• Começa Com Um Estrondo

É por isso que não podemos fazer toda a nossa astronomia do espaço

A renderização deste artista mostra uma visão noturna do Extremely Large Telescope em operação em Cerro Armazones, no norte do Chile. O telescópio é mostrado usando uma matriz de oito lasers de sódio para criar estrelas artificiais no alto da atmosfera e pode realizar tarefas que não podem ser realizadas no espaço. (ESO/L. CALÇADA)

Se arruinarmos o céu noturno com muita severidade, a astronomia terrestre poderá sofrer tremendamente. Eis por que o espaço não é substituto.

Há uma ameaça existencial à astronomia como a conhecemos, e vem da própria humanidade. Em duas frentes simultâneas, o céu noturno da Terra, visto da superfície, está sendo poluído como nunca antes. Nas últimas décadas, o crescimento das populações humanas, as áreas urbanas em expansão e os avanços tecnológicos, como a iluminação LED, levaram a uma explosão de poluição luminosa, onde céus verdadeiramente escuros se tornaram uma raridade crescente.

Ao mesmo tempo, o próximo advento de megaconstelações de satélites, onde redes de milhares a dezenas de milhares de satélites grandes e refletivos estão prestes a se tornar comuns no céu noturno, se traduzirá em centenas de objetos brilhantes e móveis visíveis. de qualquer local onde os telescópios são comuns. Se arruinarmos a Terra para a astronomia terrestre, não poderemos simplesmente substituí-los por observatórios espaciais por várias razões importantes. Aqui está o porquê.

Esta imagem compara duas vistas dos Pilares da Criação da Nebulosa da Águia tiradas com o Hubble com 20 anos de diferença. A nova imagem, à esquerda, captura quase exatamente a mesma região de 1995, à direita. No entanto, a imagem mais recente usa a Wide Field Camera 3 do Hubble, instalada em 2009, para capturar a luz do oxigênio brilhante, hidrogênio e enxofre com maior clareza. Ter as duas imagens permite que os astrônomos estudem como a estrutura dos pilares está mudando ao longo do tempo. (WFC3: NASA, ESA/HUBBLE E HUBBLE HERITAGE TEAM WFPC2: NASA, ESA/HUBBLE, STSCI, J. HESTER E P. SCOWEN (ARIZONA STATE UNIVERSITY))

Para começar, é absolutamente vital entender quais vantagens a astronomia tem do espaço em relação ao solo, porque os benefícios são enormes. Por um lado, nunca há diurno ou qualquer poluição luminosa para enfrentar; é sempre noite do espaço quando você aponta para longe do Sol. Você não precisa se preocupar com nuvens, clima ou turbulência atmosférica do espaço, enquanto na Terra você está basicamente olhando para o Universo do fundo de uma piscina gigante cheia de atmosfera.

Todos os fatores de confusão que precisam ser tratados na Terra, desde a absorção molecular e assinaturas de emissão como ozônio, sódio, vapor de água, etc., são eliminados indo para o espaço. Você pode observar em qualquer lugar que quiser, em todo o espectro eletromagnético, e não há atmosfera bloqueando sua visão. E pode obter campos de visão incomparavelmente grandes, amplos e precisos sem quaisquer desvios direcionais.

A transmitância ou opacidade do espectro eletromagnético através da atmosfera. Observe todas as características de absorção em raios gama, raios X e infravermelho, e é por isso que eles são melhor vistos do espaço. Em muitos comprimentos de onda, como no rádio, o solo (não poluído) é tão bom quanto, enquanto outros são simplesmente impossíveis. Embora a atmosfera seja principalmente transparente à luz visível, ela ainda distorce substancialmente a luz das estrelas. (NASA)

Em suma, suas visões do Universo são totalmente desobstruídas se você deixar os laços da Terra. Se você estiver disposto a ir um pouco mais longe - fora da órbita baixa da Terra e mais longe, como o ponto L2 Lagrange - você pode se refrescar tremendamente, evitar os sinais ruidosos originários da Terra e ainda responder a qualquer Comando emitido pela Terra em apenas 5 segundos: o tempo de viagem da luz da superfície da Terra até L2.

Não importa quais poluentes causemos na Terra, mesmo se perdermos todos os nossos céus escuros e nossa capacidade de rastrear e visualizar objetos do solo devido a um conjunto catastrófico de satélites, ainda teremos espaço para nos ajudar a alcançar nossos sonhos astronômicos . O que é bom, porque mesmo se tudo o que tivéssemos fossem os primeiros 12.000 satélites Starlink adicionados à mistura, é isso que o céu noturno ( abaixo ) pareceria aos astrônomos profissionais.

Mas a perda da astronomia terrestre, se não formos cuidadosos para preservar tanto a escuridão e nossa janela para o universo , será extraordinariamente prejudicial aos nossos esforços científicos mais cuidadosamente planejados. Em um momento da história em que estamos prestes a alcançar o passado distante e tênue mais longe e com maior precisão do que nunca, uma combinação de forças impensadas e descuidadas – sob o disfarce questionável do progresso humano – ameaça inviabilizar nossos sonhos de descobrindo o Universo.

Os planos de curto prazo da astronomia incluem telescópios grandes (classe de 10 metros) que estão sendo comissionados para realizar imagens diferenciais em todo o céu, procurando estrelas variáveis, eventos transitórios, objetos perigosos para a Terra e muito mais. Eles incluem os primeiros telescópios de classe de 30 metros do mundo, incluindo o GMT e o ELT. E, a menos que tenhamos cuidado, esses próximos observatórios de ponta podem nunca ser capazes de cumprir seus objetivos científicos.

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 e melhor resolução angular, até 0,005″, do que qualquer telescópio da história. (ESO)

Embora seja fácil apontar as maneiras pelas quais a astronomia baseada no espaço é superior à astronomia terrestre, ainda há vantagens substanciais que estar no solo oferece, e que os astrônomos continuam a aproveitar mesmo em uma era pós-Hubble. Podemos criar imagens, coletar dados e realizar investigações científicas que simplesmente não podem ocorrer apenas com observatórios espaciais.

Existem cinco métricas principais em que os observatórios terrestres devem sempre permanecer aos trancos e barrancos à frente dos baseados no espaço, e geralmente incluem:

• Tamanho,
• confiabilidade,
• versatilidade,
• manutenção,
• e capacidade de atualização.

Se pudermos manter nossos céus escuros, claros e desobstruídos, a astronomia terrestre certamente entrará em uma era de ouro à medida que o século 21 se desenrola. Aqui está o que é ótimo sobre o solo.

O Telescópio Gigante de Magalhães de 25 metros está atualmente em construção e será o maior novo observatório terrestre da Terra. Os braços de aranha, vistos segurando o espelho secundário no lugar, são especialmente projetados para que sua linha de visão caia diretamente entre as aberturas estreitas dos espelhos GMT. Este é o menor dos três telescópios da classe de 30 metros propostos, e é maior do que qualquer observatório espacial que tenha sido concebido. Ele deve ser concluído em meados da década de 2020 e incorporará óptica adaptativa como parte de seu design. (GIANT MAGELLAN TELESCOPE / GMTO CORPORATION)

1.) Tamanho . Simplificando, você pode construir um observatório terrestre maior, com um espelho primário maior, do que você pode construir ou montar no espaço. Há uma linha de pensamento comum (mas incorreta) de que, se gastássemos dinheiro suficiente na tarefa, poderíamos construir um telescópio tão grande quanto quiséssemos no solo e depois lançá-lo no espaço. Isso só é verdade até certo ponto: o ponto em que você precisa encaixar seu observatório no foguete que o está lançando.

O maior espelho primário alguma vez lançado ao espaço pertence ao Herschel da ESA, com um espelho de 3,5. James Webb será maior, mas isso se deve ao seu design segmentado único (e arriscado), e mesmo isso (a 6,5 ​​metros) não pode competir com os grandes telescópios terrestres que estamos construindo. O maior telescópio espacial já proposto, LUVOIR (com um design segmentado e uma abertura de 15,1 metros), ainda empalidece em comparação com o GMT de 25 metros ou o ELT de 39 metros. Na astronomia, o tamanho determina sua resolução e seu poder de captação de luz. Com a adição de óptica adaptativa, existem algumas métricas pelas quais o espaço é simplesmente não competitivo com o solo.

Esta fotografia de série temporal do lançamento do foguete Antares sem tripulação em 2014 mostra uma explosão catastrófica no lançamento, que é uma possibilidade inevitável para todo e qualquer foguete. Mesmo que pudéssemos alcançar uma taxa de sucesso muito melhor, o risco comparável de construir um observatório terrestre versus um observatório espacial é esmagador. (NASA/JOEL KOWSKY)

2.) Confiabilidade . Quando construímos um novo telescópio no solo, não há risco de falha no lançamento. Se houver um equipamento com defeito, podemos substituí-lo facilmente. Mas ir para o espaço é uma proposta de tudo ou nada. Se seu foguete explodir no lançamento, seu observatório, não importa quão caro ou sofisticado, será perdido. Você nunca saberá quais são os resultados do Orbiting Carbon Observatory da NASA, que foi projetado para medir como o CO2 se move pela atmosfera a partir do espaço, porque não conseguiu se separar do foguete e caiu no oceano 17 minutos após a decolagem.

Quanto maior a missão, maior o custo do fracasso. Em janeiro de 2018, o foguete que lançará o Telescópio Espacial James Webb, o Ariane 5 , sofreu uma falha parcial (isso seria catastrófico para Webb) após 82 sucessos consecutivos. O infame espelho defeituoso do Hubble só podia ser consertado porque estava ao nosso alcance. No espaço, você tem uma chance de sucesso por missão e 100% de confiabilidade nunca será alcançada.

Observatório Estratosférico da NASA para Astronomia Infravermelha (SOFIA) com as portas abertas do telescópio. Essa parceria conjunta entre a NASA e a organização alemã DLR nos permite levar um telescópio infravermelho de última geração para qualquer local da superfície da Terra, permitindo observar eventos onde quer que ocorram. (NASA/CARLA THOMAS)

3.) Versatilidade . Uma vez que você está no espaço, a gravidade e as leis do movimento praticamente fixam onde seu observatório estará em um determinado momento. Embora existam muitas curiosidades astronômicas que podem ser vistas de qualquer lugar, existem alguns eventos, muitos deles espetaculares, que exigem que você controle (com extrema precisão) onde estará localizado em um determinado momento.

Os eclipses solares são um desses fenômenos, mas as ocultações astronômicas oferecem uma oportunidade incrível que exige o posicionamento correto. Quando a lua de Netuno Tritão ou 486958 Arrokoth oculte uma estrela de fundo, podemos alavancar observatórios terrestres (e, em alguns casos, móveis) para controlar nossa posição com perfeição; quando Júpiter oculta um quasar, podemos usá-lo para medir a velocidade da gravidade .

Se pudéssemos colocar todos os nossos ovos na cesta do telescópio espacial, esses eventos ultra-raros deixariam de ser cientificamente significativos, pois não podemos controlar nossa posição e sua mudança ao longo do tempo do espaço como fazemos na Terra.

O Hubble usa uma física muito básica para se virar e olhar para diferentes partes do céu. Localizados no telescópio estão seis giroscópios (que, como uma bússola, sempre apontam na mesma direção) e quatro dispositivos de direção de giro livre chamados rodas de reação. (NASA, ESA, A. FEILD E K. CORDES (STSCI), E LOCKHEED MARTIN)

4.) Manutenção . Isso está na raiz de um problema de infraestrutura: você tem mais no terreno do que jamais terá no espaço. Se algum componente falhar ou se desgastar, você se contenta com o que tem no espaço ou gasta uma enorme quantidade de recursos para tentar consertá-lo. Acabou o refrigerante? Você precisa de uma missão. Giroscópios ou outros mecanismos apontadores se desgastam? Você precisa de uma missão. Tem um componente óptico que se degrada? Você precisa de uma missão. Falha do pára-sol? Atingido por um micrometeoro? Falha do instrumento? Curto elétrico? Ficar sem combustível? Você tem que enviar uma missão de serviço.

Mas do chão, você pode ter até instalações extravagantes no local. Um espelho defeituoso pode ser trocado. Mais refrigerante pode ser obtido para o seu telescópio infravermelho. Os reparos podem ser feitos por mãos humanas ou robóticas em tempo real. Novas peças e até mesmo novos funcionários podem ser trazidos a qualquer momento. O Hubble durou quase 30 anos, mas os telescópios terrestres podem durar mais de meio século com infraestrutura mantida. Não é nenhum concurso.

Os instrumentos científicos a bordo do módulo ISIM foram baixados e instalados na montagem principal do JWST em 2016. Esses instrumentos foram concluídos anos antes e não serão usados ​​pela primeira vez até 2019, no mínimo. (NASA/CHRIS GUNN)

5.) Capacidade de atualização . No momento em que um telescópio espacial é lançado, os instrumentos a bordo já estão obsoletos. Para obter um telescópio espacial projetado e construído, você precisa decidir quais serão seus objetivos científicos, e isso informa quais instrumentos serão projetados, construídos e integrados a bordo do observatório. Então você tem que projetá-los, fabricar os componentes, construí-los e montá-los, instalá-los, integrá-los e testá-los e, finalmente, lançá-los.

Isso significa necessariamente que os instrumentos propostos (e depois construídos) estão desatualizados, mesmo quando o telescópio espacial coleta dados pela primeira vez. Por outro lado, se o seu observatório estiver no solo, você pode simplesmente retirar o instrumento antigo e substituí-lo por um novo, e seu telescópio antigo fica de última geração novamente, um processo que pode continuar como enquanto o observatório permanecer em funcionamento.

O mesmo aglomerado foi fotografado com dois telescópios diferentes, revelando detalhes muito diferentes em circunstâncias muito diferentes. O telescópio espacial Hubble (L) visualizou o aglomerado globular NGC 288 em vários comprimentos de onda de luz, enquanto o telescópio Gemini (do solo, R) visualizou apenas em um único canal. No entanto, uma vez que a óptica adaptativa é aplicada, Gêmeos pode ver estrelas adicionais com melhor resolução do que o Hubble, mesmo no seu melhor, é capaz. (NASA / ESA / HUBBLE (L); OBSERVATÓRIO GÊMEOS / NSF / AURA / CONICYT / GEMS/GSAOI (R))

Não há dúvida de que ir ao espaço fornece à humanidade uma janela para o Universo que nunca conseguiríamos explorar se permanecêssemos na Terra. As imagens nítidas e de campo estreito que podemos construir são incomparáveis ​​e, à medida que avançamos para a próxima geração de observatórios espaciais como Athena, James Webb, WFIRST e (talvez) até LUVOIR, responderemos a muitos dos mistérios atuais sobre o natureza do Universo.

No entanto, existem algumas tarefas científicas que são muito mais adequadas à astronomia terrestre do que à astronomia baseada no espaço. Em particular, imagens espectroscópicas profundas de alvos distantes, estudos diretos de exoplanetas, identificação de objetos potencialmente perigosos, caça de objetos no Sistema Solar externo (como Planeta Nove ), levantamentos de todo o céu para objetos variáveis, estudos de interferometria e muito mais são todos superiores do solo. Perder os benefícios da astronomia terrestre seria catastrófico e desnecessário, pois mesmo um pequeno esforço pode evitá-lo. Mas se continuarmos a ser imprudentes e descuidados com nossos céus – duas características muito humanas – eles desaparecerão, junto com a astronomia terrestre, antes que percebamos.

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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