Astronomia à Velocidade da Luz

O ensaio seguinte é reimpresso com permissão do The Conversation, uma publicação online cobrindo as últimas pesquisas.

Astrônomos se esforçam para observar o universo através de técnicas cada vez mais avançadas. Sempre que os pesquisadores inventam um novo método, informações sem precedentes são coletadas e o entendimento das pessoas sobre o cosmos se aprofunda.

Um ambicioso programa para explodir câmeras muito além do sistema solar foi anunciado em abril de 2016 pelo investidor da internet e filantropo da ciência Yuri Milner, o falecido físico Stephen Hawking e o CEO do Facebook Mark Zuckerberg. Chamado de “Breakthrough Starshot”, a idéia é enviar um monte de nano-espaciais minúsculos para o vizinho estelar mais próximo do sol, o sistema Alpha Centauri de três estrelas. Viajando a cerca de 20% da velocidade da luz – tão rápido quanto 100 milhões de milhas por hora – a nave e suas minúsculas câmeras apontariam para a menor mas mais próxima estrela do sistema, Proxima Centari, e seu planeta Proxima b, 4.26 anos-luz da Terra.

A Breakthrough Starshot pretende estabelecer uma prova de conceito para uma ‘nano-nave’ impulsionada por um feixe de luz.

O objectivo da equipa Breakthrough Starshot irá depender de uma série de tecnologias ainda não comprovadas. O plano é usar velas leves para levar estas naves espaciais mais longe e mais rápido do que qualquer coisa que tenha vindo antes dos lasers na Terra irá empurrar as pequenas naves através de suas velas super-finas e refletoras. Tenho outra ideia que poderia ser a de carregar nesta tecnologia enquanto o projecto se prepara: Os investigadores podem obter dados valiosos destes observatórios móveis, até mesmo testar directamente a teoria da relatividade especial de Einstein, muito antes de chegarem perto de Alpha Centauri.

Desafios técnicos abundam

Aquiar o objectivo de Breakthrough Starshot não é de forma alguma uma tarefa fácil. O projeto depende do desenvolvimento tecnológico contínuo em três frentes independentes.

Primeiro, os pesquisadores precisarão diminuir drasticamente o tamanho e o peso dos componentes microeletrônicos para fazer uma câmera. Cada nano-nave está planejado para não ser mais do que algumas gramas no total – e isso terá que incluir não apenas a câmera, mas também outras cargas úteis, incluindo alimentação elétrica e equipamentos de comunicação.

Outro desafio será construir materiais finos, ultra-leves e altamente reflexivos para servir de “vela” para a câmera. Uma possibilidade é ter uma vela de camada única de grafeno – apenas uma molécula de espessura, apenas 0,345 nanômetros.

A equipe Breakthrough Starshot se beneficiará da crescente potência e da queda do custo dos feixes de laser. Lasers com 100-Gigawatt de potência são necessários para acelerar as câmeras a partir do solo. Assim como o vento enche as velas de um veleiro e o empurra para a frente, os fotões de um feixe de laser de alta energia podem impulsionar uma vela ultraleve reflectora para a frente enquanto ressaltam para trás.

Com a taxa de desenvolvimento da tecnologia projectada, é provável que passem pelo menos mais duas décadas até que os cientistas possam lançar uma câmara que viaje com uma velocidade uma fracção significativa da velocidade da luz.

Se tal câmera puder ser construída e acelerada, vários outros desafios deverão ser superados para realizar o sonho de alcançar o sistema Alpha Centauri. Os pesquisadores podem apontar as câmeras corretamente para que elas alcancem o sistema estelar? A câmera pode mesmo sobreviver à jornada de quase 20 anos sem ser danificada? E se vencer as probabilidades e a viagem correr bem, será possível transmitir os dados, as imagens de volta à Terra a uma distância tão grande?

Introduzindo ‘astronomia relativista’

O meu colaborador Kunyang Li, um estudante de pós-graduação do Instituto de Tecnologia da Geórgia, e eu vejo potencial em todas estas tecnologias mesmo antes de serem aperfeiçoadas e prontas para partir para a Alpha Centauri.

Quando uma câmera viaja no espaço próximo à velocidade da luz – o que poderia ser chamado de “velocidade relativista” – a teoria especial da relatividade de Einstein tem um papel na forma como as imagens tiradas pela câmera serão modificadas. A teoria de Einstein afirma que em diferentes “quadros de descanso” os observadores têm diferentes medidas da duração do espaço e do tempo. Ou seja, o espaço e o tempo são relativos. O quão diferentes os dois observadores medem as coisas depende da rapidez com que se movem um em relação ao outro. Se a velocidade relativa estiver próxima da velocidade da luz, suas observações podem diferir significativamente.

A relatividade especial também afeta muitas outras coisas que os físicos medem – por exemplo, a freqüência e intensidade da luz e também o tamanho da aparência de um objeto. No restante quadro da câmera, o universo inteiro está se movendo a uma boa fração da velocidade da luz na direção oposta à do próprio movimento da câmera. Para uma pessoa imaginária a bordo, graças aos diferentes tempos espaciais vividos por ela e por todos na Terra, a luz de uma estrela ou galáxia pareceria mais azul, mais brilhante e mais compacta, e a separação angular entre dois objetos pareceria menor.

Nossa idéia é aproveitar essas características de relatividade especial para observar objetos familiares no quadro de descanso espacial da câmera relativista diferente. Isto pode fornecer um novo modo para estudar astronomia – o que estamos chamando de “astronomia relativista”

O que a câmera poderia capturar?

Então, uma câmera relativista serviria naturalmente como um espectrógrafo, permitindo aos pesquisadores olhar para uma faixa intrinsecamente mais avermelhada de luz. Ela atuaria como uma lente, ampliando a quantidade de luz que ela coleta. E seria uma câmera de campo amplo, permitindo aos astrônomos observar mais objetos dentro do mesmo campo de visão da câmera.

Aqui está um exemplo do tipo de dados que poderíamos reunir usando a câmera relativista. Devido à expansão do universo, a luz do universo inicial é mais avermelhada quando chega à Terra do que quando começou. Os físicos chamam a este efeito “redshifting”: À medida que a luz viaja, o seu comprimento de onda estica-se à medida que se expande juntamente com o Universo. A luz vermelha tem comprimentos de onda mais longos do que a luz azul. Tudo isso significa que para ver a luz vermelha deslocada do universo jovem, deve-se usar os comprimentos de onda infravermelhos difíceis de observar para coletá-la.

Entrar a câmera relativista. Para uma câmera movendo-se a uma velocidade próxima à da luz, tal luz redshifted torna-se mais azulada – ou seja, agora é blueshifted. O efeito do movimento da câmera contraria o efeito da expansão do universo. Agora um astrónomo pode captar essa luz usando a conhecida câmara de luz visível. O mesmo efeito de reforço de Doppler também permite que a luz fraca do universo inicial seja amplificada, ajudando a detecção. Observar as características espectrais de objetos distantes pode nos permitir revelar a história do Universo primitivo, especialmente como o Universo evoluiu após ter se tornado transparente 380.000 anos após o Big Bang.

Um outro aspecto excitante da astronomia relativista é que a humanidade pode testar diretamente os princípios da relatividade especial usando medidas macroscópicas pela primeira vez. Comparando as observações coletadas na câmera relativista com aquelas coletadas do solo, os astrônomos poderiam testar precisamente as previsões fundamentais da relatividade de Einstein em relação à mudança de freqüência, fluxo e direção da viagem da luz em diferentes quadros de descanso.

Comparado com os objetivos finais do projeto Starshot, observar o universo usando câmeras relativistas deveria ser mais fácil. Os astrônomos não precisariam se preocupar em apontar a câmera, já que ela poderia obter resultados interessantes quando enviada em qualquer direção. O problema da transmissão de dados é um pouco aliviado, uma vez que as distâncias não seriam tão grandes. O mesmo com a dificuldade técnica de proteger a câmera.

Propomos que experimentar câmeras relativistas para observações astronômicas poderia ser um precursor do projeto Starshot completo. E a humanidade terá um novo “observatório” astronómico para estudar o universo de uma forma sem precedentes. A história sugere que abrir uma nova janela como esta revelará muitos tesouros anteriormente não detectados.

Este artigo foi originalmente publicado no The Conversation. Leia o artigo original.