Tecnologia Científica

Telescópios pequenos, grande ciência
Uma busca para abrir o céu infravermelho dinâmico começa
Por Whitney Clavin - 07/04/2021


O telescópio Gattini. Crédito: Caltech

Nossa galáxia, a Via Láctea, está repleta de poeira. As estrelas são essencialmente fábricas de poeira que infundem a galáxia com uma névoa de elementos empoeirados necessários para fazer planetas e até mesmo vida. Mas toda essa poeira pode dificultar a visualização do cosmos. Telescópios que detectam luz visível ou ótica não podem ver através da escuridão e, portanto, parte do que acontece no universo permanece envolto.

Felizmente para os astrônomos, a luz infravermelha, que tem comprimentos de onda maiores do que a luz óptica, pode passar despercebida pela poeira. Vários telescópios de detecção infravermelho, como o Telescópio Espacial Spitzer da NASA, tiraram proveito desse fato e revelaram muito do chamado céu infravermelho, incluindo planetas ocultos, estrelas, buracos negros supermassivos e muito mais. A próxima fronteira para astronomia infravermelha envolve observar como o céu infravermelho muda com o tempo, um esforço que Mansi Kasliwal (MS '07, PhD '11), professor assistente de astronomia na Caltech, se refere como a abertura do céu infravermelho dinâmico.

Para esse fim, Kasliwal planejou uma série de quatro pequenos telescópios infravermelhos baseados em terra que revelarão tudo, desde explosões de estrelas nunca antes vistas, asteróides e até mesmo contrapartes infravermelhas a colisões estelares que enviam ondas através do espaço e do tempo conhecidas como ondas gravitacionais .

O ambicioso plano começa com Palomar Gattini-IR , um instrumento robótico agora em operação no Observatório Palomar, e irá incluir dois instrumentos adicionais, chamados WINTER (Wide-field Infrared Transient Explorer) e DREAMS (Dynamic Red All-Sky Monitoring Survey) ambos em construção. A etapa final do plano é construir um instrumento destinado à Antártica, onde as temperaturas frias levam a visões ainda mais nítidas do céu infravermelho.

“Estamos mudando o jogo”, diz Kasliwal. "Estamos construindo pequenos telescópios que fazem grande ciência."

Palomar Gattini-IR, ou apenas Gattini para abreviar, refere-se à palavra italiana para gatinhos, gattini , e veio da colaboradora de Kasliwal, Anna Moore, professora de astronomia da Australian National University, que usava o termo para se referir casualmente a sua própria frota de pequenos telescópios na Antártica. "O nome pegou", explica Kasliwal. Palomar Gattini-IR tem estado ocupado digitalizando roboticamente os céus de seu poleiro em uma pequena cúpula no Observatório Palomar desde 2019 e já produziu alguns resultados interessantes.

Estrelas que explodem

Um artigo recente aceito no The Astrophysical Journal relata a primeira estimativa real do número de explosões de novas, ou novas, que ocorrem em nossa galáxia Via Láctea por ano (a resposta é cerca de 46). As Novae não são tão brilhantes quanto as supernovas, mas ainda assim poderosas e podem brilhar brevemente mais do que um milhão de sóis. Eles ocorrem quando uma anã branca, o núcleo queimado de uma estrela, extrai material suficiente de uma estrela companheira para causar uma explosão. Acredita-se que essas explosões semeiam nosso universo com muitos dos elementos que constituem nossa tabela periódica; na verdade, acredita-se que as novas sejam as principais produtoras de lítio em nossa galáxia.

Mas as novas podem ser difíceis de encontrar porque muitas vezes ficam dentro da faixa espessa e empoeirada de nossa Via Láctea. Estimativas anteriores da taxa de novas em nossa galáxia eram extremamente incertas, com apenas cerca de uma dúzia de novas descobertas a cada ano.

"Havia pouco consenso até agora sobre a taxa de novas em nossa galáxia", diz Kishalay De (MS '18), um estudante de graduação na Caltech e autor principal do estudo de Gattini sobre novas. "As novas podem ser escondidas atrás de enormes colunas de poeira, de modo que pesquisas ópticas não puderam encontrá-las."

Os resultados das novas demonstram o poder de uma pesquisa infravermelha como a de Gattini, que varre todo o céu do norte a cada duas noites. As novas descobertas eram "insanamente fáceis de detectar", de acordo com Kasliwal, porque elas brilham intensamente quando vistas em luz infravermelha.

"Este é realmente um estudo inovador", disse Allen Shafter, um especialista em nova na San Diego State University. "A poeira limita o alcance das pesquisas óticas de nova a um volume relativamente pequeno de espaço perto do sol. Como resultado, as estimativas óticas da taxa de nova galáctica exigem uma extrapolação grande e incerta da taxa de nova na vizinhança solar em toda a extensão de nossa galáxia, a Via Láctea. O novo estudo da nova infravermelha de Gattini aumentou muito o volume do espaço que pode ser pesquisado diretamente, reduzindo assim a extensão da extrapolação necessária e resultando em uma estimativa mais precisa da taxa de nova galáctica do que tem sido possível até agora. "

Um legado infravermelho

Caltech é um pioneiro no campo da astronomia infravermelha . Os professores de astronomia Gerry Neugebauer (PhD '60) e Robert Leighton (BS '41 e PhD '47) projetaram e construíram um dos primeiros telescópios infravermelhos do mundo . Mais tarde, Neugebauer e Tom Soifer (BS '68), o Harold Brown Professor of Physics, Emeritus, ajudaram a criar a primeira missão espacial para realizar uma missão de pesquisa infravermelha de todo o céu, chamada IRAS (Infrared Astronomical Satellite), que foi lançado em 1983 e levou à criação do Centro de Análise e Processamento de Infravermelho da Caltech, agora denominado simplesmente IPAC .

Outros projetos de infravermelho do IPAC incluem o 2MASS (Two Micron All-Sky Survey) baseado em solo, que fez a varredura de todo o céu de 1997 a 2001; O Telescópio Espacial Spitzer da NASA , um telescópio irmão do Telescópio Espacial Hubble que encerrou suas operações em 2020; e o WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) da NASA, agora chamado NEOWISE (Near-Earth Object WISE) e dedicado principalmente à busca de asteroides.

Esses levantamentos infravermelhos anteriores catalogaram milhões de asteroides, estrelas, galáxias e outros objetos nunca antes vistos, e tinham resoluções melhores do que Gattini, mas não varreram todo o céu tão rapidamente.

"Estamos fazendo uma grande parte do que o 2MASS fez todas as noites", diz De. "Gattini é o primeiro levantamento do céu infravermelho dinâmico, ou mutante. Trocamos a resolução por um amplo campo de visão que nos permite capturar regularmente todo o céu noturno." O telescópio de Gattini tem apenas 30 centímetros de tamanho, mas seu campo de visão é espantosos de 25 graus quadrados, 40 vezes maior do que qualquer telescópio infravermelho anterior ou atual.

"Caltech é um pioneiro tanto para astronomia infravermelha quanto para astronomia no domínio do tempo, então só faz sentido combinarmos as duas no primeiro levantamento infravermelho dinâmico do céu", disse Kasliwal. A astronomia no domínio do tempo refere-se a pesquisas noturnas do céu em mudança; Zwicky Transient Facility (ZTF) da Caltech é um instrumento chave neste campo em crescimento , mas ao contrário de Gattini, detecta luz óptica.

Do zero

O instrumento Gattini foi construído na Caltech por Kasliwal e sua equipe, incluindo alunos de graduação e pós-graduação. Ele foi instalado pela primeira vez na Palomar em 2018 e levou algum tempo para ser calibrado e configurado para funcionar automaticamente. "Deixamos o telescópio por conta própria para operar roboticamente", disse De. "Então, os dados caíram do céu para os nossos computadores, graças ao nosso pipeline de dados."

Um dos desafios na concepção de um instrumento de pesquisa como Gattini é o desenvolvimento de software. O software de Gattini analisa automaticamente enormes quantidades de dados para detectar mudanças no céu todas as noites. De passou seis meses desenvolvendo o software e o pipeline de dados para o projeto como parte de sua tese de doutorado.

"Essas técnicas de software são de importância primordial para os futuros telescópios baseados no espaço também", diz De, "porque elas removem o borrão causado pela atmosfera da Terra e, portanto, podem, em princípio, obter imagens extremamente nítidas."

Agora que o Gattini está instalado e funcionando, os astrônomos estão minerando seus dados para uso em vários projetos. Por exemplo, a professora de astronomia do Caltech, Lynne Hillenbrand, e sua equipe usaram os dados do instrumento para ajudar a descobrir uma rara estrela jovem estourando escondida por nuvens de poeira. O grupo de Hillenbrand já havia descoberto uma estrela semelhante com a ajuda do NEOWISE.

"Gattini pode detectar com exclusividade objetos que estão tão enterrados na poeira que não são vistos na luz visível, e que brilham tão rapidamente que apenas Gattini varre o céu rápido o suficiente para identificá-los", diz Hillenbrand.

"Gatinhos" de última geração

Os próximos planos de Kasliwal para abrir os céus infravermelhos dinâmicos são INVERNO e SONHOS. O WINTER, que atualmente está sendo construído no MIT sob a liderança do colaborador de Kasliwal, Rob Simcoe (PhD '04), um professor de física, está programado para iniciar as operações em Palomar no outono de 2021. DREAMS está sendo construído por uma equipe liderada por Moore está na Austrália e está programado para iniciar as operações no Observatório Siding Springs em 2022. Ambos os telescópios usarão detectores infravermelhos de última geração, mais eficientes do que os de Gattini.

A etapa final é construir um telescópio infravermelho na Antártica que aproveitará o ar frio. "O céu noturno é incrivelmente brilhante na luz infravermelha, mas é 40 vezes mais escuro na Antártica em comprimentos de onda infravermelhos, o que se deve em parte às baixas temperaturas", explica Kasliwal.

Outra razão para construir um telescópio de pesquisa no Pólo Sul é porque, junto com os do Norte, eles cobrirão todo o céu. "É sempre noite em algum lugar", diz ela.

Uma mina de ouro de um achado

Um dos sonhos de Kasliwal é ser capaz de identificar fusões cataclísmicas de estrelas de nêutrons, eventos dramáticos que produzem o que os astrônomos chamam de kilonovas. Essas explosões são ainda mais poderosas do que as novas e acredita-se que gerem uma quantidade significativa dos elementos mais pesados ​​do universo, incluindo ouro e platina. A equipe de Kasliwal identificou uma dessas explosões junto com outros grupos em 2017, quando o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) identificou pela primeira vez as ondas gravitacionais produzidas pela colisão. A ocasião marcou a primeira vez que ondas gravitacionais e luz foram detectadas no mesmo evento e ajudou a inaugurar o campo da astronomia de multimensageiros (onde ondas gravitacionais, luz e neutrinos são os mensageiros).

Desde então, o LIGO detectou dezenas de eventos adicionais de ondas gravitacionais, mas nenhum foi visto simultaneamente na luz. Kasliwal suspeita que isso pode ser devido ao fato de que kilonovas inerentemente produzem muito mais infravermelho do que luz óptica e, portanto, estão sendo perdidos por telescópios ópticos. Cada etapa do plano de Kasliwal - Gattini, WINTER, DREAMS e um futuro instrumento na Antártica - tem a capacidade de descobrir os kilonovas ocultos com sensibilidades crescentes. Também é possível que um dos telescópios consiga capturar uma tão procurada fusão de estrela de nêutrons e buraco negro, que poderia ser ainda mais luminosa na luz infravermelha do que colisões de estrelas de nêutrons.

“Há muito que se pode fazer com pequenos telescópios terrestres”, diz ela. "Nossas pequenas equipes são muito ágeis e permitem que nos divirtamos, corramos riscos e tentemos algo novo. Temos a liberdade de sonhar grande."

Palomar Gattini-IR é financiado pela Caltech, Australian National University, o Monte. Cuba Foundation, a Heising-Simons Foundation e a US-Israel Binational Science Foundation. O instrumento é um projeto colaborativo entre a Caltech, a Australian National University, a University of New South Wales, a Columbia University, a University of Chinese Academy of Sciences e o Weizmann Institute of Science.

 

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