA STARSHADE”

Mas até agora, altos funcionários da NASA expressaram cautela em comprometer-se com tal missão. “A princípio, adicionar uma starshade habilitaria o WFIRST a capturar imagens e a estudar exoplanetas com maiores detalhes do que o coronógrafo interno permitiria,” diz John Grunsfeld, administrador associado do Diretório de Missões Espaciais da NASA. “No entanto, a tecnologia starshade ainda está em sua infância, então precisamos caminhar muito antes de construir uma missão para que a starshade voe com o WFIRST.”

Um impedimento chave é dinheiro. O orçamento de US$ 2,3 bilhões do WFIRST é relativamente esguio, constrangido pelo aumento de custo de seu antecessor mais ambicioso e que ainda será lançado, o Webb, de US$ 8,8 bilhões. Com a Divisão de Astrofísica da NASA preparando o Webb para lançamento e trabalhando no WFIRST, seu orçamento atual não consegue incluir o desenvolvimento de uma starshade ao mesmo tempo.

Política e tempo são outros obstáculos. As limitações orçamentárias declaradas da NASA se encaixam com a aversão que a agência tem de escolher unilateralmente grandes missões astrofísicas. Ao invés disso, a NASA pretende deixar que os astrônomos dos EUA tracem o seu destino através do próximo Decadal Survey de 2020, no qual o encontro do WFIRST com a starshade poderá competir formalmente pela prioridade juntamente com um grande número de diversas outras missões espaciais. “Nesse momento não existem planos de colocar uma starshade no WFIRST,” diz Paul Hertz, diretor da Divisão de Astrofísica da NASA. Em vez disso, ele diz, a agência está “em modo não-exclua-a-starshade.” Mas não excluir a starshade lembra muito um esforço para construir e lançar uma.

Quando a NASA anunciou formalmente que daria início ao WFIRST, em fevereiro, ela também confirmou que o telescópio seria lançado em uma órbita a 1,5 milhões de quilômetros da Terra, onde as condições são suficientemente tranquilas para uma starshade funcionar sem incômodos. Em planos anteriores, a ideia era que a missão fosse lançada para uma órbita terrestre alta, onde a luz solar saltando do nosso planeta teria afundado o trabalho delicado da starshade. Em janeiro, a NASA formou um Grupo de Trabalho Starshade de Prontidão para elaborar planos para validar a tecnologia necessária para desenvolver uma starshade a tempo para um encontro com o WFIRST. Finalmente, no mês passado, a NASA designou formalmente a starshade como “atividade de desenvolvimento tecnológico,” um passo que integra todos os diferentes projetos relacionados em um todo mais coerente. “Internamente, nós estamos chamando isso de ‘Projeto de Tecnologia Starshade,’” diz Nick Siegler, tecnologista chefe do Programa de Exploração de Exoplanetas da NASA, com base no JPL. “O objetivo é amadurecer toda a tecnologia da starshade antes do fim da década para que possamos submeter tudo com confiança para o aval do  Decadal Survey.”

 

NEGÓCIO DE RISCO

Ainda que politicamente prudente, o atual plano da NASA de adiar a decisão sobre o encontro entre a starshade e o WFIRST até 2020 carrega riscos significativos. Existem grandes chance de, por exemplo, o lançamento de qualquer starshade ser adiado até depois do fim da missão primária de seis anos do WFIRST. A maior parte dos ceículos espaciais da NASA sobrevivem a suas missões primárias e adentram fases “estendidas” depois de atingirem seus objetivos chaves, mas acidentes no final da missão ou falhas no hardware podem acontecer e acontecem. “Como cientista, eu quero ver uma starshade voar junto com a primeira missão do WFIRST,” diz Sara Seager, professora do Instituto de Tecnologia de Massachussets (MIT) que presidiu o estudo da NASA sobre o encontro, “porque não podemos garantir que o WFIRST viverá além da sua primeira missão.” Ela ainda acrescenta: “A missão Kepler teve uma missão primária de quatro anos e adivinhe quanto tempo a nave durou? Quatro anos. Eu odiaria desenvolver uma starshade para não ter o WFIRST para usar com ela. O que a NASA fará então? Construirá outro telescópio? Não parece provável.” De acordo com Siegler e outros, um risco adicional em adiar o desenvolvimento da starshade é que poderia impedir o planejamento de um telescópio espacial ideal para ser construído anos ou décadas depois do WFIRST, um com um espelho monumental de oito ou 16 metros de largura. Seria grande o suficiente para procurar e capturar imagens de Terras ao redor de milhares de estrelas vizinhas ao Sol - grande o suficiente para finalmente fornecer uma resposta estatisticamente significativa para a pergunta de se estamos ou não sozinhos cosmicamente. No mês passado, a NASA separou dois times para estudar e recomendar possíveis designs para tais telescópios, ordenando que cada time submetesse seus achados para a agência até 2019 - pouco antes  do Decadal Survey decidir sobre o encontro. “A grande questão é qual tecnologia de supressão de luz estelar esses estudos irão escolher?” afirma Siegler. “Você poderia pensar que o coronógrafo é a primeira opção porque ele é fácil de construir e de testar, e você provavelmente estaria certo. Essa é uma razão porque ele já está no planejamento do WFIRST. A starshade poderia ser uma opção melhor, mas requer um telescópio e uma nave separada e 50.000 quilômetros os separando. Como você testa de fato algo assim? Não seria um bom uso de imposto testar uma starshade em um telescópio que já está no espaço?”

Em relação as suas capacidades de observação, as duas tecnologias são complementares. Como apenas outro instrumento do telescópio, coronógrafos podem empreender agilmente entre dois alvos no céu e serem bem-sucedidos em descobertas planetares. Starshades, por sua vez, levam dias ou semanas para flutuarem entre alvos - mas eles compensam com sua melhor banda larga, o que os torna uma escolha melhor para estudar planetas em maiores detalhes.

Aki Roberge, astrofísico do Centro Goddard de Voo Espacial da NASA e cientista principal de um dos estudos da agência sobre futuros telescópios, diz que o caminho correto para encontrar outra Terra é considerar utilizar os dois. “Em um mundo perfeito, a missão perfeita provavelmente teria tanto um coronógrafo quanto uma starshade. Qualquer coisa que possa ser feita para manter as duas opções abertas é desejável para o futuro a longo prazo.”

 

Lee Billings