A astrofísica moderna permitiu que os cientistas observassem o universo com clareza sem precedentes, desde exoplanetas até galáxias inteiras.
Apesar de nossa galáxia bloquear algumas visualizações, ferramentas avançadas como o Telescópio Espacial James Webb e projetos futuros como o Square Kilometre Array estão expandindo os limites da nossa compreensão cósmica. Técnicas de visualização ajudam pesquisadores a explorar o universo tanto no espaço quanto no tempo, revelando fenômenos como rajadas rápidas de rádio. Olhando para o futuro, cientistas esperam capturar imagens de exoplanetas distantes e desvendar mistérios como a energia escura e a expansão do universo.
Observando o Universo: De Exoplanetas a Galáxias
Hoje, os cientistas são capazes de observar uma exoplaneta orbitando sua estrela, uma galáxia individual e até mesmo o universo inteiro. “O universo é, na verdade, principalmente espaço vazio”, diz Jean-Paul Kneib, professor do Laboratório de Astrofísica da EPFL. “Não há muito que esteja escondido.” A chave é saber o que você está procurando, construir o instrumento certo e olhar na direção certa. E então fazer uma pequena limpeza.
“Nossa galáxia fica no primeiro plano do nosso campo de visão, bloqueando nossa visão além dela”, explica Kneib. “Então, se quisermos mapear o hidrogênio no universo primitivo, por exemplo, primeiro temos que modelar todo esse primeiro plano e depois removê-lo de nossas imagens até obtermos um sinal um milhão de vezes menor do que o emitido pelo Via Láctea.”
Instrumentos revolucionários e seu impacto futuro
Galileu só conseguia desenhar o que via com seu telescópio. Mas hoje, os astrônomos conseguem ver o universo em sua totalidade, desde seus primórdios. Isso se deve em grande parte aos rápidos avanços nos instrumentos que eles usam. E mais desenvolvimentos são esperados nos próximos anos. O Telescópio Espacial James Webb (JWST), lançado em dezembro de 2021, tem como objetivo observar eventos que aconteceram há 13 bilhões de anos, quando as primeiras estrelas e galáxias estavam se formando.
O radiotelescópio Square Kilometre Array (SKA) — atualmente em construção e com conclusão prevista para o final da década — olhará ainda mais para trás, para uma época em que não havia estrelas e o cosmos continha principalmente hidrogênio — o elemento que compõe 92% de todos os átomos do universo.
“Uma maneira fácil de detectar esse gás é operar na faixa de radiofrequência, que é exatamente o que o SKA fará”, diz Kneib. “O objetivo é detectar um sinal um milhão de vezes menor do que os sinais de primeiro plano.”
Outro projeto em preparação é a Antena Espacial de Interferômetro Laser (LISA), gerida pela Agência Espacial Europeia (ESA). Com lançamento previsto para 2035, a antena observará ondas gravitacionaislançando luz sobre o crescimento dos buracos negros e possivelmente as ondas criadas logo após a Big Bang.
Atualização digital: o papel da IA e da computação na astronomia
Esses novos instrumentos não seriam tão esclarecedores sem os avanços em outros campos. “Do jeito que as coisas estão, não temos o software para processar dados do SKA”, diz Kneib, que está confiante de que chegaremos lá eventualmente graças ao progresso na ciência da computação e da computação, inteligência artificial (IA) e poder de processamento. A IA é inestimável para classificar grandes quantidades de dados para encontrar uma anomalia interessante e para calcular a massa de galáxias, por exemplo.
“Os cientistas podem usar o efeito de lente gravitacional, pelo qual um objeto grande curva a luz de uma fonte distante, para calcular a massa de aglomerados de galáxias dentro de um intervalo de um por cento, como se estivessem usando uma balança”, explica Kneib. “E podemos treinar modelos de IA para detectar distorções em imagens causadas por lentes gravitacionais. Dado que provavelmente há 200 bilhões de galáxias no universo, isso é uma grande ajuda – mesmo que possamos medir a massa de apenas uma galáxia em cada mil.”
A realidade por trás das imagens digitais do cosmos
Mas as imagens que vemos retratam o que realmente está lá fora? Uma imagem famosa publicada em 2019 mostrou um anel de luz em forma de donut ao redor de um buraco negro. Será que realmente veríamos esse anel se chegássemos perto dele? “Não era uma foto óptica”, diz Kneib.
“Foi uma renderização puramente digital. Para observar com precisão os sinais de comprimento de onda milimétrico emitidos pelo buraco negro, os cientistas tiveram que combinar vários telescópios terrestres para criar um do tamanho aproximado do globo. A imagem foi então reconstruída por interferometria (um método de medição usando interferência de onda). Mas a imagem, no entanto, representa um sinal real, ligado à quantidade de matéria na nuvem de poeira que cerca o buraco negro. Em termos simples, a parte escura é o buraco negro e a parte mais clara é a matéria que o orbita.”
A importância da visualização na astronomia moderna
“Os cálculos são apenas parte da equação na astronomia – você precisa ser capaz de visualizar as coisas, o que também ajuda a verificar se seus cálculos estão corretos”, diz Kneib, que é capaz de ler a imagem majestosa da Nebulosa da Lagoa, situada a 4.000 anos-luz de distância, como um livro.
“A imagem foi produzida usando observações ópticas em diferentes comprimentos de onda para representar os vários gases. Claro, houve um pouco de arte envolvida em realçar as cores. Mas a imagem também tem um grande significado para os físicos. As cores indicam a presença de diferentes gases: vermelho para hidrogênio, azul para oxigênio e verde para nitrogênio. As áreas compactas e pretas contêm grandes quantidades de poeira. Essas são tipicamente as regiões onde as estrelas se formam.”
Sondando o Universo em Quatro Dimensões: Espaço e Tempo
A visualização é especialmente importante ao observar objetos em mais de duas dimensões. “Ao estudar o cosmos em três dimensões, somos capazes de medir a distância entre objetos celestes”, diz Kneib. No início de abril, cientistas trabalhando no Instrumento Espectral de Energia Escura (DESI) – incluindo astrofísicos da EPFL – anunciou que havia criado o maior mapa 3D de galáxias e quasares do universo.
Mas isso não é tudo: os pesquisadores também estão estudando o universo na quarta dimensão – tempo – e, ao fazer isso, abrindo possibilidades incríveis para observar fenômenos brilhantes, porém fugazes. “Por exemplo, não entendemos realmente a origem das rajadas rápidas de rádio, que são explosões incrivelmente brilhantes de radiação eletromagnética que duram apenas alguns segundos, no máximo, e às vezes apenas uma fração de milissegundo”, diz Kneib.
A busca por vida extraterrestre e mistérios cósmicos
Será que algum dia encontraremos vida em um exoplaneta? Kneib responde: “Com a interferometria infravermelha, há uma perspectiva muito real de que poderíamos tirar uma foto de um planeta orbitando outra estrela. A imagem provavelmente ficaria borrada, mas seríamos capazes de observar e caracterizar características como nuvens e variações estruturais na superfície do planeta. Essa é definitivamente uma possibilidade, talvez daqui a 20 ou 30 anos.”
Quando se trata de algumas questões fundamentais, no entanto, é improvável que encontremos as respostas apenas por meio de imagens. Por que o universo está se expandindo a uma taxa acelerada? É por causa da energia escura? Por que 80% da matéria é invisível? Estamos completamente errados sobre a gravidade? As futuras gerações de astrofísicos manterão seus olhos treinados nos céus ou grudados em suas telas enquanto tentam desvendar os mistérios mais profundos do nosso universo.
