Os astrônomos voltaram seus olhos para o futuro após a última pesquisa decenal de astronomia e astrofísica das Academias Nacionais dos EUA, que recomendou uma nova geração de telescópios espaciais. Keith Cooper explora suas perspectivas e as lições aprendidas com o conturbado desenvolvimento do Telescópio Espacial James Webb
O dia de Natal de 2021 foi uma ocasião feliz para a maioria dos astrônomos ao redor do mundo, pois foi quando o tão atrasado Telescópio espacial James Webb (JWST) foi finalmente lançado. No entanto, a fanfarra em torno de seu desdobramento no espaço no próximo mês, bem como o subsequente júbilo sobre suas primeiras imagens, mascarou um problema preocupante na astronomia observacional – que é muito do restante da frota de observatórios orbitais baseados no espaço da NASA. está envelhecendo. o telescópio espacial Hubble trabalha desde 1990, enquanto o Observatório de raios X Chandra foi lançado quase uma década depois. Enquanto isso, seu compatriota infravermelho, o Telescópio Espacial Spitzer, lançado em 2003, já não se encontra em funcionamento, tendo sido encerrado em 2020.
É por isso que os astrônomos estão preocupados que, se algo acontecer a um ou mais desses telescópios cada vez mais frágeis, eles possam ser cortados de faixas inteiras do espectro eletromagnético. Com o desligamento do Spitzer, o infravermelho distante (160 mm) já está fora de alcance, pois o JWST só se aventura no infravermelho médio a 26 μm. De forma similar, o JWST não é otimizado para observar comprimentos de onda visíveis ou ultravioleta como o Hubble faz. Claro, o próximo Telescópio Espacial Nancy Grace Roman – anteriormente o Wide Field InfraRed Survey Telescope (WFIRST) – é um telescópio óptico e infravermelho próximo, mas seu campo de visão é muito mais amplo que o do Hubble, o que significa que não é voltado para trabalhos detalhados e de perto; nem tem a cobertura ultravioleta do Hubble.
Grandes observatórios
Para garantir que nossa visão do universo em todo o espectro permaneça brilhante, os astrônomos americanos estão atualmente escolhendo o próximo grupo de telescópios espaciais. A principal recomendação da última pesquisa astronômica decadal das Academias Nacionais de Ciências, Engenharia e Medicina dos EUA – o relatório de 614 páginas Caminhos para a descoberta em astronomia e astrofísica para a década de 2020 (Astro2020) – é a implementação de planos para uma nova geração de “grandes observatórios” a ser lançada na década de 2040. Isso ecoa quando Chandra, Hubble, Spitzer e o Observatório de raios gama Compton (que operou entre 1991 e 2000 e foi sucedido em 2008 pelo Telescópio Espacial Fermi) estavam sendo desenvolvidos, e que foram anunciados como os “grandes observatórios”.
Trabalhando lado a lado para estudar o universo, esses telescópios lideraram a pesquisa astrofísica da NASA por décadas. A reutilização desta frase “grandes observatórios” na nova pesquisa decenal é deliberada, diz o co-presidente da pesquisa, Fiona Harrison do Instituto de Tecnologia da Califórnia. “É para deixar claro que as observações pancromáticas, dos raios X ao infravermelho, são realmente essenciais para a astrofísica moderna”, diz ela. “Muito do sucesso dos grandes observatórios [originais] é que eles foram desenvolvidos e lançados um após o outro, com observações sobrepostas.”
Construir um telescópio espacial de sucesso é um processo longo, normalmente levando 25 anos desde o início do desenvolvimento até o lançamento. O trabalho conceitual para o Hubble começou na década de 1960, enquanto os planos para o JWST surgiram pela primeira vez em 1995, após o Imagens de Campo Profundo do Hubble mostraram que as primeiras galáxias estão ao alcance de um telescópio maior. A próxima geração de tais sondas baseadas no espaço, portanto, não será lançada até a década de 2040, no mínimo. Mas eles incluirão a recomendação número um da pesquisa: uma missão emblemática para substituir o Hubble, inspirando-se em dois conceitos - o Observatório de Exoplanetas Habitáveis (HabEx) e os votos de Ultravioleta grande, óptico e infravermelho (LUVOIR) telescópio. Também na prancheta estão uma missão de raios-X e um telescópio que pode observar no infravermelho distante.
Mas, dada a saúde precária de nossa atual safra de telescópios espaciais, e sabendo que as novas missões não serão lançadas nos próximos 20 anos, os astrônomos não deveriam ter começado a planejar novos grandes observatórios anos atrás? “Com certeza”, diz Steven Kahn da Universidade de Stanford, que presidiu um dos painéis da pesquisa decadal olhando para futuros telescópios espaciais. Ele cita o observatório Constellation-X – uma sonda espacial de raios-X que foi recomendada como uma continuação do Chandra na pesquisa da década de 2000, mas nunca se concretizou por causa do desenvolvimento prolongado do JWST, que absorveu todos os orçamento astrofísico. “O JWST basicamente dominou o grande programa de observatório da NASA por duas décadas e meia”, explica Kahn. “Como resultado, não havia espaço para fazer uma missão de raios-X de acompanhamento, ou o tipo de missão pioneira de infravermelho distante que estamos planejando.”
Vencedores ganham tudo
De fato, o desenvolvimento do JWST teve muitos problemas, incluindo grandes estouros no custo e no tempo de desenvolvimento, que quase resultaram no cancelamento do projeto. A memória desses erros paira sobre a nova pesquisa decadal, influenciando algumas das recomendações feitas para restaurar o equilíbrio da astrofísica nos EUA. Mas nem sempre foi assim. Kahn lamenta como, antes da pesquisa de 2000, apenas entrar na lista de recomendações em uma pesquisa decadal era o suficiente para praticamente garantir que seu projeto ou missão aconteceria. Mas na era moderna de telescópios de US$ 10 bilhões, “você tem que ser o número um ou não vai conseguir”, diz Kahn. “O problema é que neste ambiente onde o vencedor leva tudo, todo mundo quer jogar todos os sinos e assobios que puderem em um projeto, porque se você acha que só terá uma chance em uma grande missão nos próximos 50 anos , você quer fazer valer a pena.
É essa maneira de pensar que pode levar aos problemas que o JWST enfrentou e causou. Quanto mais complexo o projeto de uma missão se torna, mais instrumentos e recursos você deseja que ele tenha para valer a pena – o que significa que fica mais caro e leva mais tempo para ser desenvolvido. “Tudo isso nos leva de volta a esse ciclo vicioso do vencedor leva tudo”, continua Kahn.
Harrison concorda, enfatizando que esta nova pesquisa decadal é uma tentativa de tentar mudar a abordagem da astronomia dos EUA. “Para uma pesquisa decenal dizer que esta é a coisa número um, precisamos fazer isso não importa o que aconteça, a qualquer custo que acabe sendo, não é uma abordagem responsável”, diz ela. Em uma tentativa de contrariar isso, a pesquisa recente faz uma série de novas propostas. Entre eles está a ideia de que as missões devem ser projetadas em sintonia com prioridades científicas específicas, em vez de permitir que o conceito de missão fuja por si mesmo, com todos os “sinos e assobios”, para citar Kahn.
Por exemplo, uma das principais questões científicas que o painel de Kahn analisou foi a maneira como os buracos negros supermassivos ativos em galáxias distantes e empoeiradas influenciam a formação estelar. O acúmulo de matéria nesses buracos negros seria detectável por um telescópio de raios-X de alta resolução angular, enquanto uma missão espectroscópica de infravermelho distante seria capaz de espiar através da poeira e sondar linhas espectrais específicas relacionadas à formação de estrelas e feedback de ventos de buraco negro. A esperança é que as duas missões possam ser lançadas com alguns anos de diferença e operar em uníssono. No entanto, a forma que essas missões terão ainda está no ar.
Antes da pesquisa decenal, havia dois conceitos de missão – o Observatório de Raios-X Lynx e os votos de Telescópio Espacial Origins – que operaria em comprimentos de onda do infravermelho médio a distante, com um espelho de telescópio entre 6 e 9 m de diâmetro. Cada um foi estimado em cerca de US$ 5 bilhões, mas a pesquisa decadal concluiu que esses custos estavam sendo subestimados e que suas capacidades científicas não se encaixavam nos requisitos que o painel estava procurando.
Missões emblemáticas
E aqui entra uma das outras inovações do levantamento decenal – ou seja, uma nova classe de telescópio espacial denominada “classe sonda”, com orçamentos de alguns bilhões de dólares. “Temos que reconhecer que, se tudo fosse tão caro quanto o JWST, seria difícil ter todos os grandes observatórios operando ao mesmo tempo”, diz Marcia Rieke da Universidade do Arizona, que liderou o segundo painel sobre telescópios espaciais, com foco no regime óptico e infravermelho próximo. “A melhor maneira pode ser ter uma missão principal e, em seguida, ter as outras partes do espectro eletromagnético cobertas por missões de sonda.”
De fato, quaisquer possíveis missões de classe de sonda de raios-X e infravermelho distante também poderiam ser acompanhadas por um telescópio ultravioleta de classe de sonda. Melhorias em revestimentos de espelhos e detectores nas últimas décadas significam que um telescópio de 1.5 m pode realmente ser mais sensível do que o Hubble em comprimentos de onda ultravioleta. “Isso forneceria alguma robustez contra falhas absolutas do Hubble”, diz Rieke.
Para ajudar a desenvolver esses futuros telescópios espaciais, quer continuem como gigantes de US$ 10 bilhões ou avancem como missões de sondagem mais modestas (mas ainda assim ambiciosas), a pesquisa decadal recomenda que a NASA crie um novo Missão dos Grandes Observatórios e Programa de Maturação Tecnológica. Isso não apenas desenvolveria a tecnologia, mas também “amadureceria os conceitos da missão”, diz Harrison. Por seu lado, a NASA já está realizando workshops como parte deste novo programa e produziu um rascunho de convocação para missões de sonda.
Se as missões de raios-X e infravermelho distante – apelidadas de “Fogo” e “Fumaça” por enquanto – forem de classe de sonda, então o grande observatório principal será o tão esperado substituto direto para o Telescópio Espacial Hubble. O conceito que lidera o caminho é o LUVOIR, e duas versões do telescópio foram propostas: um telescópio extremamente ambicioso de 15 m ou um telescópio de 8 m, o último dos quais ainda seria o maior telescópio espacial já lançado.
Outras Terras
Por razões de custo e praticidade, a pesquisa decadal recomendou que a versão de 15 m fosse deixada de lado e que o design final combinasse as melhores partes do LUVOIR e do HabEx. O principal objetivo científico deste telescópio, explica Rieke, é que ele seja capaz de detectar planetas com a massa da Terra na zona habitável das estrelas. Para esse fim, o painel de Rieke iniciou uma discussão com a comunidade exoplanetária sobre quantos planetas potencialmente habitáveis poderiam ser detectados em função do tamanho do telescópio.
“Como um grupo, você pergunta: quais são os principais objetivos da ciência? Que nível de sensibilidade é necessário? Qual é o menor telescópio que fará o trabalho?” diz Rieke. A resposta que ela recebeu foi que um telescópio com abertura de 6 a 8 m é o menor que você ousa usar se quiser encontrar exoplanetas potencialmente habitáveis.
O sucesso não é apenas sobre o tamanho do telescópio; seus instrumentos também devem estar atualizados. A imagem bem-sucedida de planetas do tamanho da Terra perto de suas estrelas exigirá um coronógrafo como parte de seu projeto. Exoplanetas do tamanho da Terra normalmente não podem ser fotografados porque o brilho de sua estrela é muito forte. Um coronógrafo bloqueia a luz da estrela, facilitando a visualização de quaisquer planetas presentes. Eles têm sido um elemento básico dos estudos do Sol há décadas - seu nome vem do bloqueio do disco solar para que os astrônomos possam ver a coroa solar. Mas criar um coronógrafo que possa bloquear com precisão a luz brilhante de uma estrela, que aparece essencialmente como uma fonte pontual, enquanto permite que planetas a apenas milissegundos de arco da estrela sejam visíveis, reduzindo o contraste entre o brilho da estrela e a luz dos planetas para 10-10, é “um grande passo além de tudo o que fizemos antes”, diz Rieke.
Além do espaço, telescópios no chão
Nem todas as recomendações da pesquisa decenal estão relacionadas a telescópios gigantes no espaço. De fato, alguns deles são telescópios gigantes firmemente enraizados na Terra. Por exemplo, a polêmica Telescópio de trinta metros a ser construído em Mauna Kea, no Havaí, apesar dos protestos de alguns havaianos nativos, continua avançando. Assim também é o Telescópio Grande Magalhães, que está em construção no Chile e contará com sete telescópios de 8.4 m para dar um diâmetro efetivo de 24.5 m.
A pesquisa também recomenda que o Array Muito Grande de Próxima Geração – 244 antenas de rádio de 18 m de diâmetro e 19 antenas de 6 m de diâmetro espalhadas pelo sudoeste dos EUA – devem começar a ser construídas até o final da década. Ele substituirá o antigo Very Large Array no Novo México e o Very Long Baseline Array de pratos nos EUA. Atualizações para o Observatório de ondas gravitacionais com interferômetro grande (LIGO) e planos para um eventual sucessor também são recomendados.
Enquanto isso, os cosmólogos ficarão entusiasmados ao saber que a pesquisa também exige um novo observatório terrestre, apelidado de observatório CMB Stage 4, para detectar polarização na radiação cósmica de fundo em micro-ondas e procurar evidências de ondas gravitacionais primordiais resultantes da inflação cósmica. nos primeiros momentos do universo.
Finalmente, de volta ao espaço, a maior prioridade para missões de média escala é um domínio de tempo de resposta rápida e um programa multimensageiro para substituir a espaçonave Swift da NASA e detectar supernovas, explosões de raios gama, kilonovas e vários outros tipos de transientes astronômicos. Crucialmente, as missões neste novo programa precisam ser capazes de trabalhar e apoiar as observações terrestres do LIGO, o Matriz do Telescópio Cherenkov e os votos de Cubo de gelo detector de neutrinos, para o qual também foi recomendado um detector de “Geração 2”.
Suficientemente financiado?
A resposta geral às recomendações da pesquisa decenal tem sido principalmente positiva, com a NASA, o Laboratório Nacional de Pesquisa em Astronomia de Infravermelho Óptico (NOIRLab) e os votos de Observatório Nacional de Radioastronomia (NRAO) todos dando-lhe o seu selo de aprovação. O próximo passo, diz Harrison, é convencer os políticos a desembolsar os fundos que serão necessários para viabilizar os grandes observatórios.
O próximo passo é convencer os políticos a abrirem mão dos recursos que serão necessários para viabilizar os grandes observatórios
Fiona Harrison, Instituto de Tecnologia da Califórnia
“Certamente um foco agora para mim e para Robert Kennicutt [co-presidente de Harrison da Universidade do Arizona e da Texas A&M University] é tentar articular ao Congresso a empolgação dos projetos atraentes recomendados pela pesquisa”, diz ela. “Foi uma resposta positiva da NASA, e ela quer fazer as recomendações acontecerem, mas o orçamento tem que estar lá.”
Se esse dinheiro chegar, Rieke estima que o financiamento necessário para amadurecer a tecnologia do telescópio óptico seja de cerca de meio bilhão de dólares. “Estaríamos então preparados, perto do final desta década, para ter todos os patos da tecnologia sentados em fila e seríamos capazes de entrar na fase de construção”, diz ela.
Os prazos envolvidos são fenomenais. Se o Hubble e o Chandra servirem de referência, os telescópios de próxima geração lançados na década de 2040 ainda poderão estar operacionais na década de 2070 ou além. As recomendações da pesquisa decenal são, portanto, importantes não apenas para os próximos 10 anos de astronomia, mas também por seu impacto em grande parte deste século. Houve, portanto, uma enorme pressão sobre a pesquisa para que ela acertasse.
“É aí que é importante escolher metas ambiciosas”, diz Rieke. “Você precisa identificar algo que seja tão importante que todos concordem e que seja um passo à frente o suficiente para que outra coisa não o ultrapasse enquanto você o faz.” A história julgará se essa pesquisa decenal acertou suas decisões principais, mas, da perspectiva de hoje, o futuro da astrofísica promete ser empolgante.
