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Reportagem

As 10 maiores descobertas do Hubble

Enquanto esperam pela última manutenção no telescópio espacial, os astrônomos refletem sobre suas descobertas nos últimos 16 anos

Mario Livio
Nasa
Na primeira missão de reparo do Hubble, em dezembro de 1993, os astronautas Story Musgrave (no braço mecânico), Jeffrey Hoffman (no compartimento de carga) e outros consertaram o notório defeito no espelho e abriram caminho para muitas descobertas
Na primeira missão de reparo do Hubble, em dezembro de 1993, os astronautas Story Musgrave (no braço mecânico), Jeffrey Hoffman (no compartimento de carga) e outros consertaram o notório defeito no espelho e abriram caminho para muitas descobertas.

Poucos telescópios na história tiveram um efeito tão profundo na pesquisa astronômica como o Telescópio Espacial Hubble. Ainda assim, sua influência não é a que a maioria das pessoas imagina. Em geral, ele não fez descobertas singulares mas transformou antigas suspeitas e pistas obtidas em observações de solo em certezas. O Hubble funcionou em parceria com outros observatórios para construir uma visão multifacetada do Cosmos. Forçou físicos teóricos a substituir teorias grosseiras por outras que explicassem os fenômenos astronômicos com muito mais detalhe. Em suma, o Hubble não foi extremamente influente por se distanciar de outros instrumentos e técnicas, mas por se integrar intensamente com eles.

Em abril, o telescópio completou seu 16o aniversário no espaço. Seus feitos, tanto o de fornecer detalhes sem precedentes aos astrônomos quanto o de proporcionar um vislumbre das maravilhas do Universo a lares espalhados pelo mundo, foram de certo modo ofuscados recentemente pelo debate sobre seu futuro. Enquanto a Nasa luta para retomar os vôos dos ônibus espaciais, o Hubble continua se deteriorando. A menos que astronautas possam ir até lá e reformá-lo, o telescópio pode atingir o fim de sua vida útil já em meados de 2008. A chegada a essa encruzilhada me levou a avaliar a última década e meia do Hubble - e da astronomia - que muitos pesquisadores consideram a época áurea de seu campo.

Apresento abaixo minha seleção (confessamente tendenciosa) das dez contribuições mais significativas do Hubble, de suas revelações sobre objetos pequenos como planetas, até galáxias e o Universo como um todo. É extremamente difícil fazer justiça num curto artigo a contribuições tão abundantes. No momento em que escrevo, seu arquivo de dados contém mais de 27 terabytes e cresce a um ritmo de 390 gigabytes por mês. Essas informações foram a base para 6.200 artigos científicos. Além disso, o telescópio continua a produzir ciência de surpreendente qualidade. Em parceria com outros observatórios nos últimos meses, ele descobriu dois novos possíveis satélites de Plutão, uma inesperada (e paradoxal) galáxia de grande massa no Universo primordial e um companheiro de massa planetária de uma anã marrom - estrela pouco mais pesada que um planeta. Somos afortunados por viver numa era em que pela primeira vez estão sendo reveladas características do Universo que, até recentemente, a humanidade conseguia sondar apenas com a imaginação.
Oito locais de impacto ( alguns sobrepostos e outros quase invisíveis) aparecem no hemisfério sul de Jupiter. Na parte de baixo da imagem protuberancia se eleva como cogumelo nuclear depois de impacto.
1. A Grande Colisão de Cometas
Da perspectiva cósmica, o impacto do cometa Shoemaker-Levy 9 com Júpiter era irrelevante: a superfície dos planetas e satélites já indicava que o Sistema Solar era uma galeria de tiro. Da perspectiva humana, no entanto, a colisão foi um evento singular: acredita-se que um cometa se choque com um planeta apenas uma vez a cada mil anos, em média.


Um ano antes do fim trágico do Shoemaker-Levy 9, as imagens do Hubble revelaram que ele havia se quebrado em mais de 20 fragmentos, um "colar de pérolas". O primeiro fragmento mergulhou na atmosfera de Júpiter em 16 de julho de 1994, seguido pelos demais durante a semana seguinte. As imagens mostravam saliências parecidas com cogumelos nucleares no horizonte de Júpiter, se alastrando e despencando nos dez minutos subseqüentes ao impacto. As marcas resultantes persistiram por meses.
A raridade dessas imagens já as torna valiosas. As fotos levantaram uma dúvida intrigante sobre a composição do gigante gasoso.

Em um local, as ondas se propagaram a 450 metros por segundo. A explicação mais aceita é a de que elas são ondas de gravidade, em que a força restauradora é a flutuação, como acontece quando se tenta forçar um pedaço de madeira para dentro d\\`água e ele vibra para cima e para baixo. Se é esse o caso, as propriedades das ondas indicam que a proporção de oxigênio para hidrogênio na camada da atmosfera joviana onde se propagaram é dez vezes maior que no Sol. Porém, se Júpiter se formou do colapso gravitacional de um disco de gás e poeira primordial, como algumas teorias postulam, ele deveria ter a mesma composição do resto do disco - portanto similar à do Sol. O mistério segue sem solução.
Don Dixon
A silhueta de um planeta, nesta concepção artistica é deduzida de medições da variação do brilho de uma estrela feitas pelo Hubble
2 Planetas Extra-solares
Em 2001, a Sociedade Astronômica Americana pediu que astrônomos planetários votassem no que consideravam ser a maior descoberta da década anterior. Eles elegeram a detecção de planetas fora do nosso Sistema Solar. Hoje, conhecem-se cerca de 180 deles. A maioria foi localizada por telescópios em terra ao observar o pequeno vaivém causado pelo puxão gravitacional de um planeta girando em torno de sua estrela-mãe. Porém, essas observações oferecem pouquíssima informação: só o tamanho e a elipticidade da órbita do planeta, além de um limite mínimo para sua massa.

O Hubble deu seguimento a essas descobertas, concentrando-se em planetas cujos planos orbitais estão alinhados com nossa linha de visão, o que faz com que passem periodicamente na frente de suas estrelas e reduzam seu brilho - em evento conhecido como trânsito. Ele observou o primeiro planeta desse tipo descoberto, companheiro da estrela HD 209458, e obteve as informações mais detalhadas sobre um planeta fora do nosso Sistema Solar. O planeta é 30% mais leve que Júpiter, ainda que 30% maior em diâmetro, provavelmente porque a intensa radiação de sua estrela-mãe o fez inchar. Os dados do Hubble são tão precisos que seriam capazes de revelar anéis largos ou satélites grandes ao redor do planeta se eles existissem. O mais impressionante é que o Hubble conseguiu as primeiras medições da composição de um mundo ao redor de outra estrela. A atmosfera do planeta contém sódio, carbono e oxigênio, e o hidrogênio está evaporando para o espaço para criar uma cauda semelhante à dos cometas. Essas observações servem como base para buscas por sinais químicos de vida em outras partes da galáxia.
Quando uma onda de choque da supernova 1987 atingiu um anel de gás preexistente, regiões quentes emitiram um intenso brilho. Na imagem menos a nebulosa Olho de gato que é uma das mais complexas, supostamente criada pela morte de uma estrela semelhante ao sol.
3 Espasmos Estelares
A física estelar prevê que uma estrela com massa entre oito e 20 vezes a do Sol termine seus dias numa explosão de supernova. Quando seu combustível se exaure, abruptamente ela perde a longa luta para segurar seu próprio peso. Seu núcleo entra em colapso para formar uma estrela de nêutrons - um corpo inerte e hiperdenso - e as camadas exteriores de gás são ejetadas a 5% da velocidade da luz.

Entretanto, tem sido difícil testar essa teoria, pois desde 1680 nenhuma supernova ocorreu em nossa galáxia. Porém, em 23 de fevereiro de 1987 os astrônomos presenciaram um evento quase ideal: uma supernova em uma das galáxias-satélite da Via Láctea, a Grande Nuvem de Magalhães.

O Hubble foi lançado só três anos depois, mas a partir daí ele pôde acompanhar a evolução da explosão. Ele não tardou a descobrir um sistema com três anéis ao redor da estrela moribunda. O anel central parece ser a cintura estreita de uma emissão de gás em forma de ampulheta, e os anéis maiores são as bordas dos dois lóbulos em forma de gota, evidentemente criados pela estrela algumas dezenas de milhares de anos antes de explodir. Em 1994, o Hubble começou a ver uma seqüência de pontos iluminados ao longo do anel central: eram as ejeções da supernova que atingiam esse anel.

Ao contrário das estrelas de alta massa, astros como o Sol têm morte mais serena: eles ejetam suas camadas exteriores de gás em um processo não-explosivo que leva cerca de 10 mil anos. Ao ser gradualmente exposto, o núcleo central quente da estrela emite radiação que ioniza o gás ejetado, criando nele um feérico brilho esverdeado (emitido por oxigênio ionizado) e avermelhado (hidrogênio ionizado). Por razões históricas, o resultado é erroneamente chamado de nebulosa planetária. Conhecem-se cerca de 2 mil delas atualmente. O Hubble revelou algumas extraordinariamente complexas, com detalhes sem precedentes.
Algumas dessas nebulosas exibem um conjunto de anéis concêntricos que lembram um olho-de-boi, e possivelmente indicam que o processo de ejeção talvez não fosse contínuo, e sim episódico. Estranhamente, calcula-se o tempo transcorrido entre os episódios de ejeção em cerca de 500 anos, período longo demais para ser explicado por pulsações dinâmicas (em que a estrela contrai e expande, num conflito brando entre a gravidade e a pressão do gás) e muito curto para representar pulsações térmicas (em que a estrela é levada para fora do equilíbrio). A natureza exata dos anéis observados é, portanto, desconhecida
Com aparência de amebas, discos de poeira circundam estrelas em estágio embrionário na nebulosa de Orion. Cada imagem tem 2.040 unid. astronômicas quadradas
4 Nascimentos Estelares
Há muito tempo os astrônomos sabem que feixes estreitos e fluidos de gás são sinais típicos de formação estelar. O nascimento de uma estrela pode gerar um par de jatos colimados com vários anos-luz de extensão. Ainda não se sabe exatamente como isso acontece. A hipótese mais promissora envolve a influência de um campo magnético em larga escala sobre o disco de gás e poeira que envolve o novo objeto. As linhas do campo magnético forçam material ionizado a seguir determinado curso, como contas em um colar giratório. O Hubble reforçou essa visão teórica ao fornecer a primeira evidência direta de que esses jatos efetivamente se originam no centro do disco.

Outra expectativa, que o Hubble desmentiu, era a de que os discos circunstelares estivessem profundamente imersos em suas nuvens-mães, sendo portanto impossíveis de ver. De fato, o telescópio espacial revelou dezenas de discos protoplanetários, muitas vezes como silhuetas contra o fundo de nebulosa. Pelo menos metade das estrelas jovens observadas possui esses discos, demonstrando que a matéria-prima para a formação de planetas está disponível em todas as partes da galáxia.
Estrelas inesperadamente jovens nas redodenzas da galáxia de Andrômeda ( no detalhe) podem ser o resultado de uma colisão galática ( várias outras galáxias aparecem nesta imagem)
5 Arqueologia Galáctica
Os astrônomos crêem que galáxias grandes como a Via Láctea ou nossa vizinha Andrômeda cresceram pela assimilação de outras menores. O registro desse passado atribulado deve ser encontrado no arranjo, idade, composição e velocidade de suas estrelas. O Hubble foi fundamental na decifração dessa história. Um exemplo disso é a observação do halo estelar de Andrômeda, a nuvem tênue e esférica de estrelas e aglomerados estelares que circunda o disco galáctico. Os astrônomos descobriram que as estrelas daquele halo têm as mais variadas idades: as mais velhas têm de 11 bilhões a 13,5 bilhões de anos, enquanto as mais novas têm de 6 bilhões a 8 bilhões de anos. Estas são como crianças num asilo. Devem provir de alguma galáxia mais jovem (como uma galáxia-satélite que foi assimilada) ou de alguma região mais jovem da própria Andrômeda (ou seja, do disco, se ele foi perturbado por uma galáxia em trânsito ou em colisão). O halo da Via Láctea não contém número significativo de estrelas comparativamente jovens. Assim, as imagens do Hubble sugerem que a Via Láctea e Andrômeda, apesar do aspecto semelhante, tiveram histórias muito diferentes.
Jato de plasma, provavelmente gerado pelo disco de acreção de um buraco negro com 3 bilhoes de massas solares, jorra da galáxia M87
6 Abundância de Buracos Negros Gigantes
Desde os anos 60 os astrônomos raciocinavam que os quasares e núcleos galácticos ativos - os centros violentos e brilhantes das galáxias - eram alimentados por buracos negros gigantes engolindo matéria. As observações do Hubble confirmaram essa visão geral. Quase toda galáxia observada cuidadosamente revelou um buraco negro em seu centro. Duas descobertas foram particularmente importantes. Em primeiro lugar, imagens de alta resolução de quasares revelaram que eles residem em galáxias elípticas brilhantes ou em pares de galáxias interagindo, o que sugere que uma determinada seqüência de eventos é necessária para alimentar um buraco negro central. Segundo, a massa do buraco negro gigante está estreitamente associada à massa do bojo esférico de estrelas adjacentes ao centro galáctico. Essa correlação sugere que a formação e a evolução de uma galáxia e seu buraco negro central estão intimamente ligadas.
A galáxia que originou aa explosão de raios gama 971214 aparece como uma modesta mancha (próxima à seta)
7 As Maiores Explosões
As explosões de raios gama (GRBs, do inglês gamma ray bursts) são curtos disparos de raios gama que duram de poucos milissegundos a dezenas de minutos. Existem duas classes distintas de GRB, dependendo de sua duração ser superior ou inferior a dois segundos. As longas produzem fótons com menor energia que as curtas. Dados do Observatório Compton de Raios Gama, do satélite de raios X BeppoSAX e de observatórios em terra indicam que os disparos de longa duração resultam do colapso do núcleo de estrelas com massa grande e vida relativamente curta - em outras palavras, de um tipo de supernova. Sendo assim, seria preciso explicar por que apenas uma pequena fração das supernovas produzem GRBs.

O Hubble descobriu que apesar das supernovas ocorrerem em todas as re-giões galácticas com formação estelar, as GRBs de longa duração se concentram em poucas regiões muito brilhantes, onde as estrelas maiores se localizam. Além disso, comparadas com as galáxias que abrigam supernovas, as hospedeiras de GRBs longas são consideravelmente menos brilhantes, mais irregulares e pobres em elementos pesados. Isso é importante porque estrelas grandes deficientes em elementos pesados geram ventos estelares mais fracos do que suas equivalentes abundantes nesses elementos. No curso de sua vida, elas retêm uma proporção maior de sua massa; ao morrer, são relativamente mais pesadas. O colapso de seu núcleo tende a produzir não uma estrela de nêutrons, mas um buraco negro. De fato, os astrônomos atribuem as GRBs longas a jatos colimados gerados por buracos negros em rotação. Os fatores que determinam se um núcleo estelar emitirá uma GRBs parecem ser a massa e velocidade de rotação de uma estrela no momento de sua morte.

Identificar disparos de curta duração se mostrou mais difícil. Apenas no ano passado alguns foram finalmente detectados pelos satélites HETE 2 e Swift. O Hubble e o Observatório Chandra de Raios X revelaram que a energia total liberada por esses disparos é menor do que a das GRB de longa duração, apesar de seus fótons serem mais energéticos. As GRBs curtas também ocorrem em uma variedade maior de galáxias, incluindo as elípticas, onde a formação de estrelas cessou. Aparentemente, elas surgem da fusão entre duas estrelas de nêutrons ou entre uma estrela de nêutrons e um buraco negro.
Bilhões de vezes mais tênue do que objetos vistos a olho nu, as galáxias distantes se espalham no Campo Ultraprofundo do Hubble
8 O Limite do Espaço
Um dos grandes objetivos da astronomia é entender o desenvolvimento das galáxias e suas precursoras até a época mais próxima possível do Big Bang. Para ter uma idéia do que a Via Láctea foi no passado, os astrônomos obtêm imagens de galáxias em vários estágios de evolução, da infância à velhice. Para isso, o Hubble produziu, em coordenação com outros observatórios, imagens de longa exposição de pequenos pedaços do céu - o Campo Profundo do Hubble, o Campo Ultraprofundo do Hubble e o Levantamento Profundo do Céu Primordial por Grandes Observatórios - para mostrar as galáxias mais distantes (e mais antigas).

Essas imagens supersensíveis revelaram galáxias que existiam quando o Universo tinha apenas algumas centenas de milhões de anos, cerca de 5% de sua idade atual. Essas galáxias eram menores e mais irregulares que as modernas, um resultado esperado se se supõe que as galáxias atuais resultaram da união de outras menores (e não da fragmentação de galáxias maiores). Penetrar mais ainda no passado é a principal meta do sucessor do Hubble, o Telescópio Espacial James Webb, atualmente em construção.

As observações do céu profundo também revelaram a variação na taxa de formação de estrelas no Universo como um todo ao longo do tempo cósmico. Essa taxa parece ter atingido um pico 7 bilhões de anos atrás e caído para 10% do pico desde então. Surpreendentemente, quando o Universo tinha somente 1 bilhão de anos, a taxa de formação de estrelas já era alta - cerca de um terço de seu valor de pico.
Estrelas variáveis cefeidas, como a da simulação, são o padrão com o qual as distâncias intergaláticas são calibradas
9 A Idade do Universo
Observações feitas por Edwin Hubble e outros na década de 20 mostraram que vivemos num Universo em expansão. As galáxias estão se afastando umas das outras num padrão sistemático, o que implica que o próprio tecido do espaço esteja se esticando. A constante de Hubble (H0) é uma medida da taxa atual de expansão, que é o parâmetro-chave para determinar a idade do Universo. O raciocínio é simples: H0 é o ritmo em que as galáxias estão se afastando umas das outras; portanto, negligenciando qualquer aceleração ou desaceleração, o inverso de H0 estabelece o tempo transcorrido desde que elas estiveram todas reunidas. O valor de H0 também tem um papel na formação das galáxias, na produção de elementos leves (hidrogênio e hélio) e na duração de certas fases da evolução cósmica. Não deveria surpreender, portanto, que desde o início a medição precisa da constante de Hubble fosse a principal meta do telescópio espacial homônimo.

Na prática, encontrar esse valor envolvia medir corretamente a distância até galáxias próximas - uma tarefa notoriamente difícil que produziu muita controvérsia durante todo o século XX. O telescópio realizou o estudo definitivo das variáveis cefeidas - estrelas cujas pulsações peculiares revelam seu brilho intrínseco e, com isso, sua distância - em 31 galáxias. O valor resultante de H0 tem precisão de cerca de 10%. Junto com medições do fundo cósmico de microondas, o valor da constante de Hubble indica uma idade de 13,7 bilhões de anos para o Universo.
Uma supernova distante, descoberta quando se compararam imagens obtidas em datas diferentes, ajudou a revelar a transição da desaleração para aceleração no Universo
O Universo Acelerado
Em 1998, duas equipes independentes de astrônomos soltaram uma notícia bomba: a expansão do Universo está se acelerando. Os astrônomos geralmente presumiam que ela deveria estar desacelerando, porque a atração gravitacional mútua entre as galáxias deveria frear sua separação. O motivo da aceleração é considerado o maior mistério da física atualmente. Uma hipótese provisória é a de que o Universo contém um constituinte até o momento não detectado conhecido como energia escura. Uma combinação de observações do fundo de microondas, de observatórios em terra e do Hubble, sugere que essa energia escura responde por três quartos da densidade de energia total do Universo.
A aceleração começou cerca de 5 bilhões de anos atrás. Antes disso a expansão do Universo estava desacelerando. Em 2004, o Hubble descobriu 16 supernovas distantes situadas nesse período crucial entre desaceleração e aceleração. Essas observações também impuseram restrições mais severas nas hipóteses sobre o que a energia escura poderia ser. A possibilidade mais simples (embora, de certa forma, mais misteriosa) é a de que exista uma forma de energia inerente ao próprio espaço, mesmo quando ele está vazio. No momento, nenhum outro instrumento é tão vital quanto o Hubble na busca por supernovas que possam elucidar a energia escura. Sua importância no estudo dessa hipotética energia é talvez a maior razão para os astrônomos pressionarem a Nasa a mantê-lo funcionando

Para conhecer mais

Hubble, 15 Anos de Descobertas. documentário em DVD disponível na Loja Duetto,http://www.lojaduetto.com.br

Artigos sobre esses tópicos publicados na SCIENTIFIC AMERICAN:

1 Comet Shoemaker-Levy 9 meets Jupiter. David H. Levy, Eugene M. Shoemaker e Carolyn S. Shoemaker, vol. 273, no 2, págs. 84-91, agosto de 1995.

2 Searching for shadows of other Earths. Laurance R. Doyle, Hans-Jörg Deeg e Timothy M. Brown, vol. 283, no 3, págs. 58-65, setembro de 2000.

3 Vida Comum, Morte Extraordinária. Bruce Balick e Adam Frank, SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL, agosto de 2004.

4 Fontes da Juventude. Thomas P. Ray, SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL, edição especial ESTRELAS.

6 Um Estranho Par Galáctico. Kimberly Weaver, SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL, agosto de 2003.

7 Explosões mais Fantásticas do Universo. Neil Gehrels, Luigi Piro e Peter J. T. Leonard, SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL, janeiro de 2003.

8 Galaxies in the Young Universe. F. Duccio Macchetto e Mark Dickinson, maio de 1997.

9 The Expansion Rate and Size of the Universe. Wendy L. Freedman, novembro de 1992.

10 Da desaceleração à aceleração. Adam G. Riess e Michael S. Turner, SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL, março de 2004.