• Começa Com Um Estrondo

Astrônomos para a NASA: Por favor, construa este telescópio!

O projeto conceitual do telescópio espacial LUVOIR o colocaria no ponto L2 Lagrange, onde um espelho primário de 15,1 metros se desdobraria e começaria a observar o Universo, trazendo-nos incontáveis ​​riquezas científicas e astronômicas. Do Universo distante às menores partículas, às temperaturas mais baixas e muito mais, as fronteiras da ciência fundamental são indispensáveis ​​para viabilizar as fronteiras da ciência aplicada de amanhã. (EQUIPE DE CONCEITO DA NASA / LUVOIR; SERGE BRUNIER (FUNDO))

Se você quer encontrar vida no Universo, é assim que você faz.

Quando se trata de descobrir as verdades definitivas sobre a realidade, só podemos colher o que plantamos. Sem um colisor de partículas de ponta como o Large Hadron Collider do CERN, nunca teríamos descoberto o bóson de Higgs. Sem as incríveis sensibilidades alcançadas pelos detectores de ondas gravitacionais, como LIGO e Virgo, nunca teríamos detectado ondas gravitacionais diretamente. E sem um telescópio espacial revolucionário como o Hubble, a esmagadora maioria do Universo – que desde então nos foi revelado em detalhes requintados – teria permanecido obscuro.

Em nossa busca para entender o Universo ao nosso redor, sempre buscamos extrair o máximo de ciência possível de quaisquer ferramentas que escolhemos construir. A cada 10 anos, toda a comunidade astrofísica se reúne para apresentar suas recomendações sobre quais projetos seriam de maior benefício científico para a área: parte de um pesquisa decenal realizada pelas Academias Nacionais . Essas pesquisas nos trouxeram algumas das missões mais emblemáticas da história e ajudaram a avançar a ciência como nunca. Em apenas alguns meses, eles divulgarão sua decisão sobre as recomendações para as quatro missões astrofísicas que foram finalistas. Com os resultados ainda a serem revelados, há um observatório proposto que todos deveriam conhecer: LUVOIR. Se você já sonhou em saber as respostas para as maiores perguntas de todas, este é o único telescópio que absolutamente devemos construir. Aqui está o porquê.

O Telescópio Espacial Hubble, fotografado durante sua última e última missão de manutenção. Embora não tenha sido atendido em mais de uma década, o Hubble continua a ser o principal telescópio ultravioleta, óptico e infravermelho próximo da humanidade no espaço, e nos levou além dos limites de qualquer outro observatório espacial ou terrestre. (NASA)

Nos últimos 31 anos, o Hubble da NASA realmente mostrou para nós do que um observatório espacial de ponta é capaz. Muito acima da atmosfera da Terra, o Hubble:

• não precisa mais lidar com o dia e a noite, pois pode observar continuamente o espaço,
• nunca precisa se preocupar com nuvens, ar turbulento, mau tempo ou desastres naturais,
• sempre pode alcançar resoluções comparáveis ​​ao limite óptico teórico,
• pode observar em todos os comprimentos de onda ultravioleta, óptico e infravermelho, sem nunca ter que se preocupar com moléculas na atmosfera atrapalhando,
• e pode observar o mesmo pedaço de céu, várias vezes, e simplesmente empilhar as observações para ver mais longe do que nunca.

Na verdade, o fator limitante para o equipamento do Hubble – a razão pela qual ele não pode observar comprimentos de onda maiores que 2 mícrons, ou cerca de três vezes o limite da visão humana – é porque ele é aquecido pelo Sol. Assim como as câmeras infravermelhas revelam fontes de calor, o interior do Hubble é quente demais para ser observado em comprimentos de onda infravermelhos médios e distantes.

As vistas de comprimento de onda de luz visível (L) e infravermelho (R) do mesmo objeto: os Pilares da Criação. Observe o quanto o gás e a poeira são mais transparentes para a radiação infravermelha e como isso afeta o fundo e as estrelas interiores que podemos detectar. Essas visualizações infravermelhas são limitadas pela temperatura do Hubble: sem um telescópio mais frio, ele não pode medir a luz de comprimento de onda mais longo. (EQUIPE DE PATRIMÔNIO DA NASA/ESA/HUBBLE)

A outra grande limitação do Hubble é seu campo de visão estreito. Mesmo com a câmera mais avançada já instalada, a Advanced Camera for Surveys/Wide Field Camera 3, ela só pode atingir resoluções de aproximadamente 8 megapixels. Quando você leva em conta o tamanho do espelho e a distância focal do Hubble - propriedades ópticas que são uma segunda natureza para os astrônomos - ele pode resolver objetos com resoluções angulares de apenas 0,04 segundos de arco, ou apenas um nonagésimo milésimo de grau. Se você colocar o Telescópio Espacial Hubble em Nova York, ele poderia resolver dois vaga-lumes separados em Tóquio se eles estivessem separados por apenas 3 metros (10 pés).

Isso torna o Hubble excelente em fazer observações profundas e de alta resolução no ultravioleta, óptico e infravermelho próximo, em pequenos campos de visão. Várias campanhas de observação, como Hubble Deep Field, Ultra Deep Field e eXtreme Deep Fields, aproveitaram esses recursos para revelar o que está lá fora no abismo do espaço profundo: milhares e milhares de galáxias em pequenas regiões do espaço que cobrem meras frações de um milionésimo do céu.

O Hubble eXtreme Deep Field (XDF) pode ter observado uma região do céu apenas 1/32.000.000 do total, mas foi capaz de descobrir 5.500 galáxias dentro dele: cerca de 10% do número total de galáxias realmente contidas neste fatia estilo lápis-feixe. Os 90% restantes das galáxias são muito fracos ou muito vermelhos ou muito obscurecidos para o Hubble revelar. (EQUIPES HUDF09 E HXDF12 / E. SIEGEL (PROCESSAMENTO))

No entanto, mesmo em toda a extensão de suas capacidades – mesmo com o equivalente a um mês de observação contínua – o Hubble ainda pode ver apenas cerca de 10% das galáxias que estão lá fora. A maioria deles é uma combinação de:

• muito pequeno,
• muito fraco,
• muito distante,
• e muito obscurecido por átomos neutros,

para ser visto pelo Hubble. Além disso, mesmo a maioria das galáxias reveladas são pouco mais do que alguns pontos, já que o Hubble é muito pequeno em tamanho, com muito pouco poder de resolução, para revelar detalhes adicionais. De muitas maneiras, o Hubble representa o maior esforço astronômico já realizado por nossa civilização, mas também é fundamentalmente limitado.

Na próxima década, a partir do final deste ano, dois observatórios espaciais adicionais da NASA serão lançados: o Telescópio Espacial James Webb, que é maior, mais frio e pode trabalhar com comprimentos de onda muito maiores do que o Hubble, e o Telescópio Nancy Roman, que é muito semelhante ao Hubble, exceto com recursos de campo amplo e câmeras muito mais poderosas e de última geração.

O Hubble Ultra-Deep Field, mostrado em azul, é atualmente a maior e mais profunda campanha de longa exposição realizada pela humanidade. Para a mesma quantidade de tempo de observação, o Telescópio Romano Nancy Grace será capaz de capturar imagens da área laranja exatamente na mesma profundidade, revelando mais de 100 vezes mais objetos do que os presentes na imagem comparável do Hubble. (NASA, ESA, E A. KOEKEMOER (STSCI); AGRADECIMENTO: PESQUISA DIGITIZADA DO CÉU)

Esses observatórios começarão a abordar algumas das questões que o Hubble não pode responder. Com seu enorme guarda-sol, sua localização muito além da Terra e da Lua, seu refrigerante ativo a bordo e seu enorme espelho primário de 6,5 metros revestido de ouro, James Webb superará o Hubble em muitas frentes. Em vez de ~ 2 mícrons, ele pode observar comprimentos de onda de até ~ 30 mícrons, revelando um enorme conjunto de detalhes científicos que o Hubble não pode. Desde as primeiras estrelas e galáxias mais distantes até detalhes sobre a formação de planetas e a composição atmosférica dos planetas semelhantes à Terra mais próximos em torno das menores estrelas, este observatório é realmente o próximo salto para a astronomia baseada no espaço.

O Telescópio Romano Nancy, por outro lado, será amplo, largo e tão profundo quanto o Hubble. Com suas visualizações de campo amplo, cada observação coletará 300 megapixels de dados em comparação com o Hubble 8, permitindo que pesquisas grandes, profundas e de campo amplo sejam feitas em apenas uma pequena fração do tempo. Roman brilhará mais quando se trata de observar projetos como os que criaram os Campos da Fronteira do Hubble ou que criaram imagens da galáxia de Andrômeda. Em vez de meses de observação, Roman poderia fazê-lo em poucas horas.

As listras e arcos presentes em Abell 370, um aglomerado de galáxias distante cerca de 5 a 6 bilhões de anos-luz de distância, são algumas das evidências mais fortes de lentes gravitacionais e matéria escura que temos. As galáxias com lentes são ainda mais distantes, com algumas delas constituindo as galáxias mais distantes já vistas. Este cluster, parte do programa Hubble Frontier Fields, pode ser fotografado em menos de 1% do tempo que o Hubble levou para fazê-lo com o LUVOIR. (NASA, ESA/HUBBLE, HST FRONTIER FIELDS)

Mas mesmo com esses avanços, ainda há perguntas para as quais queremos respostas – questões grandes, importantes e até existenciais – que ficarão sem resposta. Mesmo com Webb e Roman, a maioria das galáxias do Universo, mesmo em uma pequena e estreita região do espaço, permanecerá indescritível. A maioria das galáxias que vemos ainda, infelizmente, terá apenas alguns pixels de diâmetro, com estrutura quase imperceptível. E, talvez o mais importante, eles não terão as capacidades finais de um observatório baseado no espaço: a capacidade de visualizar diretamente planetas do tamanho da Terra em torno de estrelas semelhantes ao Sol e identificar quais podem não apenas ter assinaturas para a vida, mas pode realmente ser habitada.

Há um telescópio que foi projetado que poderia realizar tudo isso, e é um dos quatro finalistas para determinar qual será o plano da NASA para missões emblemáticas de astrofísica para a década de 2030: LUVOIR .

O Telescópio Espacial Hubble (à esquerda) é o nosso maior observatório na história da astrofísica, mas é muito menor e menos poderoso que o próximo James Webb (centro). No entanto, para obter a resolução e o contraste necessários para determinar o conteúdo atmosférico de um planeta do tamanho da Terra em torno de uma estrela da classe M como TOI 700 localizada a cerca de 100 anos-luz de distância, um telescópio mais poderoso, como o observatório LUVOIR proposto , será necessário. (MATT MOUNTAIN / AURA)

O que é LUVOIR?

É o eu mau você ltra V ioleta, OU óptico, e eu nfra R telescópio ed. Basicamente, você deve imaginar uma versão dos maiores telescópios terrestres funcionais que temos em operação hoje – telescópios como os de Observatório Keck ou o Grande Telescópio ILHAS CANÁRIAS — equipando-o com os melhores instrumentos que a tecnologia moderna pode oferecer e lançando-o ao espaço. Isso é LUVOIR.

Em termos do que o LUVOIR nos trará, é difícil exagerar o quão poderoso seria um observatório como esse. Certo, suas especificações técnicas são impressionantes , mas o que é realmente impressionante é como isso ajudará a responder algumas das maiores perguntas que temos sobre o Universo hoje.

O ‘Planeta Nove’ é real? A ciência ainda é incerta. Mas, se existir, a maioria dos telescópios terrestres ou mesmo os telescópios espaciais atuais/futuros mal serão capazes de visualizar um único pixel dele. Mas o LUVOIR será capaz, mesmo à sua grande distância, de revelar estruturas intrincadas na superfície do mundo. (EQUIPE DE CONCEITO DA NASA / LUVOIR)

1.) Existem planetas habitados nas proximidades? Observe o uso dessa palavra: habitado. Não estamos falando de procurar mundos potencialmente habitáveis, nem mundos com bio-dicas ou bio-assinaturas, nem palavras que possam um dia ser o lar de humanos. Estamos falando do grande problema: descobrir se os planetas semelhantes à Terra mais próximos realmente têm vida neles. E não estamos falando de um ou dois planetas próximos, mas dezenas e potencialmente até centenas.

Não apenas poderemos visualizar diretamente esses mundos com o LUVOIR, mas também determinar:

• que fração deles é coberta em continentes vs. oceanos,
• quais são as propriedades e a cobertura das nuvens nesses planetas,
• se suas terras se acumulam verde, marrom e gelo com a mudança das estações,
• de que são feitas suas atmosferas,
• se há alguma evidência de oxigênio, nitrogênio, metano, dióxido de carbono ou mesmo moléculas complexas,
• e o que tudo isso significa para a existência de vida nesses mundos.

Como disse o cientista do LUVOIR, Jason Tumlinson, ele poderia explorar dezenas de planetas semelhantes à Terra e analisar suas atmosferas. Detectar um exoplaneta mostrando sinais de vida seria uma descoberta no nível de Newton, Einstein, Darwin, mecânica quântica, expansão de Hubble – você escolhe. LUVOIR é o primeiro telescópio projetado desde o início para este propósito revolucionário.

Uma visão simulada da mesma parte do céu, com o mesmo tempo de observação, tanto com o Hubble (L) quanto com a arquitetura inicial do LUVOIR (R). A diferença é de tirar o fôlego e representa o que a ciência em escala de civilização pode oferecer. (G. SNYDER, STSCI /M. POSTMAN, STSCI)

2.) A capacidade de finalmente revelar quase tudo dos objetos que Hubble, Webb e Roman vão ignorar . Com o tamanho, recursos ópticos e instrumentação inovadora do LUVOIR, ele ultrapassará todos os limites anteriores em termos do que pode descobrir. O salto do Hubble, no limite absoluto dos objetos mais fracos no eXtreme Deep Field, para o LUVOIR revelará objetos 40 vezes mais fracos do que podemos ver atualmente. Esse é o mesmo salto de grandes telescópios terrestres para o Hubble, ou de uma exposição de 30 segundos com um telescópio de 2 metros para uma exposição durante toda a noite com os maiores telescópios atualmente no mundo.

• Isso revelará galáxias menores e mais fracas em maior número e a distâncias maiores do que qualquer outro observatório de todos os tempos.
• Ele descobrirá um número maior de objetos menores, mais fracos e mais distantes em nosso Sistema Solar do que qualquer outro observatório já construído, combinado.
• Ele vai tirar imagens dos planetas exteriores que são tão boas quanto as imagens tiradas pela Voyager 1 e 2 quando viajaram fisicamente para lá, e pode fazê-lo a qualquer momento que escolhermos.
• Ele encontrará, medirá e caracterizará estrelas individuais mais fracas e mais distantes do que nunca, incluindo um número sem precedentes em galáxias a mais de um bilhão de anos-luz de distância.

Basicamente, se você estiver procurando por objetos que são fracos, distantes, pequenos ou difíceis de caracterizar, o LUVOIR não apenas o encontrará se você souber onde procurar, mas também pode dizer muito mais sobre seus detalhes do que qualquer outro ferramenta.

Uma imagem simulada do que o Hubble veria para uma galáxia distante em formação de estrelas (L), versus o que um telescópio de classe de 10 a 15 metros como o LUVOIR veria para a mesma galáxia (R). O poder astronômico de tal observatório seria inigualável por qualquer outra coisa: na Terra ou no espaço. O LUVOIR, como proposto, poderia resolver estruturas tão pequenas quanto ~ 1.000 anos-luz de tamanho para cada galáxia no Universo. (NASA / GREG SNYDER / EQUIPE DE CONCEITO LUVOIR-HDST)

3.) Qual é a aparência de qualquer galáxia no Universo, em detalhes? Imagine ser capaz de apontar seu telescópio para qualquer galáxia do Universo – um objeto tipicamente com cerca de 100.000 anos-luz de diâmetro – e não importa o quão longe esteja, ainda ser capaz de ver características tão pequenas quanto ~ 300 anos-luz de diâmetro . Para uma galáxia do tamanho da Via Láctea, não importa quão distante esteja de nós, o LUVOIR a mostraria com pelo menos 400 pixels de diâmetro, contendo mais de 120.000 pixels de informações úteis e luminosas em cada quadro.

A mesma galáxia, se fosse fotografada com o Hubble na mesma quantidade de tempo, conteria apenas 0,06% da informação contida em uma imagem LUVOIR, com resolução e poder de captação de luz muito inferiores. Poderíamos aprender:

• como cada galáxia que medimos gira,
• quais regiões em cada galáxia estão formando estrelas ativamente,
• qual é a distribuição de gás e poeira em cada galáxia,
• o que as galáxias satélites e anãs estão fazendo a bilhões de anos-luz,

e muito mais. De objetos dentro do nosso Sistema Solar a exoplanetas, estrelas, galáxias e as maiores estruturas cósmicas de todas, LUVOIR responderia às maiores perguntas que temos sobre nosso Universo. Tudo o que temos a fazer, para realizar nossos sonhos de saber o que está lá fora no Universo, é escolher construí-lo.

Lynx, como um observatório de raios-X de próxima geração, servirá como o complemento final para os telescópios ópticos da classe de 30 metros que estão sendo construídos no solo e observatórios como James Webb e WFIRST no espaço. O Lynx terá que competir com a missão Athena da ESA, que possui um campo de visão superior, mas o Lynx realmente brilha em termos de resolução angular e sensibilidade. Ambos os observatórios podem revolucionar e ampliar nossa visão do Universo de raios-X. (PESQUISA DECADAL DA NASA / RELATÓRIO PROVISÓRIO LYNX)

Devemos os maiores observatórios espaciais da história a pesquisas de décadas realizadas no passado recente. Eles nos trouxeram telescópios como Hubble, Spitzer (infravermelho), Chandra (raios-X) e também nos trarão os próximos telescópios Webb e romanos. O pesquisa decada atual , que traça o rumo do futuro da astronomia no espaço, tem quatro opções excelentes, mas apenas uma tem o poder de revelar se dezenas ou mesmo centenas de mundos potencialmente habitáveis ​​são, de fato, habitados: LUVOIR. É o único observatório que pode revolucionar a astronomia repetidas vezes, possivelmente pelo resto do século XXI.

Mas a esperança final é que não apenas construamos o LUVOIR – a melhor das opções atuais – mas uma série de observatórios, um após o outro, que cobrirão diferentes comprimentos de onda e trabalharão para complementar um ao outro. Origins, um telescópio infravermelho distante , é ideal para medir detalhes sobre planetas e estrelas ainda em processo de formação. Lynx, um telescópio de raios-X , poderia revelar detalhes sobre buracos negros, estrelas de nêutrons e galáxias em colisão que nada mais pode ver. Até HabEx, uma missão otimizada para exoplanetas inferior ao LUVOIR em todos os sentidos, poderia ser lançado em uma escala de tempo muito menor, tornando-se uma opção atraente.

Como disse o chefe da divisão de astrofísica da NASA, Paul Hertz, quero que todas essas missões voem. Acho que devemos fazê-los todos; a pesquisa decadal deve me dizer qual fazer primeiro .

Embora o HabEx seja um observatório astronômico de qualidade para todos os fins, prometendo muita boa ciência dentro do nosso Sistema Solar e do Universo distante, seu verdadeiro poder será a imagem e caracterização de mundos semelhantes à Terra em torno de estrelas semelhantes ao Sol, o que deve ser capaz de fazer por centenas de planetas próximos ao nosso próprio Sistema Solar. No entanto, ainda não terá os recursos do LUVOIR. (CONCEITO HABEX / FUNDAÇÃO SIMONS)

Quando as Academias Nacionais divulgarem suas recomendações em apenas algumas semanas, a grande esperança dos astrônomos é que pelo menos três dessas missões sejam escolhidas para avançar, com o LUVOIR, o observatório espacial mais poderoso e ambicioso já proposto, como o escolha superior. Se queremos respostas definitivas para as maiores perguntas de todas, é preciso um grande esforço e um investimento substancial. Considerando que a recompensa é saber que há vida naquele planeta, orbitando outra estrela, bem ali, fica claro que o LUVOIR é o único telescópio que todos devemos nos unir para construir.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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