Como Funciona o Radiotelescópio (AST006)

O estudo do universo não se resume hoje aos que os olhos podem ver. Além dos telescópios comuns, voltados para o infinito, existem "olhos eletrônicos” capazes de perceber radiações de um espectro muito mais amplo do que o compreendido pela luz visível. Estendendo desde as ondas de rádio até os raio X podemos captar e estudar radiações e os corpos que as emitem com precisão. Os radiotelescópios, que analisam as ondas de rádio procedentes do espaço, são poderosos instrumentos da pesquisa atual e que focalizamos neste nosso artigo.

Este artigo é de 1991.

 

Durante certo tempo, tudo que o homem podia descobrir a respeito do universo dependia exclusivamente de seus olhos.

Contando primeiramente com instrumentos rudimentares como lunetas do tipo que Galileu usou para descobrir os satélites de Júpiter, depois passou a instrumentos mais poderosos como os telescópios de Monte Palomar, Monte Wilson e outros com lentes de diâmetro superiores a 1 metro, captando assim tênues porções de luz emitidas por estrelas, galáxias e nebulosas distantes.

No entanto, a observação do universo a partir da luz emitida pelos astros tem muitas limitações. Uma delas está na própria atmosfera da Terra que atenua estes sinais e até deforma sua trajetória, prejudicando assim o astrônomo, conforme mostra afigura 1.

 

Figura 1 – Efeito da atmosfera na observação dos astros
Figura 1 – Efeito da atmosfera na observação dos astros

 

São necessárias condições muito boas de observação para que possamos ter imagens de corpos muito fracos.

Outra limitação está no fato de que a radiação visível corresponde a uma porção muito estreita do espectro eletromagnético (figura 2) e existem muitos corpos celestes que tem suas emissões concentradas justamente na parte do espectro que não podemos ver. 

Figura 2 – Espectro das radiações
Figura 2 – Espectro das radiações

 

Tais objetos são totalmente invisíveis quando observados por meio de telescópios comuns, mas se tornam evidentes quando analisados por algum instrumento que seja capaz de captar as radiações que emitem.

 

A RADIOASTRONOMIA

Nos primeiro dias do rádio já se observava que o sol era causador de importantes interferências nas transmissões de rádio de ondas curtas de longas distâncias.

Em 1920 os engenheiros da Bell já trabalhavam num projeto que visava determinar o modo segundo o sol, interferia nas ondas de rádio.

No entanto foi somente em 1933 que um engenheiro chamado Karl G. Jansky, trabalhando no ajuste de antenas de radar, notou que ocorriam interferências em determinadas posições destas antenas.

Inicialmente Jansky não suspeitou que estas interferências pudessem vir do espaço exterior, mas fazendo um levantamento da origem dos sinais estranhos, este engenheiro notou poseriormente que a fonte de interferência movia-se no céu, exatamente como fazem as estrelas, o sol e a luz.

Isso levou-o a concluir que esta fonte de radiação que interferia no seu equipamento não estava na terra mas sim no espaço.

Os sinais interferentes captados por Jansky vinham do centro de nossa galáxia na constelação de Sagitário e que constituem-se num dos mais poderosos fluxos de radiação que chegam até nosso planeta, conforme mostra a figura 3.

 

Figura 3 – A radiação do centro da Galáxia
Figura 3 – A radiação do centro da Galáxia

 

Jansky anunciou sua descoberta em 27 de abril de 1933, dia em que podemos considerar o nascimento da nova ciência, a Radioastronomia.

Durante a segunda guerra, evidentemente todos os esforços de pesquisa foram dirigidos para finalidades bélicas.

Posteriormente levantamentos sobre as emissões procedentes do espaço começaram a ser feitos dando inicio então as pesquisas da nova ciência.

Assim, Grote Riber, nos Estados Unidos, um rádio engenheiro descobriu através de um equipamento dotado de uma enorme antena no quintal de sua casa, que a Via Láctea emitia fortes sinais em grande faixa do espectro de rádio, concentrando sua maior potência em torno de 20,6 MHz.

Mais tarde, em 1951, já dispondo de equipamento construído especificamente para observar as radiações do espaço, ou seja, o radiotelescópio, o Dr. Purcell, da Universidade de Harvard descobriu que o Hidrogênio excitado existente no espaço emite radiação na freqüência de 1420 MHz o que corresponde a um comprimento de onda de 21 cm.

A abertura de uma “janela” para observação do universo, nesta parte do espectro levou os principais Institutos de Pesquisas a imaginar poderosos equipamentos para a recepção.

Um dos primeiros a ser construído com esta finalidade foi o enorme radiotelescópio de Jordrell Banks na inglaterra que consistia num disco parabólico de aproximadamente 80 metros de diâmetro montado numa enorme estrutura de metal capaz de movimentá-lo em todas as direções e assim apontar

 

Figura 4 – Jodrell Bank
Figura 4 – Jodrell Bank

 

O radiotelescópio de Jodrell Bank original recentemente desmoronou, depois de cumprir um poderoso trabalho de observação com a coleta de dados que enriqueceram o conhecimento do homem em relação ao universo, mas hoje já podemos contar com instrumentos muito mais poderosos que o substituem como o da foto que é a versão nova.

Inclusive em São Paulo, em Atibaia o lNPE mantém seu centro de radioastronomia com um poderoso radiotelescópio que realiza importantes estudos sobre as ondas eletromagnéticas que são emitidas por corpos e regiões distantes de nosso universo.

 

   Figura 5 – Radiotelescópio do INPE em Atibaia
Figura 5 – Radiotelescópio do INPE em Atibaia

 

 

POR QUE OS CORPOS CÇLESTES EMITEM ONDAS DE RADIO?

Sabemos que cargas elétricas dotadas de movimentos rápidos são responsáveis pela produção de ondas eletromagnéticas ou ondas de rádio.

Ora, as violentas explosões que ocorrem nas estrelas, o processo de radiação de uma estrela, os fortes campos magnéticos que existem em torno de muitos corpos celestes podem com facilidade acelerar ou agitar as cargas elétricas dos átomos ou mesmo retirá-las destes átomos gerando assim enormes quantidades de ondas de rádio.

Podemos começar com o Sol ao falar das fontes emissoras de radiação.

As explosões que ocorrem na superfície deste astro, o próprio processo interno de produção de energia e o forte campo magnético que existe em torno dele, são responsáveis pela produção de uma enorme quantidade de energia na faixa das ondas de rádio, conforme mostra a figura 8.

 

Figura 6 – Campos produzidos pelo Sol e onda produzidas
Figura 6 – Campos produzidos pelo Sol e onda produzidas

 

A chamada "estática" que ouvimos em nossos rádios de ondas curtas e que se acentua em determinadas épocas do ano, prejudicando a propagação dos sinais de nossos transmissores vem do nosso astro rei.

Em determinadas ocasiões, quando aumenta a quantidade de manchas solares, a intensidade deste fenômeno aumenta.

Existe então um ciclo de 11 anos em que temos máximos destas atividades e que prejudicam sensivelmente as comunicações de ondas curtas em nosso planeta. Na figura 7 um gráfico mostrando os máximos e mínimos desta atividade.

 

Figura 7 – O ciclo dos anos das manchas solares
Figura 7 – O ciclo dos anos das manchas solares

 

Uma outra fonte poderosa de radiação eletromagnética na faixa das ondas curtas é o planeta Júpiter.

O forte campo magnético que existe em torno daquele planeta acelera as partículas carregadas de eletricidade gerando assim uma radiação na faixa de 18 a 30 MHz.

O fato destas ondas poderem ser captadas até mesmo em bons receptores de telecomunicações (ondas curtas) comuns, torna a observação de Júpiter uma tarefa que pode ser realizada até por amadores.

De fato, tudo o que se necessita é de uma boa antena de equipamento para registrar os sinais captados para posterior estudo além do receptor, conforme mostra a figura 8.

 

   Figura 8 – Sistema completo
Figura 8 – Sistema completo

 

A antena deve ser direcional para que sinais indesejáveis sejam eliminados.

No entanto existem fontes mais interessantes que estão situadas a milhares, milhões, ou mesmo bilhões de anos luz, e algumas das quais nem podem ser associadas a objetos visíveis por telescópios.

Assim, processos violentos como os que ocorrem com a explosão de estrelas (novas e supernovas), também geram grande quantidade de sinais de rádio.

Processos ainda desconhecidos que ocorrem no centro de nossa Galáxia são responsáveis pela segunda fonte de intensidade que conhecemos (Sagitário A).

Existem ainda outras fontes poderosas de energia, como os quasares, pulsares, galáxias em colisão que emitem de tal forma, que podemos a bilhões de anos luz estudá-las.

Enfim, um enorme conhecimento do universo pode ser obtido com a expansão dos estudos por todo o espectro eletromagnético e isso só é possível graças aos radiotelescópios.

 

O RADIOTELESCÓPIO

Um dos grandes problemas na radioastronomia é que, mesmo sendo poderosas, a maioria das fontes de sinais que desejamos estudar estão tão longe de nós que eles chegam até aqui com intensidade muito pequena.

Na verdade, esta intensidade quase chega a ser superada pelo ruído de fundo, gerado quer pelo próprio espaço (que não é totalmente vazio), ou pelos equipamentos usados para amplificá-los.

A agitação térmica gera sinais que são captados dando origem ao que denominamos "ruído de fundo".

Como os equipamentos usados para amplificar os sinais captados não estão totalmente frios (zero absoluto), eles também podem gerar ruídos num nível inadmissível.

Para evitar estes problemas, em primeiro lugar precisamos de antenas enormes que captem o máximo possível da energia do corpo distante , conforme mostra a figura 9.

 

Figura 9 – Quanto maior a antena mais energia é captada
Figura 9 – Quanto maior a antena mais energia é captada

 

Em segundo lugar usamos MASERs (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Os MASERs foram inventados em 1953 e consistem em dispositivos que podem amplificar sinais de freqüências muito altas e operam em temperaturas próximas do zero absoluto não gerando por este motivo praticamente nenhum ruído próprio.

Estes dispositivos é que posteriormente deram origem ao laser que em lugar de amplificar sinais de rádio (Microwave), amplificam luz (Light).

Desta forma o radiotelescópio básico consiste num sistema de antenas (que podem ser parabólicas), e cujo em foco são colocados amplificadores como, por exemplo o MASER de baixíssimo nível de ruído, conforme mostra a figura 10.

 

Figura 10 – Posicionamento do MASER no foco da antena
Figura 10 – Posicionamento do MASER no foco da antena

 

O sinal amplificado do Maser é levado a um receptor que então permite fazer seu registro, estudo, análise através de computadores e outros recursos.

É claro que o estudo sério do espaço através da radioastronomia é caro pelo equipamento que exige, mas mesmo assim existem amadores que, com equipamentos comuns conseguem dar contribuições importantes para a radioastronomia principalmente relativas a fontes próximas ou intensas como o Sol, Júpiter, Sagitário A, etc.

 

 


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