Novo observatório espacial de raios-x para estudar buracos negros e a história dos aglomerados de galáxias

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Esta ilustração mostra os locais e faixas de energia de instrumentos científicos do ASTRO-H e de seus telescópios associados. Um keV é igual a 1.000 elétron-volts, centenas de vezes a energia da luz visível. Crédito: JAXA / NASA Goddard Space Flight Center.

Artigo traduzido de NASA.

Os entusiastas por buracos negros, aficionados por aglomerados de galáxias e astrônomos de raios-X têm muito a que comemorar. Nesta sexta-feira, 12 de fevereiro, a Agência de Exploração Aeroespacial do Japão (JAXA) lançou seu sexto satélite dedicado à astronomia de raios-X, o ASTRO-H, a partir do Centro Espacial Tanegashima, em Kagoshima, Japão. O observatório transporta um instrumento top-de-linha e dois espelhos de telescópio construídos pelo Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland.

O ASTRO-H deverá proporcionar avanços em uma ampla variedade de fenômenos de alta energia no cosmos, que vão desde o material superaquecido à beira de cair em um buraco negro até a evolução de enormes aglomerados de galáxias. Ele está equipado com quatro instrumentos avançados que cobrem uma ampla gama de energia, desde raio-X de baixa energia, ao redor de 300 elétron-volt (eV) até raios gama de 600 mil eV. Para comparação, a energia da luz visível se estende entre cerca de 2 a 3 EV.

“Nós vemos os raios X provenientes de fontes em todo o universo, onde as partículas em questão atingem energias suficientemente altas”, disse Robert Petre, chefe do Laboratório de Astrofísica do Goddard e cientista americano do ASTRO-H. “Estas energias surgem de várias fontes, incluindo explosões estelares, campos magnéticos extremos, e os raios-X nos permitem investigar aspectos destes fenômenos que são inacessíveis por instrumentos de observação em outros comprimentos de onda”.

O ASTRO-H é capaz de observar fontes de raios-X, como aglomerados de galáxias e estrelas de nêutrons, 10 vezes mais do que seu antecessor, Suzaku, que operou de 2005 a 2015. Para isso, o ASTRO-H usa quatro telescópios de raios-X co-alinhados e um conjunto de instrumentos de ponta que oferecem cobertura simultânea em toda a gama de energia do observatório.

A sonda ASTRO-H em 27 de novembro de 2015, no Tsukuba Space Center no Japão. O compartimento aberto nostra a parte inferior esquerda do espectrômetro de raio-X de baixa energia. Crédito: JAXA.
A sonda ASTRO-H em 27 de novembro de 2015, no Tsukuba Space Center no Japão. O compartimento aberto nostra a parte inferior esquerda do espectrômetro de raio-X de baixa energia. Crédito: JAXA.

Dois telescópios de raios-X de baixa energia idênticos possuem conjuntos de espelho fornecidos pela equipe Goddard. Pelo fato dos raios-X penetraram na matéria, os espelhos confiar no que os cientistas chamam de óptica de incidência rasante. Muito parecido com uma pedra pulando na água, a luz de raios-X desliza na superfície curva dos segmentos do espelho e é desviado para o ponto focal do telescópio.

A equipe Goddard forneceu conjuntos de espelho idênticos para os telescópios de raios-X de baixa energia a bordo do ASTRO-H. Cada um tem 45 centímetros de diâmetro e contém 1624 segmentos de espelho de alumínio alinhados, precisamente dispostos em 203 camadas concêntricas. Crédito: NASA Goddard Space Flight Center.
A equipe Goddard forneceu conjuntos de espelho idênticos para os telescópios de raios-X de baixa energia a bordo do ASTRO-H. Cada um tem 45 centímetros de diâmetro e contém 1624 segmentos de espelho de alumínio alinhados, precisamente dispostos em 203 camadas concêntricas. Crédito: NASA Goddard Space Flight Center.

Um telescópio de raios-X de baixa energia focaliza a luz em uma câmera avançada de campo amplo fornecida pelo Japão, enquanto o outro a dirige para o espectrômetro de raios-X de baixa energias (SXS), instrumento desenvolvido e construído pela equipe Goddard trabalhando em estreita colaboração com colegas de várias instituições no Japão. Os astrônomos geralmente aprendem sobre a composição, temperatura e movimentos de fontes cósmicas difundindo os comprimentos de onda de luz em um espectro de arco-íris. Mas os astrofísicos desenvolveram uma abordagem alternativa para a medição das “cores” do raios-X, chamada microcalorimetria, que produz um resolução espectral sem precedentes sem diluir sua intensidade como acontece em abordagens anteriormente empregadas.

O coração do Espectrômetro de raio-X de baixa energia do ASTRO-H é a matriz de microcalorimetria no centro. O quadrado de cinco milímetros forma uma matriz de 36 pixels. Cada pixel tem 0,824 milímetros de lado, a largura da bola em uma caneta esferográfica. O campo de visão do detector tem aproximadamente três minutos de arco, ou um décimo do diâmetro aparente da Lua cheia. Créditos: NASA Goddard Space Flight Center.
O coração do Espectrômetro de raio-X de baixa energia do ASTRO-H é a matriz de microcalorimetria no centro. O quadrado de cinco milímetros forma uma matriz de 36 pixels. Cada pixel tem 0,824 milímetros de lado, a largura da bola em uma caneta esferográfica. O campo de visão do detector tem aproximadamente três minutos de arco, ou um décimo do diâmetro aparente da Lua cheia. Créditos: NASA Goddard Space Flight Center.

“Tem sido um compromisso extraordinário os EUA e o Japão ao longo de muitos anos para construir esse novo e poderoso espectrômetro de raios-X”, disse Richard Kelly do Goddard, investigador principal dos EUA para a colaboração do ASTRO-H. “A equipe internacional está extremamente animada para finalmente ser capaz de aplicar as novas capacidades dos SXS, apoiados pelos outros instrumentos no satélite, observando uma vasta gama de fontes celestes, especialmente aglomerados de galáxias e sistemas de buracos negros”.

Pesquisadores dos EUA foram pioneiros no desenvolvimento desta tecnologia revolucionária na década de 1980. O ASTRO-H proporcionará aos astrofísicos a primeira oportunidade de usá-lo em um observatório de raios-X em órbita.

O SXS mede o calor gerado quando os fótons atingem o detector. O SXS determina com precisão a energia de raios-X dos fótons individuais medindo o pequeno aumento da temperatura feito por cada um. Pelo fato das mudanças serem tão pequenas, o detector é resfriado a -273,1°C – uma fração de um grau acima do zero absoluto – usando um sistema desenvolvido pelo Japão e pelos EUA. Graça a uma série de recipientes de vácuo encaixados chamados dewar, um fornecimento de hélio líquido super-resfriado, e uma sequência de refrigeradores mecânicos e magnéticos, espera-se que o SXS mantenha-se resfriado por mais de três anos.

“A tecnologia utilizada na SXS está liderando o caminho para a próxima geração de espectrômetros de raios-X gerador de imagens, que será capaz de distinguir dezenas de milhares de cores de raios-X durante a captura de imagens nítidas ao mesmo tempo”, disse Caroline Kilbourne, membro da equipe Goddard do SXS.

O observatório também carrega dois telescópios de raios-X idênticos e suas câmeras associadas, que capturam imagens de luz entre 5 mil a 80 mil eV, e dois detectores de raios gama que são sensíveis à luz de 60 mil a 600 mil eV, mas não produzem imagens. Os telescópios e os instrumentos foram fornecidos pelo Japão.

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Jessica Nunes
Um universo inteiro a ser descoberto por ele mesmo. Aspirante a astrofísica, tradutora no site Ciência e Astronomia. Apaixonada por astronomia desde pequena e fascinada por exatas desde o berço.

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