A Tecnologia TBIRD Poderá Ajudar a Captar Imagens dos Anéis de Fótons de Buracos Negros

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Imagem: Space Daily
Legenda: O payload de comunicações do TBIRD tem aproximadamente o tamanho de uma caixa de lenços.
 
No dia de hoje (20/11), o portal Space Daily noticiou informou que a Tecnologia TBIRD poderá ajudar a captar imagens dos anéis de fótons de buracos negros.
 
De acordo com a nota do portal, em abril de 2019, um grupo de astrônomos de todo o mundo surpreendeu o mundo ao revelar a primeira imagem de um buraco negro – uma imensa acumulação de estrelas e gás colapsados que impede qualquer coisa de escapar, nem mesmo a luz. A imagem, que mostrava o buraco negro no centro de uma galáxia chamada Messier 87 (M87), revelou o gás brilhante ao redor do centro do buraco negro. Em março de 2021, a mesma equipe produziu outra imagem impressionante, que mostrou a polarização da luz ao redor do buraco negro, revelando seu campo magnético.
 
A "câmera" que captou ambas as imagens é o Telescópio de Horizonte de Eventos (EHT), que não é um único instrumento, mas uma coleção de radiotelescópios localizados ao redor do mundo que trabalham juntos para criar imagens de alta resolução ao combinar dados de cada telescópio individual. Agora, os cientistas estão buscando estender o EHT para o espaço a fim de obter uma visão ainda mais nítida do buraco negro de M87. Mas produzir as imagens mais nítidas da história da astronomia apresenta um desafio: transmitir o enorme conjunto de dados do telescópio de volta à Terra para processamento. Um pequeno, mas poderoso, payload de comunicações a laser (lasercom) desenvolvido no MIT Lincoln Laboratory opera nas altas taxas de dados necessárias para capturar os aspectos de interesse do buraco negro.
 
Expandindo as distâncias de base para o espaço O EHT criou as duas imagens existentes do buraco negro de M87 por meio de interferometria – especificamente, interferometria de muito longo alcance. A interferometria funciona coletando luz na forma de ondas de rádio simultaneamente com múltiplos telescópios em locais separados no globo e, em seguida, comparando a diferença de fase das ondas de rádio nos diversos locais para localizar a direção da fonte. Ao fazer medições com diferentes combinações de telescópios ao redor do planeta, a colaboração do EHT – que incluiu membros da Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) e do MIT Haystack Observatory – essencialmente criou um telescópio do tamanho da Terra para captar a imagem do buraco negro incrivelmente fraco a 55 milhões de anos-luz da Terra.
 
Com interferometria, quanto maior o telescópio, melhor a resolução da imagem. Portanto, para focar em características ainda mais finas desses buracos negros, é necessário um instrumento maior. Detalhes que os astrônomos esperam resolver incluem a turbulência do gás caindo em um buraco negro (que impulsiona o acúmulo de matéria no buraco negro por meio de um processo chamado acreção) e a sombra de um buraco negro (que pode ser usada para ajudar a determinar de onde o jato proveniente de M87 está extraindo sua energia). O objetivo final é observar um anel de fótons (o local onde a luz orbita mais perto antes de escapar) ao redor do buraco negro. Capturar uma imagem do anel de fótons permitiria que os cientistas colocassem a teoria da relatividade geral de Albert Einstein à prova.
 
Com telescópios baseados na Terra, a distância máxima entre dois telescópios seria no lado oposto do planeta, ou cerca de 13.000 quilômetros de distância. Além dessa distância máxima de base, os instrumentos terrestres são limitados pela atmosfera, o que torna difícil observar comprimentos de onda mais curtos. As limitações atmosféricas da Terra podem ser superadas estendendo as bases do EHT e colocando pelo menos um dos telescópios no espaço, que é exatamente o que a missão proposta, liderada pelo CfA, Black Hole Explorer (BHEX), visa fazer.
 
Um dos maiores desafios dessa concepção espacial é a transferência de informações. O conjunto de dados para produzir a primeira imagem do EHT foi tão massivo (totalizando 4 petabytes) que os dados precisaram ser colocados em discos e enviados a uma instalação para processamento. Coletar informações de um telescópio em órbita seria ainda mais difícil; a equipe precisaria de um sistema capaz de fazer o downlink dos dados do telescópio espacial para a Terra a uma taxa de aproximadamente 100 gigabits por segundo (Gbps) para poder captar as características desejadas do buraco negro.
 
“Desenvolvemos uma tecnologia inovadora para transporte de dados de grande volume do espaço para a Terra,” diz Jade Wang, assistente do líder do grupo de Comunicações Ópticas e Quânticas do laboratório. “No processo de desenvolvimento dessa tecnologia, procuramos colaborações e outras missões potenciais que pudessem aproveitar essa capacidade de dados sem precedentes. O BHEX é uma dessas missões. Essas altas taxas de dados permitirão que os cientistas capturem pela primeira vez a estrutura do anel de fótons de um buraco negro.”
 
Uma equipe de lasercom liderada por Wang, em parceria com o CfA, está desenvolvendo o downlink de longo alcance e alta taxa necessário para a missão BHEX em órbita terrestre média (MEO).
 
“As comunicações a laser estão totalmente transformando nossas expectativas sobre as descobertas astrofísicas possíveis a partir do espaço,” diz o astrofísico do CfA, Michael Johnson, investigador principal da missão BHEX. “Na próxima década, essa incrível nova tecnologia nos levará até a borda de um buraco negro, criando uma janela para a região onde nosso entendimento atual da física entra em colapso.”
 
Embora o TBIRD seja incrivelmente poderoso, a tecnologia precisa de algumas modificações para suportar a órbita mais alta que o BHEX exige para sua missão científica. O pequeno payload TBIRD (CubeSat) será atualizado para um tamanho de abertura maior e maior potência de transmissão. Além disso, o protocolo de solicitação automática do TBIRD – o mecanismo de controle de erro para garantir que os dados cheguem à Terra sem perdas devido a efeitos atmosféricos – será ajustado para considerar os maiores tempos de ida e volta que vêm com uma missão em MEO. Finalmente, a arquitetura de "buffer e burst" do TBIRD LEO para entrega de dados será alterada para uma abordagem de streaming.
 
“Com o TBIRD e outras missões de lasercom, demonstramos que a tecnologia de lasercom para uma missão científica tão impactante está disponível hoje,” diz Wang. “Ter a oportunidade de contribuir para uma área de descobertas científicas realmente interessantes é uma perspectiva empolgante.”
 
 
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