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Descoberta técnica de medição na fronteira entre a Física e a Astronomia
2019 agosto 07

A enorme rede de difração do ESPRESSO apresentado aqui na fase de testes na sede do ESO. Créditos: ESO/M. ZamaniOs intensos raios laser que permitiram uma forma alternativa de calibrar o futuro descobridor de novas Terras. Créditos: ESO/G. HüdepohlVery Large Telescope, com a unidade UT4 a utilizar as estrelas-guia laser durante a fase de testes do ESPRESSO. Créditos: Alexandre Cabral / IA.
A procura de exoplanetas passará ao próximo nível com a deteção e caracterização de planetas semelhantes à Terra. Um novo instrumento nesta demanda é o espectrógrafo ESPRESSO1. Com mão portuguesa, está instalado num dos melhores telescópios do mundo, o Very Large Telescope (VLT), do Observatório Europeu do Sul (ESO), no Chile. Permitirá detetar na luz das estrelas os ténues efeitos induzidos por planetas tão pequenos como a Terra.

Um dos efeitos da presença de exoplanetas é a alteração do movimento da estrela. Por isso, o ESPRESSO terá de medir a velocidade do movimento das estrelas com desvios em relação ao valor real não superiores a dez metros por segundo. Foi agora descoberta uma técnica alternativa capaz de calibrar os dados deste espectrógrafo de forma a atingir uma tal exatidão. Utiliza um sistema já existente no VLT, embora criado para outros fins, e é anunciada num artigo2 publicado na Physical Review Letters, fruto de um estudo liderado por Frédéric Vogt, do ESO, com a participação de Pedro Figueira, do ESO e do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA3), e de Alexandre Cabral, do IA e da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa (FCUL).

Os modernos observatórios utilizam um sistema de óptica adaptativa para corrigir os efeitos da turbulência atmosférica nas imagens reais do céu. Este sistema emprega lasers para produzir estrelas artificiais na alta atmosfera. É a observação desta “estrela” de referência que permite caracterizar a turbulência atmosférica em cada momento. Agora, segundo este novo estudo, estes lasers podem também servir para calibrar os dados obtidos com instrumentos instalados no observatório.

Esta é a primeira vez que este método é proposto e demonstrado”, afirma Frédéric Vogt, do ESO e primeiro autor do artigo. “O ESPRESSO é um espectrógrafo de última geração, com uma precisão e exatidão inéditas, e por isso é ideal para demonstrar o potencial desta nova técnica complementar de calibração.

A nova aplicação dos lasers, não antecipada, foi posta em prática a 2 de fevereiro de 2018, numa das primeiras noites de teste do instrumento na observação do céu. Um dos lasers foi apontado para o campo de visão do telescópio UT4 do VLT, de modo a que o ESPRESSO pudesse receber a luz do próprio laser a atravessar a atmosfera.

Uma das vantagens desta nova técnica é o facto de ter em conta todo o percurso que a luz faz desde o céu até ao espectrógrafo”, comenta Alexandre Cabral. “A luz passa não só pelo telescópio, mas também pela componente Portuguesa do ESPRESSO, o sistema óptico ʻCoudé Trainʼ, que leva a luz ao longo de um trajeto de cerca de 60 metros, desde o telescópio até ao espectrógrafo.” Frédéric Vogt acrescenta: “Enquanto outros métodos habitualmente usados recorrem a lâmpadas de referência, cuja luz é artificialmente inserida no instrumento, a luz dos lasers vem do céu e percorre o telescópio e a óptica do instrumento da mesma forma que o fará o sinal de alvos científicos.

Embora a luz do laser tenha um espectro estreito, de comprimento de onda conhecido, este é desmultiplicado em várias outros comprimentos de onda quando os fotões do laser atingem moléculas da atmosfera (sendo o azoto e o oxigénio moleculares as mais abundantes). Em consequência de afetarem determinados estados das moléculas, os fotões podem perder ou ganhar energia, alterando-se ligeiramente o seu comprimento de onda.

Estes efeitos de dispersão, designados em Física por dispersão inelástica, como o efeito de Raman, produzem assim uma gama de comprimentos de onda que pode ser prevista teoricamente. Quando comparada a previsão teórica com as observações de um instrumento, é possível avaliar a exatidão dos valores de comprimentos de onda medidos com esse instrumento.

As observações do ESPRESSO registaram todos os comprimentos de onda previstos pelos modelos teóricos. Registaram ainda alguns sinais adicionais, que justificam futuras observações em profundidade. “O próximo passo será detetar sinais no espectro cada vez mais ténues para delimitarmos os parâmetros moleculares ainda desconhecidos”, diz Pedro Figueira, cientista do ESO responsável pelo ESPRESSO e membro do consórcio que o construiu.

O ESPRESSO poderá assim ainda vir a revelar novos conhecimentos em física molecular. “Com este estudo conseguiu-se um resultado extraordinário ao nível de ciência fundamental ainda nas primeiras noites de teste do instrumento”, afirma Pedro Figueira.

As estrelas-guia laser estão hoje presentes em todos os grandes observatórios astronómicos profissionais, e eram até agora vistas apenas como uma componente da óptica adaptativa”, diz Frédéric Vogt. “Mas os astrónomos são especialistas em recolher e explorar todas as formas de luz. Este trabalho sublinha o potencial de aplicações ainda não exploradas para estes lasers, que são fontes de luz muito bem conhecidas.


Notas
  1. O espectrógrafo ESPRESSO é um instrumento de alta resolução que irá permitir descobrir exoplanetas semelhantes à Terra. O Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) teve uma forte participação no consórcio, e por isso terá acesso privilegiado à exploração científica deste instrumento. O ESPRESSO será também a ferramenta mais potente no mundo para verificar se as constantes físicas da Natureza se alteraram desde que o Universo era jovem, tal como preveem algumas teorias fundamentais da Física.
  2. O artigo “Rotational and rotational-vibrational Raman spectroscopy of air to characterize astronomical spectrographs”, por Frédéric Vogt at al, foi publicado a 6 de agosto de 2019 na revista científica Physical Review Letters, Volume 123 (DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.061101).
  3. O Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) é a maior unidade de investigação na área das Ciências do Espaço em Portugal, integrando investigadores da Universidade do Porto e da Universidade de Lisboa, e englobando a maioria da produção científica nacional na área. Foi avaliado como “Excelente” na última avaliação que a Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) encomendou à European Science Foundation (ESF). A atividade do IA é financiada por fundos nacionais e internacionais, incluindo pela FCT/MCES (UID/FIS/04434/2019).

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