AstronomiaCosmologiaEngenharia aeroespacialRadioastronomiaColoquem telescópios no lado oculto da Lua

As propostas atuais para o desenvolvimento lunar negligenciam nossa melhor chance de vislumbrar os primórdios do Universo, diz o astrônomo Joseph Silk em um artigo na Nature.
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Os planos para retornar à Lua estão ficando sérios. Em dezembro do ano passado, o presidente dos Estados Unidos, Donald Trump, declarou que a próxima vez que os astronautas dos Estados Unidos forem lançados, eles irão para o nosso satélite rochoso. Em setembro, a Agência Espacial Europeia (ESA) fez o mais forte apelo para a instalação de uma vila permanente, habitada pela humanidade, no polo sul lunar. A Administração Espacial Nacional da China (CNSA), a agência espacial estatal do país, está aspirando a um posto avançado humano lá, entre outros projetos lunares, e os empresários privados estão entusiasmados com a mineração na Lua e com fabricação lá de combustível para foguete para uma posterior exploração espacial.

Mas essas iniciativas são mais técnicas e econômicas do que científicas. A menos que comecemos a planejar agora, elas não contarão um recurso técnico excepcional — um radiotelescópio lunar. Isso teria características excepcionais para responder a uma das questões mais profundas da humanidade: quais são nossas origens cósmicas?

O lado oculto da Lua é o melhor lugar no Sistema Solar interno para monitorar ondas de rádio de baixa frequência — a única maneira de detectar certas “impressões digitais” fracas que o Big Bang deixou no cosmos. Os telescópios de rádio com base em terra enfrentam muita interferência da poluição eletromagnética causada pela atividade humana, como a comunicação marítima e a transmissão de ondas curtas, impossibilita a obtenção de um sinal claro e a ionosfera da Terra bloqueia os longos comprimentos de onda de atingir esses alvos em primeiro lugar. Nós precisamos desses sinais para saber se e como o Universo se expandiu rapidamente no primeiro trilionésimo de trilhão de trilhão de segundo após o Big Bang.

Com certeza, as observações da Terra e dos satélites em órbita são impressionantes. O Sloan Digital Sky Survey, administrado por mais de uma dúzia de instituições colaboradoras, mapeou mais de um milhão de galáxias e grandes pesquisas em andamento podem identificar até dez bilhões de outras. Mas essas galáxias foram formadas milênios após a inflação cósmica ter ocorrido.

Impressão artística da NASA de uma base lunar com uma antena de um rádio telescópio (ao fundo)
Impressão artística da NASA de uma base lunar com uma antena de um rádio telescópio (ao fundo). Crédito da imagem: Paul Sutherland/ Skymania.com (imagem meramente ilustrativa).

A chave para a compreensão dos primeiros eventos no Universo são as relíquias que ficaram. Uma delas é um mar de radiação eletromagnética vindo de todas as direções do céu. Lançada a cerca de 380.000 anos após o Big Bang quando os primeiros átomos se formaram e o Universo estava muito mais quente, esta radiação esfriou ao longo do tempo às frequências de micro-ondas, e agora é conhecida como Radiação Cósmica de Fundo em Micro-ondas.

Superpostos a esse cenário, estão os padrões de fótons dispersos: vestígios dos poços gravitacionais que semeou as galáxias e outras estruturas maciças no Universo. Estudos de telescópios terrestres e satélites em órbita mapearam milhões dessas pequenas oscilações para produzir estimativas precisas da idade do Universo, da taxa de expansão e das quantidades relativas de matéria visível, matéria escura e energia escura. Em dezembro, uma equipe ganhou o Breakthrough Prize in Fundamental Physics, um prêmio de US$ 3 milhões para os maiores avanços em física fundamental, por seus esforços no sentido desse objetivo. Mas esses projetos não podem detectar de forma robusta as impressões digitais previstas da inflação cósmica — sinuosas “torções” nessas ondulações. Para fazer isso, devemos encontrar os sinais que viajaram o mais distante em nosso Universo em expansão, e assim representam a “idade das trevas” do Universo, os primeiros cem milhões de anos após o Big Bang, antes que as primeiras estrelas se formassem. Para obter a precisão necessária, devemos olhar além dos bilhões de galáxias observáveis, olhar para além de seus blocos de construção: os trilhões de nuvens de gás hidrogênio.

Em 1944, o astrônomo holandês Hendrik van de Hulst teorizou uma maneira de detectar hidrogênio atômico interestelar frio com base em uma ligeira mudança de energia nos átomos a uma frequência de 1420,4 mega-hertz (MHz), um comprimento de onda de 21,1 centímetros. Isso agora é amplamente utilizado para mapear as nuvens de gás entre as estrelas próximas. O mesmo princípio poderia nos permitir mapear nuvens de hidrogênio extremamente remotas, porque a inflação cósmica imprime uma pequena distorção na distribuição das nuvens, chamada “não gaussianidade primordial”, dando uma sombreada na radiação cósmica de fundo em micro-ondas. É o único sinal fixo do início do Universo.

Mas essas sutis distorções de ondas de rádio de 21 centímetros das nuvens de hidrogênio da idade das trevas cósmica não podem ser detectadas pelos atuais instrumentos na Terra. Os sinais distantes são esticados pela expansão do Universo a uma frequência muito menor que 30 MHz, onde a ionosfera terrestre e as comunicações terrestres são ruídos inaceitavelmente altos. Somente do outro lado da Lua — sem ionosfera e protegida contra interferências relacionadas à Terra — podemos detectar essas fracas sombras. É lá que poderemos verificar ou falsear as teorias da inflação cósmica e avaliar se os cientistas ficaram com um modelo muito simples das fases iniciais do Universo.

Uma rede de rádio capaz de capturar esses dados provavelmente usaria milhões de antenas de rádio simples implantadas em uma área de cem quilômetros ao longo do lado distante da Lua, operado por humanos e robôs. Telescópios de infravermelho de escala sem precedentes poderiam ser construídos em crateras frias perto do polo sul lunar, em sombra permanente, onde as temperaturas são tão baixas quanto 30 kelvins. Sem atmosfera para absorver sinais de radiação e bloqueá-los, os escopos com base na Lua poderiam produzir imagens fantásticas de exoplanetas e das galáxias mais antigas do Universo. Usando o Telescópio Espacial Hubble e a Estação Espacial Internacional, como balizadores, eu estimo que todos esses telescópios, com lançador incluído, não custariam mais do que 5% de outras operações lunares já planejadas.

As propostas atuais negligenciam a oportunidade única oferecida por um telescópio baseado na Lua. Astrônomos, ESA e NASA devem desenvolver o conceito e promover a ideia agora, enquanto os planos lunares ainda estão em sua infância. O combustível de foguete proveniente do gelo da Lua e os dólares dos turistas espaciais são grandiosos. Mas se queremos realmente desafiar os limites da exploração humana, devemos buscar os primórdios do Universo.

 

Joseph Silk para a Nature. Silk é professor de astronomia na Universidade Johns Hopkins em Baltimore, Maryland e no Instituto de Astrofísica de Paris.

Referência:

  1. SILK, J. Put telescopes on the far side of the Moon. Nature 553, 6 (2018). doi: 10.1038/d41586-017-08941-8. Disponível em <<https://www.nature.com/articles/d41586-017-08941-8>>