O Observatório Rubin e o Telescópio Espacial Roman refletirão as realizações de seus homônimos e transformarão nossa compreensão do universo

Vera Rubin (à esquerda) e Nancy Grace Roman durante o encontro Women in Astronomy and Space Science 2009 patrocinado pela NASA em Adelphi, Maryland. Crédito da imagem: NASA, Jay Freidlander

Mudar de nome não é uma decisão a ser tomada de ânimo leve. Então, quando dois dos mais poderosos e revolucionários observatórios astronômicos foram renomeados, as pessoas perceberam. 

Esta foto icônica mostra Vera C. Rubin trabalhando no Departamento de Magnetismo Terrestre da Carnegie Institution for Science. Crédito da imagem: AIP Emilio Segrè Arquivos Visuais, Coleção Rubin

Ambas as mulheres homônimas eram figuras imponentes em seus respectivos campos de estudo. Vera C. Rubin produziu evidências convincentes da matéria escura, dando início ao que o The New York Times chamou de “mudança em escala copernicana” na cosmologia. A pesquisa de Nancy Grace Roman levou a insights fundamentais sobre a estrutura da nossa galáxia. Como a primeira chefe de astronomia da NASA, Roman também ficou conhecida como a “mãe” do Telescópio Espacial Hubble e foi a principal impulsionadora de vários outros observatórios espaciais.

Como as biografias de Rubin e Roman, ambos os observatórios estão cheios de superlativos. O Observatório Rubin, que deve terminar a construção em dezembro e entrar em operação total no final de 2024, possui a primeira câmera digital de 3,2 bilhões de pixels do mundo. O design do Simonyi Survey Telescope de 8,4 metros é tão único que arrecadou US$ 40 milhões em financiamento privado, principalmente dos gurus da Microsoft, Charles Simonyi e Bill Gates, muito antes do financiamento federal entrar em vigor para o restante do projeto.

O Telescópio Espacial Roman, por sua vez, possui a mesma resolução brilhante de subsegundos de arco do Hubble, mas cobre um campo de visão 100 vezes maior e pode mudar de alvo muito mais rapidamente. Seu foco nos comprimentos de onda do infravermelho próximo permite que ele penetre na poeira e no gás além da visão do Hubble. Acompanhando a Terra de longe enquanto compartilha sua órbita ao redor do Sol, Roman será até 1.000 vezes mais eficiente que o Hubble como telescópio de pesquisa.

Visto aqui no Goddard Space Flight Center da NASA no início dos anos 1970, Nancy Grace Roman foi uma figura instrumental na pesquisa astronômica, bem como no desenvolvimento e lançamento de vários telescópios espaciais. Crédito da imagem: NASA

O enorme quantidade de dados produzidos por ambos os observatórios exigirá algoritmos especializados e, para Rubin, centros de processamento dedicados para lidar com o dilúvio de novas informações. Se tudo correr como planejado, os dois observatórios desempenharão papéis importantes no avanço do campo da astronomia, contribuições dignas de seus homônimos, que fizeram o mesmo em suas vidas.

Iluminando a matéria escura

A matéria escura foi postulada pela primeira vez em 1933 pelo astrônomo suíço Fritz Zwicky, quando descobriu que as galáxias do Aglomerado Coma estavam se movendo muito rápido para que o grupo se juntasse com base no conteúdo visível de suas galáxias. Sua ideia foi controversa: Sem o que ele chamou de dunkle Materie, ou matéria escura, apenas uma mudança nas leis da física poderia explicar como nosso universo se mantém unido.

Quatro décadas depois, Rubin tocou no assunto enquanto buscava um porto seguro na controvérsia e na “atmosfera competitiva”, como ela chamava, de seu trabalho anterior sobre as distribuições e movimentos das galáxias. Ela e o instrumentista Kent Ford, que desenvolveu o espectrógrafo especializado central para sua pesquisa, publicaram artigos seminais sobre as curvas de rotação de galáxias espirais. Rubin descobriu que as estrelas orbitando na periferia das galáxias estavam se movendo inexplicavelmente rápido. Em outras palavras, as curvas de rotação das galáxias eram planas.

Uma lua cheia ilumina o céu que escurece sobre o Observatório Vera C. Rubin em 5 de maio de 2020. Crédito da imagem: Observatório Rubin/NSF/AURA

A física dita que quanto mais longe de uma concentração de massa algo orbita, mais fraca é a força gravitacional que ele experimenta e mais devagar ele se move. Com base na quantidade de matéria visível na periferia dessas galáxias, que diminui com a distância, as estrelas deveriam estar orbitando mais lentamente. Mas quando Rubin olhou para as bordas de uma galáxia, ela descobriu que as estrelas mantinham sua velocidade, como se estivessem sob a influência da atração gravitacional de alguma matéria invisível. 

As medições de Rubin eram evidências convincentes de que algum material invisível, o Dunkle Materie de Zwicky, residia dentro e ao redor das galáxias. Acredita-se que a matéria escura e a igualmente misteriosa energia escura, a suposta explicação para a expansão acelerada do universo, representem 95% do universo conhecido (25% de matéria escura, 70% de energia escura). 

“Nós nos tornamos astrônomos pensando que estávamos estudando o universo”, Rubin disse mais tarde sobre as ramificações de sua descoberta revolucionária, “e agora aprendemos que estamos apenas estudando os cinco ou 10 por cento que são luminosos”.

O Telescópio Espacial Nancy Grace Roman (mostrado no conceito deste artista) é semelhante em tamanho ao Telescópio Espacial Hubble. Ele orbitará o Sol ao lado da Terra a partir de um dos cinco pontos gravitacionalmente estáveis ??no sistema Terra-Sol. Crédito da imagem: NASA

O Observatório Rubin

O Observatório Rubin, em fase de conclusão no topo do Cerro Pachón, no Chile, pode ajudar os astrônomos a sondar os outros 95%.

A gigantesca câmera digital do telescópio, que, com o tamanho de um pequeno SUV, é a maior do mundo, pesa várias toneladas e compreende 189 detectores CCD ultraprecisos de 16 megapixels cada, agrupados em grupos de nove. Emprega três lentes, a maior das quais tem 1,5 m de diâmetro, principalmente para corrigir a aberração cromática, e seis filtros para capturar todo o espectro visível (mais um toque de luz infravermelha e ultravioleta).

O espelho do telescópio também inova: Ele apresenta um terciário embutido no primário, fabricado como uma única fundição para maximizar a estabilidade interna e minimizar o peso. Este sistema de espelho integrado permite que o telescópio gire para novas posições do céu em apenas cinco segundos, o que significa que o observatório pode pesquisar todo o céu do Hemisfério Sul até a magnitude 24 a cada três dias.

Uma equipe triunfante posa com o espelho primário e terciário do Simonyi Survey Telescope de 8,4 metros em 2008. O espelho foi fundido no Laboratório de Espelhos do Observatório Steward da Universidade do Arizona em Tucson, Arizona. Crédito da imagem: Howard Lester/LSST Corporation

O fluxo de dados resultante será sem precedentes para um único instrumento astronômico. A cada noite, ele gerará 20 terabytes de dados e emitirá cerca de 10 milhões de alertas de quaisquer mudanças que detectar no céu, principalmente asteroides. Cada alerta será processado e transmitido mundialmente em menos de 60 segundos.

Durante seu Legacy Survey of Space and Time de 10 anos (que agora usa o acrônimo LSST), os computadores dedicados de Rubin catalogarão cerca de 20 bilhões de galáxias e um número semelhante de estrelas, bem como vários milhões de novas supernovas e cerca de 6 milhões de asteroides. Até então, o observatório terá pesquisado cada parte do céu do Sul mais de 800 vezes, produzindo várias centenas de milhares de terabytes de dados. Ao fazer isso, o Observatório Rubin pode abrir a porta para entender a matéria escura usando um fenômeno chamado lente gravitacional.

Com base na teoria da relatividade geral de Einstein, objetos massivos agem como lentes, dobrando e amplificando a luz à medida que se aproxima deles. Ao observar como os aglomerados de galáxias afetam a luz de objetos mais distantes atrás deles, como galáxias e quasares brilhantes, os astrônomos podem calcular a massa total do aglomerado. Comparando isso com a massa da matéria visível dos aglomerados, revela quanta matéria escura invisível está escondida dentro deles.

Engenheiros testam a configuração da câmera de 3.200 megapixels do Observatório Rubin em uma sala limpa no cume. Crédito da imagem: Andy Freeberg/SLAC National Accelerator Laboratory

Moldando a astronomia da NASA

Enquanto Rubin observava as galáxias, Roman se concentrava nas características das estrelas da Via Láctea. Seu artigo seminal de 1950 no Astrophysical Journal sobre idades estelares e formação de estrelas redefiniu a estrutura de nossa galáxia.

Como as estrelas mais jovens nascem dos restos nucleares expelidos de estrelas mais velhas, elas contêm elementos mais complexos do que seus antepassados. Os astrônomos chamam qualquer coisa mais pesada que o hélio e o hidrogênio (os dois elementos mais leves, que alimentam principalmente as estrelas) de metal. Assim, as estrelas mais velhas têm menor metalicidade, ou conteúdo de metal, do que as estrelas mais jovens. Analisando e caracterizando a luz das estrelas, Roman descobriu que estrelas mais velhas e vermelhas têm órbitas mais lentas, mais elípticas e mais inclinadas ao redor do centro galáctico do que estrelas mais jovens, mais azuis e que se movem mais rápido, que seguem órbitas circulares e abraçam o plano galáctico à medida que se formam.

Rubin fez suas descobertas inovadoras sobre a matéria escura usando um espectrógrafo de tubo de imagem desenvolvido por Kent Ford e acoplado ao telescópio nº 1 de 36 polegadas no Observatório Nacional de Kitt Peak. Crédito da imagem: KPNO/NOIRLab/NSF/AURA

Em 1956, esta pesquisa suscitou um convite para a abertura do Observatório Byurakan na Armênia, na União Soviética. Com apenas três americanos presentes, isso trouxe a atenção de Roman de volta para casa. E apenas um ano depois, os russos lançaram o Sputnik. A corrida espacial começou e, em 1959, Roman ingressou no recém-formado Escritório de Ciências Espaciais da NASA.

“A chance de começar do zero para mapear um programa que pensei que influenciaria a astronomia por cinquenta anos foi mais do que pude resistir”, escreveu Roman em uma autobiografia publicada na Annual Review of Astronomy and Astrophysics logo após sua morte.

Como administradora da NASA, Roman encerrou sua carreira de pesquisadora, mas liderou o caminho em vários observatórios espaciais em órbita nos anos seguintes. E sob sua feroz liderança e lobby, o Telescópio Espacial Hubble sobreviveu a inúmeros ataques e contratempos, ganhando seu apelido de mãe do Hubble. Mas em seu tempo e comprometimento na NASA, os esforços de Roman prepararam o palco para muitos outros projetos também, incluindo o Observatório de Raios-X Chandra e o Telescópio Espacial Spitzer.

O trabalho de Rubin mostrou que as regiões externas das galáxias estão girando mais rápido do que o esperado com base na massa da matéria visível das galáxias. Esta figura, que compara a taxa de rotação observada de estrelas e gás em M33 (linha branca) com a taxa de rotação esperada (linha cinza), significa que a galáxia tem mais massa do que o indicado apenas por sua matéria visível. Essa massa extra é a matéria escura. Crédito da imagem: Astronomy: Roen Kelly, depois de Mario De Leo/Wikimedia Commons

O Telescópio Espacial Roman

Planejado para ser lançado no final da década de 2020, o telescópio espacial homônimo de Roman se concentrará nos comprimentos de onda do infravermelho próximo em ambos os hemisférios do céu. Seu espelho de 2,4 metros, semelhante em tamanho ao do Hubble, terá uma câmera de 300 megapixels capaz de atingir uma resolução de 0,1 segundo de arco no enorme campo de visão de 0,28 graus quadrados do telescópio. O telescópio Roman produzirá 1,3 terabytes de dados por dia a partir de sua órbita aproximadamente elíptica em torno do segundo ponto Lagrange na órbita da Terra, um dos cinco pontos gravitacionalmente estáveis no sistema Terra-Sol.

O telescópio também levará um coronógrafo inovador capaz de bloquear a luz avassaladora de estrelas-alvo distantes para detectar os exoplanetas escuros e invisíveis ao seu redor. Este coronógrafo usará dois espelhos do tamanho de medalhas, cada um com 2.000 pistões minúsculos fazendo ajustes constantes para manter suas superfícies dentro das especificações. Os engenheiros esperam que o instrumento seja 1.000 vezes mais sensível do que os coronógrafos existentes, capaz de detectar exoplanetas entre 20 milhões e 1 bilhão de vezes mais fracos que sua estrela hospedeira, desde que se torne visível a mais de 0,15" de distância no céu. Isso é semelhante a detectar um vaga-lume pairando perto de um farol a 1.600 quilômetros (1.000 milhas) de distância.

O amplo campo de visão do Telescópio Espacial Roman permitirá que ele visualize vastas áreas do céu em uma única tomada. Esta visão simulada da Galáxia de Andrômeda (M31) mostra o quanto a câmera cobrirá em uma imagem, neste caso, uma região de 34.000 anos-luz e contendo mais de 50 milhões de estrelas. Crédito da imagem: GSFC/SVS

Enfrentando barreiras

Mulheres cientistas há muito enfrentam adversidades. Como suas contrapartes em outras disciplinas, as mulheres na astronomia sofreram discriminação, grandes desigualdades salariais, ridicularização e a indignidade de ver suas próprias pesquisas receberem elogios de colegas homens. No entanto, Rubin e Roman avançaram em um campo que estava repleto de sexismo antes mesmo do termo ter sido cunhado. (De acordo com Merriam-Webster, o primeiro uso conhecido de sexismo com sua definição atual foi em 1963.)

Os pais de Rubin alimentaram seus primeiros interesses em astronomia e música. Seu pai, um engenheiro elétrico, ajudou-a a construir seu próprio telescópio na adolescência. O pai de Roman, um geofísico, também incentivou a paixão de sua filha por astronomia e matemática, enquanto sua mãe alimentava a imaginação de Roman com caminhadas noturnas para se maravilhar com as luzes do Norte e as constelações.

Após o colegial, as realidades da ciência dominada pelos homens começaram a usurpar ambas. Nascida em 1925 (três anos antes de Rubin), Roman se inscreveu primeiro na faculdade e foi aceita no Swarthmore College. Ao não conseguir convencer Roman a não se formar em ciências, a reitora feminina da faculdade não teve mais nada a ver com ela nos quatro anos seguintes, escreveu Roman.

Roman, posando aqui em 1966 com um modelo do observatório que se tornaria o Telescópio Espacial Hubble, ficou conhecida como a mãe do Hubble por sua dedicação em ver o projeto se concretizar. Durante seu tempo na NASA, Roman foi a força motriz por trás de muitos outros observatórios espaciais, incluindo o satélite Cosmic Background Explorer. Crédito da imagem: NASA

Rubin mais tarde se inscreveu para estudar astronomia na mesma escola, mas eles recusaram sua inscrição e sugeriram que ela encontrasse uma carreira mais feminina. Em vez disso, ela foi para o Vassar College em 1945, onde Maria Mitchell, a primeira astrônoma da América, havia lecionado 75 anos antes. Rubin se saiu bem nas aulas e se formou um ano antes, casando-se assim que saiu da escola.

Ela se inscreveu na Universidade de Princeton em seguida, mas eles a rejeitaram sumariamente, levaria décadas até que admitissem qualquer mulher. Em 1948, Rubin e seu marido, Robert, foram para a Cornell University, onde ele desenvolveu seu doutorado enquanto ela fazia mestrado. 

Após dois anos de estudo, a tese final de Rubin sobre a distribuição de velocidade das galáxias foi tão impressionante que seu chefe de departamento, William Shaw, se ofereceu para apresentá-la em uma conferência anual de astronomia. Mas essa oferta veio com uma condição importante. Rubin, grávida de seu primeiro filho e que nasceria pouco antes da conferência, não poderia ir, disse ele. Assim, Shaw apresentaria a pesquisa em seu nome, não no dela. Ela recusou sua “oferta” e, em vez disso, participou ela mesma. Na manhã seguinte à sua apresentação, a primeira página do The Washington Post trazia a manchete “Jovem mãe encontra o centro da criação”.

Anteriormente o Wide Field Infrared Survey Telescope, ou WFIRST, os recursos do Telescópio Espacial Nancy Grace Roman incluem um campo de visão 100 vezes maior que o do Hubble, bem como um coronógrafo avançado que permitirá bloquear a luz das estrelas e ver exoplanetas escuros circundando seus sóis. Crédito da imagem: GSFC/SVS

Em 1951, os Rubins deixaram Cornell e foram para Washington, DC, onde Robert assumiu um cargo no Laboratório de Física Aplicada Johns Hopkins (APL). Em um ano, ficou claro que sua esposa sentia muita falta de sua pesquisa, então Robert a encorajou a fazer um doutorado na Universidade de Georgetown. Enquanto estava grávida de seu segundo filho, Rubin logo estava novamente lado a lado com cientistas proeminentes. Depois de longos dias na APL, Robert a levava a Georgetown para as aulas noturnas. Ele então estacionava do lado de fora e esperava, jantando no carro.

Roman, por sua vez, formou-se em Swarthmore em 1946 e foi para a Universidade de Chicago para obter um Ph.D. Quando ela conheceu o professor que se tornaria seu orientador de tese, William Morgan, ele disse a ela para ir à casa dele para trocar a cama, pois sua esposa estava doente. Atordoada, ela obedeceu. Roman logo descobriu que a maioria dos professores considerava a educação de mulheres uma perda de tempo, já que todas estavam destinadas a se casar e se tornar donas de casa.

Morgan raramente se encontrava com ela e passou seis meses sem reconhecer a mais simples saudação, escreveu Roman. Ele estava disposto, por outro lado, a fugir com a pesquisa dela e apresentá-la como sua em uma prestigiosa conferência no Vaticano. Na noite anterior ao exame oral final, Morgan concordou em se encontrar, mas agendou a sessão para meia-noite. “Ele decidiu usar isso como uma ocasião para carícias”, escreveu ela. “Movi sua mão várias vezes, tentando continuar nossa conversa”.

Um técnico com o espelho primário de 2,4 metros do Telescópio Espacial Roman. Apesar da semelhança de tamanho, o primário do Roman pesa menos de um quarto do Hubble, graças a melhorias em materiais e tecnologia desde que o último foi construído. Crédito da imagem: L3 Harris Technologies

Depois de obter seu Ph.D. em 1949, Roman permaneceu no Observatório de Yerkes por mais seis anos como pesquisadora e instrutora, mas com um salário muito inferior ao de seus colegas homens. O chefe do departamento, Prêmio Nobel Subrahmanyan Chandrasekhar, explicou a ela: “Não discriminamos as mulheres, podemos apenas obtê-las por menos”.

Abrindo novas fronteiras

Apesar dessas dificuldades contínuas, Rubin e Roman continuaram. Elas começaram a fazer seus próprios nomes e, como se viu, para dois futuros telescópios. 

Depois de obter seu Ph.D. em 1954, Rubin tornou-se professora de Georgetown. Mais tarde, ela se mudou para a Carnegie Institution em Washington, mergulhando na pesquisa sobre galáxias que a levou à descoberta inovadora da matéria escura.

Roman mudou-se de Yerkes para passar três anos e meio no US Naval Research Laboratory, familiarizando-se com o campo relativamente novo da radioastronomia antes de assumir o cargo administrativo na NASA. Lá, Roman conquistou o respeito de seus colegas enquanto lutava incansavelmente para fornecer aos astrônomos as ferramentas necessárias para sondar o cosmos.

Rubin usa um quadro-negro para ilustrar um ponto durante o Simpósio Mayall de maio de 1971. Crédito da imagem: Arquivos Visuais AIP Emilio Segrè, Coleção Dorothy Crawford

E os astrônomos antecipam que o Observatório Rubin e o Telescópio Espacial Roman, como seus homônimos, farão descobertas inovadoras sobre o nosso universo.

Cada telescópio fornecerá clareza de grande angular e pontual em todas as imagens, e ambos são principalmente telescópios de pesquisa projetados para criar um catálogo de objetos e fenômenos do céu em escalas sem precedentes. Cada um deles disponibilizará grande parte de seus dados para todo o mundo, gratuitamente e em tempo real.

Em seu papel como astrônoma-chefe, Roman moldou o programa de astronomia espacial da NASA. Este instantâneo de 1965 captura Roman enquanto ela discute o Advanced Orbiting Solar Observatory com o futuro moonwalker Buzz Aldrin. crédito da imagem: NASA

“Acho que estamos entrando em um novo paradigma de gratificação instantânea astronômica”, disse recentemente o prêmio Nobel Adam Riess, da Universidade Johns Hopkins, em um webinar online. Ao contrário do método previamente estabelecido de descobrir alguns objetos interessantes e depois passar meses ou anos solicitando mais tempo para observá-los, ele diz: “para mim, é muito emocionante, como cientista, podermos mergulhar direto em tudo o que vemos sem esperar”.

Esse “nós” inclui um número cada vez maior de mulheres na astronomia. Como a diretora de estudos de graduação e a primeira professora do departamento de astronomia de Princeton (onde Rubin teve sua admissão negada há muito tempo), a astrofísica Neta Bahcall está otimista de que a tendência continuará. Bahcall conhecia bem as duas mulheres; ela era amiga íntima de Rubin até sua morte em 2016.

Esta foto composta e renderização por computador mostra o edifício final do Observatório Vera C. Rubin, anteriormente conhecido como Large Synoptic Survey Telescope, ou LSST. Em dezembro de 2020, o observatório revelou seu logotipo oficial (canto superior direito). Suas cores e design refletem a aparência física e a missão científica do observatório. Crédito da imagem: Observatório Rubin/NSF/AURA; Observatório Rubin

“Meu principal conselho para as jovens da ciência é não prestar atenção aos comentários negativos que você recebe. Apenas faça o que você gosta e no que você é bom. Seja resiliente e persevere”, diz ela.

“Nancy era dura como pregos, e é por isso que ela teve sucesso na NASA em seu trabalho”, diz Bahcall. “Vera simplesmente adorava fazer sua ciência, coletar dados, examiná-los ela mesma e analisá-los. [Ela] sempre me disse que queria encontrar pesquisas nas quais poucas pessoas estavam trabalhando. Isso é o que ela achou mais confortável, não competindo com todo mundo”.

Rubin disse a si mesma em uma entrevista à revista Discover em 1990: “A fama é passageira. Meus números significam mais para mim do que meu nome. Se os astrônomos ainda estiverem usando meus dados daqui a alguns anos, esse é o meu maior elogio”.

Dois dos novos telescópios mais poderosos da década logo celebrarão esse espírito, mostrando o quão longe a ciência avançou no século passado, graças a suas mulheres extraordinárias.

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Referência:

HYMAN, Randall. How Vera Rubin and Nancy Grace Roman transformed astronomy. Astronomy, 30, nov. 2022. Disponível em: <https://astronomy.com/magazine/news/2022/11/how-vera-rubin-and-nancy-grace-roman-transformed-astronomy>. Acesso em: 05, dez. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.