Pergunte a Ethan: Por que nossos telescópios não conseguem encontrar o planeta X?
Esta renderização artística mostra a visão distante de um teórico 'Planeta Nove' ou 'Planeta X' de volta ao sol. Acredita-se que o planeta seja gasoso, mas menor que Urano e Netuno. Relâmpagos hipotéticos iluminam o lado noturno. (CALTECH/R. HURT (IPAC))
Podemos explorar os confins do Universo, mas não podemos nem completar nosso próprio quintal cósmico.
A história da astronomia tem sido uma história de retrocessos de horizontes. A invenção do telescópio nos levou além de nossas capacidades a olho nu, para milhões (e depois bilhões) de estrelas dentro de nossa própria Via Láctea. A aplicação da fotografia e da astronomia multi-comprimento de onda aos telescópios nos trouxe para além de nossa própria galáxia, para os distantes universos insulares que povoam todo o espaço que podemos acessar. No entanto, por tudo o que sabemos sobre o Universo distante, ainda pode haver mundos não descobertos em nosso próprio Sistema Solar. Por que é que? Joseph Cummens quer saber, perguntando:
Se os cientistas podem usar telescópios para caçar planetas, galáxias, exoplanetas, etc., então por que não podemos escanear nosso sistema solar em busca do indescritível Planeta X ou outros corpos celestes dentro de nosso sistema doméstico?
No que diz respeito ao universo, ainda temos um longo caminho a percorrer, mesmo em nosso próprio quintal.
Com base em seus parâmetros orbitais, a maioria dos objetos além de Netuno se enquadram em algumas categorias bem conhecidas, como o cinturão de Kuiper ou o disco disperso. Objetos destacados são raros, com Sedna talvez o objeto mais excepcional de todos, tanto por seu tamanho quanto por seus parâmetros orbitais. Fora de Netuno, mas ainda no cinturão de Kuiper, estão os objetos que são os remanescentes mais antigos e primitivos do período de formação de planetas em nosso Sistema Solar. Observe que a maioria desses objetos ainda não foi descoberta. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO EUROCOMMUTER)
Há uma palavra-chave que você precisa entender que coloca toda a questão em perspectiva: magnitude. Do ponto de vista astronômico, todo objeto tem um brilho intrínseco a ele, definido pela quantidade de luz que emite. Para um objeto como o nosso Sol, isso se deve à sua própria luminância, pois o Sol cria sua própria energia e a emite em todas as direções. Para um objeto como a nossa Lua, isso se deve à sua luminância refletida, pois reflete apenas a luz de outros objetos. A Lua não tem autoluminância própria.
Se você olhar para a Lua durante sua fase crescente, poderá realmente distinguir o sinal da superfície lunar que não é iluminada pelo Sol. Este não é um truque da atmosfera da Lua (já que praticamente não tem nenhum), mas é devido ao Earthshine: a luz do sol refletida da Terra para a Lua.
A lua crescente, quando aparece no céu, tem formato crescente porque é a porção iluminada pelo sol. O restante da Lua ainda é visível, no entanto, devido ao fenômeno de Earthshine, onde a luz solar refletida pela Terra pousa na Lua e é refletida de volta à Terra novamente. (NATIONAL RAILWAY MUSEUM/SSPL/GETTY IMAGES)
A diferença de brilho entre esses exemplos mostra quão extrema é a diferença entre a luminância refletida e a autoluminância.
Mas há outra coisa que é exemplificada pelas diferenças extremas de brilho entre o Sol e a Lua, a Lua e tudo o mais no céu noturno. A Lua não tem o direito de parecer mais brilhante do que todas as estrelas, planetas ou galáxias no céu com base em sua própria magnitude lamentável. Intrinsecamente, a Lua é o objeto mais fraco visível a olho nu em qualquer lugar da Terra. No entanto, parece mais brilhante do que tudo, exceto o Sol!
A razão para isso é que a Lua está tão próxima e esse brilho intrínseco não é o mesmo que o brilho observado – ou aparente.
A maneira como a luz do sol se espalha em função da distância significa que quanto mais longe você estiver de uma fonte de energia, a energia que você interceptar cai como um ao quadrado da distância. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO BORB)
Quanto mais distante um objeto estiver, menos brilhante ele aparecerá. Mas esta não é apenas uma regra geral que aplicamos, há uma relação quantitativa que nos permite determinar o quão brilhante ou fraco um objeto aparece com base em sua distância. Simplificando, o brilho diminui com o inverso da distância ao quadrado, ou b ~ 1/ r ².
Coloque um objeto duas vezes mais longe e ele aparecerá um quarto mais brilhante. Coloque-o dez vezes mais distante e ele parecerá apenas um centésimo mais brilhante. E coloque-o mil vezes mais longe de você do que começou, e ele parecerá apenas um milionésimo mais brilhante do que era inicialmente.
Para qualquer objeto que emite luz própria, esses dois fatores determinam o brilho aparente de um objeto: o brilho intrínseco e a distância do observador.
Os telescópios refletores superaram os refratores há muito tempo, pois o tamanho que você pode construir um espelho supera em muito o tamanho para o qual você pode construir uma lente de qualidade semelhante. Mesmo que pegássemos todos os telescópios da Terra e os dedicássemos a tentar descobrir outros mundos no Sistema Solar, não conseguiríamos pegar todos eles. (OS OBSERVATÓRIOS DA CARNEGIE INSTITUTION FOR SCIENCE COLLECTION NA HUNTINGTON LIBRARY, SAN MARINO, CALIF.)
Esses dois fatores são, sem dúvida, os dois maiores a serem considerados quando determinamos que tipo de telescópio construir. Quer ver algo mais fraco? Você precisará coletar mais luz, o que significa construir um telescópio maior ou observar a mesma parte do céu por mais tempo.
Se dinheiro e engenharia não fossem levados em consideração, você optaria sempre pelo telescópio maior. Construa seu telescópio duas vezes maior e você não apenas coletará quatro vezes mais luz, mas também dobrará sua resolução. Para coletar quatro vezes mais luz observando por mais tempo, você precisa gastar quatro vezes mais tempo e não obter essa vantagem na resolução.
Os maiores telescópios que temos são capazes de visualizar objetos com a maior resolução possível e resolver seus detalhes no menor tempo possível.
Este diagrama mostra o novo sistema óptico de 5 espelhos do Extremely Large Telescope (ELT) do ESO. Antes de chegar aos instrumentos científicos, a luz é refletida primeiro do espelho primário segmentado côncavo gigante de 39 metros do telescópio (M1), depois reflete em mais dois espelhos de classe de 4 metros, um convexo (M2) e um côncavo (M3). Os dois espelhos finais (M4 e M5) formam um sistema de óptica adaptativa integrado para permitir que imagens extremamente nítidas sejam formadas no plano focal final. Este telescópio terá mais poder de captação de luz do que qualquer outro telescópio da história. (ISSO)
Há também a consideração do campo de visão. Qual é o seu objetivo? É para ver o objeto mais fraco possível? Ou é para ver a maior quantidade possível do Universo?
Há uma troca a fazer. Seu telescópio pode coletar uma certa quantidade de luz, e pode fazer isso visualizando uma pequena região com grande precisão ou uma grande região com menor precisão. Assim como um microscópio pode dobrar sua ampliação reduzindo pela metade o diâmetro de seu campo de visão, um telescópio pode ver mais profundamente em uma região do Universo estreitando seu campo de visão.
Diferentes telescópios são otimizados para diferentes propósitos. A troca é severa, no entanto. Se quisermos ir o mais fundo possível, só podemos fazê-lo em uma pequena região do céu.
Várias campanhas de longa exposição, como o Hubble eXtreme Deep Field (XDF) mostrado aqui, revelaram milhares de galáxias em um volume do Universo que representa uma fração de um milionésimo do céu. Mas mesmo com todo o poder do Hubble e toda a ampliação das lentes gravitacionais, ainda existem galáxias além do que somos capazes de ver. (NASA, ESA, H. TEPLITZ E M. RAFELSKI (IPAC/CALTECH), A. KOEKEMOER (STSCI), R. WINDHORST (ARIZONA STATE UNIVERSITY) E Z. LEVAY (STSCI))
Este é o Hubble eXtreme Deep Field. Uma pequena região do espaço foi fotografada, em uma variedade de comprimentos de onda, por um total de 23 dias. A quantidade de informações reveladas é de tirar o fôlego: encontramos 5.500 galáxias neste pequeno pedaço de céu. Os objetos mais fracos nesta mancha são literalmente um fator de 10.000.000.000 (dez bilhões) de vezes mais fracos do que o que você pode ver no limite de seu olho nu.
Devido ao seu espelho de grande diâmetro, suas observações em uma variedade de comprimentos de onda, sua localização no espaço, bem como sua alta ampliação e pequeno campo de visão, o Hubble pode revelar as galáxias mais fracas já descobertas. Mas há um custo: essa imagem, que levou 23 dias de dados para ser criada, abrange apenas 1/32.000.000 do céu.
Esta visão comprimida de todo o céu visível do Havaí pelo Observatório Pan-STARRS1 é o resultado de meio milhão de exposições, cada uma com cerca de 45 segundos de duração. Uma pesquisa de campo tão amplo quanto o Pan-STARRS poderia descobrir dezenas de milhares de objetos do Cinturão de Kuiper, mas precisaria ver objetos mais fracos do que o Pan-STARRS é capaz de ver. (DANNY FARROW, CONSÓRCIO DE CIÊNCIAS PAN-STARRS1 E INSTITUTO MAX PLANCK DE FÍSICA EXTRATERRESTRE)
Por outro lado, você pode ter uma visão como esta. Isso foi criado com o telescópio Pan-STARRS, que vê todo o céu visível várias vezes todas as noites a partir de sua localização aqui na Terra. É comparável em tamanho ao Telescópio Espacial Hubble, mas é otimizado para imagens de campo amplo, optando por valorizar a cobertura do céu sobre a ampliação.
Como resultado, pode revelar objetos localizados praticamente em qualquer lugar do céu; apenas a região do pólo sul extremo é cortada devido à localização do telescópio no hemisfério norte. Pan-STARRS, que significa Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System, captura cerca de 75% do céu e é ótimo para detectar mudanças entre pontos de luz. Ele pode encontrar cometas, asteróides, objetos do cinturão de Kuiper e mais como nenhum outro. Mas ele só pode encontrar objetos que são milhares de vezes mais brilhantes do que os mais fracos que o Hubble pode detectar.
Embora Sedna tenha sido descoberto em 2003, apenas um outro objeto, 2012 VP113 (mostrado aqui), foi descoberto que é classificado como um Sednoide e que possivelmente se origina da nuvem de Oort interna. Algumas pessoas preferem a hipótese do Planeta Nove, mas isso é um desafio para Sedna. (SCOTT S. SHEPPARD/CARNEGIE INSTITUTION FOR SCIENCE)
Por mais que gostaríamos, não podemos simplesmente pesquisar todo o Sistema Solar externo na magnitude necessária para descobrir tudo o que está lá fora. Uma pesquisa super-profunda, super-fraca e de todo o céu provavelmente nunca será uma possibilidade devido a limitações tecnológicas; podemos ser fracos e estreitos ou brilhantes e amplos, mas não ambos, simultaneamente.
Há também mais um fator limitante que remonta ao início: esses objetos estão apenas refletindo a luz do sol. Se você olhar para o Sistema Solar externo em dois objetos idênticos, mas um está duas vezes mais distante que o outro, na verdade é apenas um décimo sexto tão brilhante. Isso ocorre porque, quando a luz do sol atinge o objeto mais distante, é apenas um quarto do brilho, mas essa luz refletida precisa viajar o dobro da distância de volta aos nossos olhos, fazendo com que o brilho aparente geral caia à medida que b ~ 1/ r ⁴. Mesmo se tivéssemos um mundo do tamanho de Júpiter localizado na Nuvem de Oort, ainda não o teríamos encontrado.
Muito além do Sol e dos planetas do nosso Sistema Solar, existe o Cinturão de Kuiper. No entanto, além disso, há uma série de outros objetos com propriedades orbitais muitas vezes bizarras e confusas por aí. Esperamos, em breve, descobrir a explicação correta de por que eles são do jeito que são. (LABORATÓRIO DE FÍSICA APLICADA DA JOHNS HOPKINS UNIVERSITY/INSTITUTO DE PESQUISA DO SUDOESTE (JHUAPL/SWRI))
Temos muitos telescópios capazes de ver objetos incrivelmente fracos, mas precisamos saber para onde apontá-los. Temos muitos telescópios capazes de pesquisar grandes áreas do céu, mas eles só podem ver os objetos mais brilhantes; os fracos estão fora de alcance. E para objetos em nosso próprio Sistema Solar, porque refletem a luz solar em vez de emitir sua própria luz autogerada, eles não podem ser vistos por nenhum telescópio moderno se estiverem localizados além de uma certa distância.
Tal como acontece com todas as coisas, a digitalização que podemos fazer é poderosa, interessante e educacional. Ele revelou milhares e milhares de objetos dentro do nosso próprio Sistema Solar, de planetas a luas, asteroides, objetos do cinturão de Kuiper e muito mais. Mas à medida que a tecnologia do telescópio e a cobertura do céu melhoram, vemos apenas objetos menores, mais fracos e mais distantes. Ultrapassamos os limites, mas nunca os removemos. A ciência da astronomia é uma história de horizontes recuando. Mas não importa o quão fundo vamos, sempre haverá um limite para o que podemos observar.
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Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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