Expansão do Universo, matéria escura e exoplanetas: Roman explorará diversos tópicos astronômicos e astrofísicos. Óptica e instrumentos destacam-se entre observatórios espaciais.
Desde a antiguidade, a astronomia está entre as maiores beneficiadas dos avanços tecnológicos. Na Idade Média, passou a ser a motivação para alguns desses avanços. Hoje, os telescópios espaciais são exemplos dessa relação, empregando tecnologia de ponta para tornarem-se imunes à turbulência atmosférica e da absorção de comprimentos de onda invisíveis ao olho humano. O mais recente é o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman, da NASA, um observatório de última geração criado para ajudar cientistas a resolver alguns dos maiores enigmas do universo, como a natureza esquiva da energia escura, a expansão acelerada do cosmos e a abundância de planetas em outros sistemas solares.
O telescópio Roman foi lançado em 30 de agosto a bordo de um foguete Falcon Heavy, da SpaceX, no histórico Complexo de Lançamento 39A do Centro Espacial Kennedy, na Flórida. Logo após a separação do veículo lançador, os sistemas autônomos do telescópio entraram em ação. Os painéis solares foram acionados para alimentar a espaçonave e as primeiras telemetrias confirmaram que a comunicação com a Terra estava plenamente estabelecida.
Nas horas e dias subsequentes, pequenas manobras ajustaram a trajetória do Roman em direção ao ponto Lagrange 2 (L2) do sistema Terra-Sol, a cerca de 1,5 milhão de quilômetros do nosso planeta, na direção oposta ao Sol.
Esse local particular favorece observatórios de alta sensibilidade se comparado à órbita terrestre. L2 é termicamente estável, enquanto um instrumento sensível orbitando à Terra sofreria variações de temperatura entre a luz solar e a sombra do planeta. A geometria de observação permite que escudos bloqueiem simultaneamente a luz e o calor da Terra, da Lua e do Sol – algo impossível na órbita da Terra. Sendo um observatório infravermelho, isso é fundamental para o funcionamento adequado de instrumentos criogênicos e detectores que exigem temperaturas extremamente baixas para operar com o mínimo de ruído térmico.
Os tanques de propelente da espaçonave têm margens operacionais impressionantes. Estimativas preliminares indicam reservas de combustível suficientes mais de duas décadas de operações científicas contínuas sob condições nominais. Isso também foi possível graças à precisão do veículo lançador, que colocou o Roman numa trajetória que não requeria consumo de propelente para correções além das margens mais estreitas.
O observatório iniciou rapidamente o comissionamento de seus instrumentos. A entrada em serviço científico depende desse período de comissionamento, que dura cerca de três meses, com ações para garantir que cada espelho, sensor, atuador, computador e sistema de refrigeração funcione com precisão.
Durante as primeiras semanas do Roman no espaço, as prioridades das equipes de engenharia e operações de voo são a estabilização térmica e o alinhamento mecânico. Os detectores infravermelhos precisam atingir temperaturas muito baixas para eliminar qualquer ruído térmico parasita que possa interferir nos dados. Em paralelo, escudos solares e tampas protetoras dos instrumentos principais são destravados e testados de forma sequencial. Tudo é monitorado atentamente pelas equipes na Terra. Qualquer microvibração indesejada pode exigir reajustes milimétricos.
Ciência As etapas mais aguardadas são a calibração da câmera Instrumento de Campo Amplo (WFI) e a verificação do coronógrafo, que bloqueia luz de estrelas para viabilizar a observação de exoplanetas próximos a elas. Os testes do coronógrafo incluem extensão de seus mecanismos, trocas e calibrações de máscara e contraste óptico. O comissionamento deve ser concluído no início de 2027 e seus resultados devem atestar as capacidades ímpares do Roman. Logo em seguida, o observatório dará início ao seu primeiro ciclo de observações científicas.
O telescópio faz parte de uma visão de longo prazo recomendada pela comunidade astronômica americana na Decadal Survey de 2010, que elegeu este projeto como a principal prioridade para a década seguinte da astronomia espacial. As “pesquisas decadais” são importantes para balizar as principais atividades e os maiores investimentos ao longo de vários anos.
Uma das instituições que participam do gerenciamento do Roman é o Centro de Apoio Científico (SSC) do Roman no Centro de Processamento e Análise de Infravermelho (IPAC) do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech). Cabe ao SSC administrar o tempo de observação do telescópio, analisando pedidos de pesquisadores. O primeiro ciclo de chamadas para propostas de observação, para a rodada inaugural de operações, atraiu centenas de pesquisadores. Essa alta demanda reflete a ansiedade da comunidade científica para utilizar o telescópio.
A NASA e as instituições parceiras desenvolveram ecossistemas computacionais avançados em nuvem, como o Roman Research Nexus, preparados para processar o volume massivo de dados que o telescópio produzirá continuamente. Como exemplo da importância disso, temos dados do Telescópio Espacial Kepler, desativado em 2018. sendo explorados até hoje – e ainda dando frutos na busca por exoplanetas.
Outro ponto de destaque do programa científico do Roman é a sua política de dados abertos. Todos os dados coletados pelos levantamentos principais do Roman serão disponibilizados de forma imediata para o público geral. Cientistas profissionais e “amadores” de todo o mundo poderão explorar esse vasto banco de dados. Imagine a velocidade de descobertas que isso pode proporcionar…
Telescópio O Roman é um dos maiores triunfos da engenharia espacial, combinando aproveitamento estratégico de hardware, inovações tecnológicas radicais e herança de projetos anteriores.
O espelho primário, de 2,4 metros de diâmetro (o mesmo tamanho do espelho primário do Hubble) foi originalmente fabricado para o Gabinete Nacional de Reconhecimento dos Estados Unidos, organização responsável pelos satélites espiões do país, e posteriormente doado à NASA. Esta doação resultou em economia de tempo e recursos financeiros, permitindo maior foco no nos instrumentos científicos e na nave espacial em si.
A óptica secundária, a estrutura de suporte, os sistemas de foco tiveram que ser inteiramente projetados para otimizar o desempenho do espelho em comprimentos de onda do infravermelho próximo. O espelho primário é revestido com uma camada extremamente fina de prata e alumínio protegida que reflete luz infravermelha com altíssima eficiência, permitindo que o telescópio capture detalhes finos de objetos astronômicos tênues.
O coração científico do Roman é o WFI. Seu plano focal é gigantesco: aproximadamente 200 vezes maior do que o do instrumento equivalente a bordo do Hubble. Composto por um mosaico de 18 detectores de infravermelho de alta performance, soma 300 megapixels.
Enquanto telescópios tradicionais focam em pontos específicos com grande profundidade (como “microscópios do céu”), o Roman atua como uma “câmera panorâmica” de alta precisão, fazendo imagens de vastas extensões do céu em uma única exposição. Isso permitirá que a observação de bilhões de estrelas e galáxias em frações do tempo que seriam exigidas por observatórios convencionais. Por isso, o WFI deve ser um marco na astronomia estatística.
Outro destaque do Roman é seu coronógrafo. Estrelas são bilhões de vezes mais brilhantes do que os planetas que orbitam ao seu redor, como um farol e um vagalume. O coronógrafo oculta a luz das estrelas para permitir o imageamento dos planetas. O instrumento a bordo no Roman é um demonstrador tecnológico para validar técnicas de operação e observação. Além de dados científicos, produzirá know how valioso para instrumentos no futuro.
Para “cancelar” a luz da estrela, o coronógrafo utiliza uma combinação sofisticada de máscaras de ocultação interna, espelhos deformáveis controlados por atuadores piezoelétricos e filtros polarizadores. Além de imagens diretas, também será possível a espectroscopia (análise da composição química por meio da luz) de exoplanetas do tamanho de Júpiter. Telescópios no futuro poderão empregar meios para estudar também super-Terras, analisando suas atmosferas em busca de assinaturas químicas de habitabilidade.
Para garantir que os detectores infravermelhos operem livres de ruído, todo o conjunto óptico e os sensores devem ser mantidos em temperaturas criogênicas. Assim como o interior de uma câmera fotográfica deve ser uma câmara escura (mais escura que o ambiente a ser fotografado), um telescópio infravermelho deve ser mais frio que seus alvos de observação. Por isso, o Roman inclui escudos solares fixos e ajustáveis de múltiplas camadas para bloquear a radiação térmica proveniente do Sol, da Terra e da Lua. A temperatura de operação dos sensores do WFI é de -184 °C
A espaçonave em si, que abriga painéis solares, sistemas de propulsão, computadores de bordo e antenas para comunicação com a Terra, foi construída com redundâncias robustas. A missão primária é estimada em cinco anos, mas o histórico de operações de telescópios espaciais possui várias missões estendidas. As margens de propelente e estabilidade já apontam para uma longevidade potencial de mais de uma década.
Além do próprio Roman, foram feitos avanços em engenharia de software e manuseio de dados. O WFI deve gerar gigabytes de dados a cada poucas horas. Para lidar com esse volume sem gargalos, a NASA implementou sistemas automatizados de compressão e transmissão de dados via Deep Space Network, uma rede de antenas espalhadas pelo mundo para comunicação com missões além da órbita da Terra.
Olhos no céu Apesar do espelho primário de mesmo tamanho, há uma muitas diferenças entre o Hubble e o Roman. Lançado em 1990, o Hubble opera principalmente na faixa da luz visível, mas também é sensível a ultravioleta e infravermelho, e orbita a Terra a aproximadamente 540 quilômetros de altitude. Na era do Ônibus Espacial, foram feitas missões de manutenção e atualização tripuladas – que garantiram que o telescópio permanecesse em operação até hoje.
Nancy Grace Roman (1925-2026) ficou conhecida como “mãe do Hubble” por seu papel fundamental na concepção e viabilização do Hubble enquanto atuava como a primeira chefe de astronomia da NASA. A escolha do nome do novo telescópio é um reconhecimento à uma pioneira que abriu portas para mulheres na ciência e protagonizou o início da era dos grandes observatórios espaciais.
O James Webb é dedicado ao infravermelho médio e próximo foi lançado em dezembro de 2021. Conta com um espelho de 6,5 m composto por segmentos de berílio revestidos de ouro, com seu conjunto óptico protegido por por um escudo de múltiplas camadas em formato de pipa. Como o Roman, está localizado no ponto L2.
Enquanto o Hubble se tornou famoso no público geral por suas imagens de alta definição de galáxias e nebulosas, astrônomos o tinham como uma ferramenta sem precedentes para observações no espectro da luz visível. O JWST também produz lindos wallpapers e dados ímpares no infravermelho enquanto desvenda o universo primordial e analisa a composição atmosférica de exoplanetas. O Roman foi concebido primariamente para um mapeamento em larga escala, com expectativas de estudos sobre energia escura, matéria escura e exoplanetas.
Esses três grandes observatórios espaciais, outros menores, e grandes telescópios na Terra, trabalham de forma cooperativa. O WFI do Roman escaneará grandes regiões do céu e levantará alvos de interesse para os instrumentos do Hubble e do Webb analisarem em detalhes.
Legado Durante milênios, os seres humanos tiveram apenas os próprios olhos para explorar o céu. No início do Século XVII, a invenção do telescópio por Hans Lippershey e o seu aprimoramento por Galileu Galilei para a observação astronômica foram um ponto sem retorno. Mas a atmosfera continuava sendo uma barreira.
Nossos observatórios ópticos no solo estão sujeitos a turbulência do ar, poluição luminosa e absorção atmosférica de comprimentos de onda como raios X, ultravioleta e grande parte do infravermelho. A astronomia de rádio só seria desenvolvida em meados do Século XX, época em que também se desenvolveu capacidades de lançamento de grandes cargas ao espaço.
Em 1946, o astrônomo Lyman Spitzer formalizou a ideia de um observatório astronômico operando no espaço. Vinte anos depois, a NASA começou a lançar os primeiros telescópios espaciais, já com sensibilidade além da luz visível. A grande revolução aconteceu nos anos 90, com o Hubble.
Apesar da grande promessa, um defeito no espelho primário impediu resultados melhores que o de observatórios terrestres. Três anos após o lançamento, foi feita uma missão do Ônibus Espacial para implementar uma correção que possibilitasse os resultados desejados. A mídia deu um tom épico à missão, com astronautas se arriscando para reparar uma das ferramentas científicas mais promissoras do século e mais caras da história.
A astronomia deu a volta por cima. O Hubble superou as expectativas e tornou-se um dos empreendimentos científicos mais bem-sucedidos da humanidade. No Sistema Solar, registrou a colisão de asteroides, estudou luas geladas, monitorou tempestades nas atmosferas de Júpiter e Saturno e observou tempestades de poeira em Marte. Na Via Láctea, estudou aglomerados estelares, nebulosas e o ciclo de vida das estrelas – especialmente eventos de nascimento e morte.
Mas as maiores contribuições do Hubble vieram de muito mais longe, como as primeiras evidências consistentes sobre de buracos negros supermassivos no centro da maioria das galáxias espirais e elípticas. O telescópio permitiu medir a taxa de expansão do universo com uma precisão sem precedentes, ajudando a confirmar que essa expansão está se acelerando pela ação de uma força misteriosa conhecida como energia escura. Suas imagens de campo profundo revelaram a estrutura do universo e avançaram nosso entendimento sobre a evolução cósmica.
E por causa do Hubble também tivemos, avanços em óptica, transmissão de dados, compressão e análises de imagens, softwares, projetos educacionais… Até a medicina e algumas ferramentas domésticas se beneficiaram. Métodos de análise de imagens desenvolvidos para o Hubble foram usados para mamografias, auxiliando na detecção de câncer. E as parafusadeiras sem fio foram desenhadas para serem usadas por astronautas em missões de reparos e manutenção.
Apoiado nos ombros desse gigante, o James Webb está revelando a aurora do universo, observando as primeiras galáxias formadas poucas centenas de milhões de anos após o Big Bang. O Webb também inaugurou a era da espectroscopia atmosférica exoplanetária direta, conseguindo identificar a presença de vapor de água, dióxido de carbono e outras moléculas importantes em mundos distantes.
Universo Com o histórico dos telescópios espaciais e a tecnologia investida no Roman, o novo observatório carrega muita expectativa. Um dos principais objetivos é mapear a geometria do universo e a história de sua expansão com exatidão sem precedentes.
Cerca de 95% do cosmos é composto por matéria escura, que agrupa e molda as galáxias através da gravidade, e energia escura, a força repulsiva que acelera a expansão do universo. Para investigá-las, o Roman fará levantamentos massivos de lentes gravitacionais fracas (distorções no caminho da luz causadas pela gravidade), oscilações acústicas de bariônicas (ondas sonoras que sepropagaram pelo universo primordial) e supernovas distantes (que permitem estimativa precisa de distância).
O WFI vai observar centenas de milhões de galáxias e cientistas usarão essas observações para detectar como a luz de galáxias distantes é sutilmente distorcida pela gravidade da matéria escura ao longo do caminho. Espera-se criar um mapeamento tridimensional em larga escala e descobrir se a aceleração da expansão cósmica é constante ou variável, causada por uma forma dinâmica de energia escura que evolui ao longo do tempo.
Com o Roman, a exoplanetologia também vai usar lentes gravitacionais. O campo gravitacional de uma estrela pode atuar como uma lupa e amplificar a luz de uma estrela de fundo, revelando planetas orbitando a estrela intermediária. Com essa técnica, o telescópio será capaz de descobrir milhares de novos mundos.
Essa técnica é particularmente interessante porque permite detectar exoplanetas em regiões remotas da Via Láctea, incluindo planetas rochosos orbitando longe de suas estrelas, que escapam dos métodos tradicionais de detecção.
E temos também o coronógrafo, que permitirá imageamento e espectrografia direta.
O instrumento recebeu esse nome porque foi criado para possibilitar a observação da coroa (corona) solar, a “atmosfera” do Sol. Num eclipse solar total, o disco lunar cobre o solar, bloqueando a luz ofuscante da nossa estrela e deixando a coroa visível. O coronógrafo faz as vezes do disco lunar em um “eclipse artificial”.
Até 1600 e bolinha, fenômenos como esse eram os únicos momentos em que observações cruciais eram possíveis. O Mensageiro Sideral, telescópio astronômico de Galileu foi primeiro. Hoje, a próxima geração de observatórios espaciais – mais avançada que Hubble, Webb e Roman – já está sendo planejada.
Sempre que escrevo sobre os últimos avanços em observatórios, na terra, no ar ou no espaço, me pergunto se as pessoas que deram início a tudo isso imaginavam o que estaríamos desenvolvendo séculos depois…
“Meu caro Kepler, gostaria que pudéssemos rir da notável estupidez da manada comum. O que você tem a dizer sobre os principais filósofos desta academia que estão cheios da teimosia de uma áspide e não querem olhar nem para os planetas, nem para a lua, nem para o telescópio, embora eu lhes tenha oferecido livre e deliberadamente a oportunidade mil vezes?”
-Galileu Galilei em correspondência a Johannes Kepler em 1610