Os astrônomos acabaram de capturar a visão mais nítida de uma estrela distante já vista

• Vistas mais nítidas de um único telescópio: Normalmente, os astrônomos conectam vários telescópios para obter imagens mais nítidas de estrelas e galáxias distantes. Uma equipe liderada pela UCLA alcançou agora detalhes recordes da estrela beta Canis Menor usando apenas um telescópio equipado com um dispositivo inovador chamado lanterna fotônica.
• Como funciona: A lanterna fotônica divide a luz das estrelas em muitos canais finos que capturam padrões espaciais sutis. Técnicas computacionais avançadas combinam esses canais para reconstruir uma imagem de alta resolução repleta de detalhes que de outra forma seriam perdidos.
• Uma nova fronteira para a astronomia: Esta abordagem inovadora poderá permitir aos cientistas explorar objetos mais pequenos, mais ténues e mais distantes do que nunca, oferecendo uma nova visão sobre a estrutura oculta do Universo e desencadeando novas descobertas.

Uma visão inovadora de um único telescópio

Pela primeira vez, os astrónomos usaram um novo método de imagem num telescópio terrestre para capturar a visão mais detalhada de sempre do disco que rodeia uma estrela distante. Liderada por pesquisadores da UCLA, a conquista revelou estruturas ocultas que nunca haviam sido vistas antes. Esta descoberta abre caminho para os cientistas estudarem detalhes mais sutis de estrelas, planetas e outros objetos celestes, transformando potencialmente a forma como exploramos o universo.

A capacidade de um telescópio de revelar objetos fracos ou distantes depende do seu tamanho. Telescópios maiores podem coletar mais luz, permitindo-lhes ver alvos mais escuros e produzir imagens mais nítidas. Os mais altos níveis de detalhe são geralmente alcançados ligando vários telescópios para formar um conjunto. Construir estes grandes instrumentos, ou conectá-los, tem sido a chave para alcançar a precisão necessária para descobrir novas características cósmicas.

Aproveitando a luz com uma lanterna fotônica

Usando um dispositivo chamado lanterna fotônica, os astrônomos podem agora fazer melhor uso da luz captada por um telescópio para produzir imagens de resolução extremamente alta. Os detalhes desta descoberta aparecem em Cartas de diários astrofísicos.

“Na astronomia, os detalhes de imagem mais nítidos são geralmente obtidos conectando telescópios. Mas fizemos isso com um único telescópio, alimentando sua luz em uma fibra óptica especialmente projetada, chamada lanterna fotônica. Este dispositivo divide a luz das estrelas de acordo com seus padrões de flutuação, mantendo detalhes sutis que de outra forma seriam perdidos. Ao remontar as medições das saídas, poderíamos reconstruir uma imagem de altíssima resolução de um disco em torno de um disco próximo. estrela”, disse o primeiro autor e candidato ao doutorado da UCLA, Yoo Jung Kim.

A lanterna fotônica divide a luz que entra em vários canais com base no formato da frente de onda da luz, da mesma forma que separa as notas de um acorde musical. Também divide a luz por cor, criando um espectro semelhante ao do arco-íris. O dispositivo foi projetado e construído pela Universidade de Sydney e pela Universidade da Flórida Central e faz parte do instrumento FIRST-PL, desenvolvido e liderado pelo Observatório de Paris e pela Universidade do Havaí. Este sistema está instalado no instrumento Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics no Telescópio Subaru no Havaí, que é operado pelo Observatório Astronômico Nacional do Japão.

“O que mais me entusiasma é que este instrumento combina fotônica de ponta com a engenharia de precisão feita aqui no Havaí”, disse Sebastien Vievard, membro do corpo docente da Iniciativa de Ciência e Engenharia Espacial da Universidade do Havaí, que ajudou a liderar a construção. “Isso mostra como a colaboração em todo o mundo e entre disciplinas pode literalmente mudar a forma como vemos o cosmos.”

Indo além dos limites tradicionais de imagem

Este método de separar e analisar a luz permite uma nova maneira de ver detalhes finos, alcançando uma resolução mais nítida do que as câmeras telescópicas tradicionais.

“Para qualquer telescópio de um determinado tamanho, a natureza ondulatória da luz limita a finura do detalhe que você pode observar com câmeras de imagem tradicionais. Isso é chamado de limite de difração, e nossa equipe tem trabalhado para usar uma lanterna fotônica para avançar o que é alcançável nesta fronteira, “disse o professor de física e astronomia da UCLA, Michael Fitzgerald.

“Este trabalho demonstra o potencial das tecnologias fotónicas para permitir novos tipos de medição em astronomia”, disse Nemanja Jovanovic, co-líder do estudo no Instituto de Tecnologia da Califórnia. “Estamos apenas começando. As possibilidades são realmente emocionantes.”

No início, os pesquisadores enfrentaram um grande desafio: a turbulência na atmosfera terrestre. O mesmo efeito cintilante que faz horizontes distantes parecerem ondulados em um dia quente faz com que a luz das estrelas pisque e se distorça à medida que viaja pelo ar. Para corrigir isto, a equipa do Telescópio Subaru utilizou óptica adaptativa, uma tecnologia que se ajusta continuamente para cancelar estas distorções e estabilizar as ondas de luz em tempo real.

“Precisamos de um ambiente muito estável para medir e recuperar informações espaciais usando esta fibra”, disse Kim. “Mesmo com óptica adaptativa, a lanterna fotônica era tão sensível às flutuações da frente de onda que tive que desenvolver uma nova técnica de processamento de dados para filtrar a turbulência atmosférica remanescente.”

Explorando Beta Canis Minor em detalhes impressionantes

A equipe testou sua técnica observando a estrela beta Canis Minoris (β CMi), localizada a cerca de 162 anos-luz de distância, na constelação de Canis Minor. Esta estrela está rodeada por um disco de hidrogénio em rotação rápida. À medida que o gás no disco se move, o lado que gira em direção à Terra parece mais azul, enquanto o lado que se afasta parece mais vermelho, resultado do efeito Doppler (o mesmo fenômeno que altera o tom do som de um carro em movimento). Estas mudanças de cor alteram ligeiramente a posição aparente da luz estelar, dependendo do seu comprimento de onda.

Ao aplicar novos métodos computacionais, os investigadores mediram estas mudanças de posição baseadas em cores com cerca de cinco vezes mais precisão do que nunca. Além de confirmarem a rotação do disco, descobriram que ele está torto.

“Não esperávamos detectar uma assimetria como esta, e será uma tarefa para os astrofísicos que modelam estes sistemas explicar a sua presença”, disse Kim.

Uma nova maneira de ver o universo

Esta abordagem inovadora permitirá aos astrónomos observar objetos mais pequenos e mais distantes com uma clareza sem precedentes. Pode ajudar a resolver mistérios cósmicos de longa data e, como no caso do disco assimétrico em torno de β CMi, a descobrir outros inteiramente novos.

O projeto envolveu uma colaboração internacional que incluiu cientistas da Iniciativa de Ciência e Engenharia Espacial da Universidade do Havaí, do Observatório Astronômico Nacional do Japão, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, da Universidade do Arizona, do Centro de Astrobiologia do Japão, do Observatório de Paris, da Universidade da Flórida Central, da Universidade de Sydney e da Universidade da Califórnia em Santa Cruz.