As pessoas estão acostumadas com as impressionantes imagens visuais tomadas por telescópios como o Hubble ou os grandes telescópios do Havaí ou do Chile, mas talvez só tenham ouvido falar da radioastronomia por meio de filmes como "Contato".
Desde os anos 1930, quando os primeiros sinais de rádio do espaço foram detectados por Karl Jansky , os astrônomos usaram radiotelescópios para explorar o Universo, detectando ondas de rádio emitidas por uma ampla gama de objetos. Nosso Sol, a estrela mais próxima da Terra, é uma poderosa fonte de emissão de rádio, principalmente devido à proximidade do planeta, mas algumas fontes de rádio, que estão a milhões de anos de luz, são realmente colossais em termos de produção de rádio.
A radioastronomia progrediu em meados do século passado, com muitas grandes descobertas feitas em freqüências de rádio como a descoberta de pulsares por Dame Jocelyn Bell Burnell, uma estudante de pós-graduação trabalhando na Universidade de Cambridge enquanto estudante de Anthony Hewish, que continuou para dividir o Prêmio Nobel de Física com Martin Ryle, outro radioastrônomo notável em parte por essa descoberta.
Então, como funcionam os radiotelescópios?
Karl Jansky: pai da radioastronomia
Os radiotelescópios fornecem visões alternativas aos telescópios ópticos, podem detectar gás invisível e podem revelar áreas do espaço que podem ser obscurecidas pela poeira cósmica.
Ao contrário dos telescópios ópticos, que podem ser prejudicados pela nuvem ou pelas más condições climáticas da Terra, os radiotelescópios, que funcionam com sinais de maior comprimento de onda, podem ser usados até mesmo em céus nublados. O comprimento de onda mais longo das emissões de rádio significa que os radiotelescópios usados para detectá-los não precisam ser tão perfeitamente moldados quanto os seus equivalentes ópticos (mas ainda precisam ser precisos em torno de 1 mm em termos de precisão da forma do prato). para obter o mesmo nível de detalhe e resolução que seus primos ópticos, os radiotelescópios precisam ser muito maiores ou ter uma área de coleta muito maior, já que a luz tem um comprimento de onda muito menor. O maior radiotelescópio do mundo como um único prato, é o telescópio de Arecibo, que apareceu no filme “Contact”, e está localizado em uma cavidade natural em Porto Rico, na América do Sul.
Até mesmo a sede da Organização SKA, no Jodrell Bank, no Reino Unido, está mergulhada na história. Lar de um dos maiores radiotelescópios totalmente orientáveis existentes, o telescópio de 76 m da Lovell , que não só funcionou na detecção de emissões de rádio do espaço profundo, mas que também desempenhou um papel fundamental na grande corrida espacial da década de 1960 entre a Rússia eo Estados Unidos.
O telescópio do Jodrell Bank, batizado em homenagem a Sir Bernard Lovell, pioneiro da radioastronomia e pai fundador do banco Jodrell, rastreou tanto a primeira espaçonave “Sputnik” como também muitas das espaçonaves dos EUA e da era soviética em suas viagens. a Terra para a Lua e além.
Se pudéssemos olhar para o céu em comprimentos de onda de rádio com nossos próprios olhos, o que "veríamos"?
Impressão de como o céu noturno se parece em comprimentos de onda de rádio: (c) Observatório Nacional de Radioastronomia / Associated Universities, Inc. / National Science Foundation
Mesmo com o tamanho de abertura de 76m do Lovell e mais de 300 metros para os telescópios de Arecibo, a resolução dos telescópios ópticos ainda é muito superior. Para coincidir com a resolução você precisa de um radiotelescópio quilômetros de diâmetro, isso para um único prato é claramente impossível ou prático.
Com um único prato do tamanho de Arecibo, a limitação é de tamanho físico na estrutura. Este vasto telescópio, suspenso em uma tigela natural, tem movimento limitado no céu e capacidade limitada de apontar para certas regiões.
Também com uma abordagem de um único telescópio, você está apontando o seu telescópio em uma única fonte, o SKA tem como objetivo contornar isso pela simples escala de números e também usando tecnologia inteligente.
Mas a questão ainda permanece quanto à resolução vs telescópios ópticos, de modo a contornar essa limitação de tamanho, os radioastrônomos foram capazes de utilizar uma técnica conhecida como interferometria.
O que é a interferometria?
Os radiotelescópios (e, mais recentemente, os ópticos) podem ser usados individualmente ou podem ser interligados para criar um conjunto de telescópios conhecido como interferômetro. O SKA será um dos maiores interferômetros do mundo e, de longe, o mais sensível, abrangendo milhares de quilômetros. A maior parte dos telescópios será localizada em regiões centrais na África do Sul e na Austrália. Se todos os telescópios individuais que compunham o SKA fossem combinados em um prato de telescópio, seria equivalente a um que tenha um tamanho de quilômetro quadrado, daí o nome.
A resolução de um interferômetro não depende do diâmetro dos radiotelescópios individuais, mas da separação máxima entre eles.
Movendo-os ainda mais, aumenta a resolução angular (a capacidade do telescópio de resolver objetos menores no céu). Em um interferômetro, os sinais de todos os telescópios são então reunidos e processados por um correlacionador, que combina os sinais para efetivamente simular isso de um único telescópio muito maior. Com tantos telescópios neste SKA, não apenas a resolução angular, mas também a sensibilidade do telescópio será como nunca vista antes.
Quando concluído, o SKA ultrapassará a resolução de instrumentos ópticos como o Telescópio Espacial Hubble por algum fator.
Detectando o céu invisível
Os sinais de rádio passam direto através das nuvens e podem ser detectados por essas grandes antenas / receptores ou pelos receptores de rádio que são conhecidos. A faixa de freqüência de rádio cobre uma vasta faixa do espectro eletromagnético entre 30 MHz e 40 GHz, o que equivale a comprimentos de onda de 10 a 7 mm. O SKA observará em uma faixa de frequência de 50 MHz a 20 GHz, o que equivale a comprimentos de onda de 4 a 3 cm.
A física básica de como funciona a emissão de rádio.
Princípio na detecção de sinais de rádio do espaço é o átomo de hidrogênio
Emissão de rádio. Imagem: SKA Organization
O átomo de hidrogênio compreende um próton e um elétron. Embora não sejam estritamente pequenas esferas, tanto o elétron quanto o próton têm uma propriedade conhecida como 'spin'. Os spins das duas partículas podem ser alinhados ou alinhados. Se os spins do elétron e próton em um átomo de hidrogênio estiverem alinhados, o átomo terá um pouco mais de energia do que se os spins estiverem alinhados.
Um átomo de hidrogênio pode fazer uma transição do estado alinhado para o estado anti-alinhado. Ao fazê-lo, emite energia de rádio a um comprimento de onda de 21 cm ou uma frequência de 1420 MHz.
Por outro lado, para que o átomo faça a transição de anti-alinhado para alinhado, o átomo deve ser exposto a radiação de comprimento de onda de 21 cm, a partir da qual ele pode absorver energia de rádio.
Esta linha de 21cm, como é conhecida na radioastronomia, é fundamental para a radioastronomia e o mapeamento será fundamental para o funcionamento do SKA
Comparando visualizações
O céu visto em comprimentos de onda ópticos. Crédito: Axel Mellinger / NASA SkyVie
Na imagem acima, podemos ver uma visão óptica típica do céu, com nossa galáxia, a Via Láctea dominando o centro da imagem. Na imagem seguinte, tirada com um radiotelescópio, vemos as diferenças fundamentais (ainda que com alguma sobreposição) com a imagem ótica acima. Esta é uma imagem do mapa da linha de 21cm de todo o céu. São mapas como este que o SKA poderá produzir milhares de vezes mais rápido e com uma resolução mais alta do que qualquer outra pesquisa do céu foi capaz antes
O céu visto na freqüência de rádio de emissão de hidrogênio neutro (21cm / 1 420 MHz). Crédito: J.Dickey / NASA SkyView
Com a imagem abaixo, vemos uma gama de frequências com diferentes intensidades de emissão de rádio codificadas por cores, sendo o vermelho o mais forte e o azul o mais fraco. Como você pode ver, se você comparar isso com a imagem óptica acima, nossa própria galáxia, a Via Láctea é um emissor muito forte de ondas de rádio. Uma vez plenamente operacional no início de 2020, o SKA será o radiotelescópio mais poderoso, sensível e maior já construído.
O céu visto em uma freqüência de rádio de 408 MHz. Crédito: G. Haslam / MPIfR
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