O que é necessário para construir um observatório de próxima geração

Quando você ouve falar de grandes projetos científicos, como um enorme novo telescópio ou um acelerador de partículas com quilômetros de extensão, geralmente é no contexto das grandes descobertas científicas que eles fizeram. Mas antes que alguém possa fazer um grande avanço científico, alguém precisa projetar e construir essas enormes instalações. E isso pode significar encurralar colaborações internacionais, operar linhas de energia e enfrentar condições climáticas extremas apenas para derramar o concreto.

Desde ratos mastigando linhas de fibra óptica até tendas infláveis ​​para proteger do calor de 100 graus, a ciência pode ser confusa quando encontra o mundo real. Conversamos com representantes de três grandes projetos científicos atuais e futuros para saber o que é necessário para transformar um pedaço árido de rocha e terra em um observatório de classe mundial.

Detectando algo novo

Muitas grandes instalações são melhorias incrementais em projetos existentes, mas por vezes a ciência dá um passo em frente numa direção totalmente nova. Foi o que aconteceu quando se tratou de detectar pela primeira vez ondas gravitacionais, algo que a instalação LIGO ( Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ) conseguiu em 2015, e pela qual os investigadores receberam o Prémio Nobel da Física.

A instalação que fez sua detecção começou como uma versão básica chamada Initial LIGO. Ele foi projetado para testar se era mesmo possível atingir a sensibilidade dos detectores necessária para detectar ondas gravitacionais , e mesmo esta versão “básica” levou décadas de planejamento e trabalho.

Stefan Ballmer, especialista em ondas gravitacionais da Universidade de Syracuse que trabalhou nas versões inicial e avançada da instalação, descreveu o impulso para a instalação original: “Achamos que podemos alcançar esta sensibilidade incrível, então vamos gastar o mínimo de dinheiro para provar que é viável.”

O LIGO inicial funcionou de 2002 a 2010; durante esse tempo, não detectou nenhuma onda gravitacional. Isso não foi necessariamente um fracasso, porque o observatório alcançou a sensibilidade necessária para fazer uma detecção – algo que muitas pessoas não tinham certeza se era possível.

“Se as pessoas tinham dúvidas sobre tudo isso, não é que não acreditassem na existência de ondas gravitacionais. Eles estavam céticos quanto ao desempenho necessário para vê-los. E nesse sentido, o Initial LIGO foi entregue”, explicou Ballmer.

Assim, os investigadores conseguiram garantir financiamento para actualizar as instalações para se tornarem Advanced LIGO, com o trabalho a começar em 2008. Com detectores melhorados, o observatório fez uma detecção quase imediatamente. “Com o Advanced LIGO, tivemos sorte. E assim que realmente ligamos a máquina, começamos a ver eventos.”

Escolhendo o local certo

Um dos maiores problemas com projetos de grande escala hoje é onde localizá-los. Esses tipos de projetos são geralmente grandes cooperações internacionais, por isso os planejadores precisam encontrar um local que seja ambientalmente adequado e que tenha um governo local disposto a apoiar o projeto.

“Esse é o grande desafio hoje em dia: uma única nação não pode realmente fazer as coisas que são necessárias em escala para as próximas fronteiras”, disse Joseph McMullin, vice-diretor geral e diretor de programas da Square Kilometer Array Organization . “Portanto, isso requer essas colaborações internacionais.”

O Square Kilometer Array é um futuro observatório de radioastronomia que inclui antenas construídas em dois locais, um na África do Sul e outro na Austrália Ocidental. Esses locais foram escolhidos principalmente devido à maior preocupação com as observações de rádio – a interferência de radiofrequência. Onde quer que os seres humanos produzam ondas de rádio, como a partir de telemóveis e computadores portáteis, esta radiação pode interferir com os sinais fracos que os astrónomos tentam detectar.

“O desafio do que estamos fazendo é observar fontes muito fracas, através de várias telas de nossa atmosfera, e até mesmo através do meio interestelar ou meio intergaláctico em alguns casos, e então toda a sistemática de nossos instrumentos – e então tentar calibrar esses para que possamos reter esse sinal específico”, explicou McMullin. “Transmissões adicionais complicam esse tipo de efeito.”

A questão é que os locais com baixos níveis de interferência de rádio também tendem a ser escassamente povoados, tornando-os difíceis de construir. Em teoria, algum lugar como a Antártica seria o lugar perfeito para colocar um radiotelescópio – mas as dificuldades de construção e pessoal em tal local torna isso impraticável.

Os dois locais escolhidos para o SKA têm a vantagem de já possuírem alguma infraestrutura, pois já abrigam telescópios hospedados por instituições parceiras. Agrupar telescópios em locais apropriados ajuda a compartilhar a carga quando se trata de requisitos como construção de estradas ou instalação de linhas de energia e água.

E isso é tudo necessário antes mesmo de começar a construir estruturas como alojamentos e cantinas para os trabalhadores necessários à construção. “Muitas vezes pensamos que estamos construindo um observatório, mas na verdade estamos construindo cidades”, disse McMullin.

Compartilhando a carga

Quando os investigadores planeavam o próximo Observatório Vera Rubin , que está a ser construído numa montanha chamada Cerro Pachón, no Chile, eles tinham preocupações semelhantes. Eles precisavam de um local com pouca cobertura de nuvens e muitas noites claras para suas observações, mas também queriam um lugar com infraestrutura decente.

A montanha que escolheram já abriga outros dois grandes telescópios, Gemini e SOAR, bem como outros instrumentos menores e mais localizados na montanha mais próxima.

“Estamos muito remotos, mas não isolados”, explicou Jeff Barr, gerente de projetos de telescópios e locais do Observatório Rubin. “Temos vizinhos, e os vizinhos precisavam de infraestruturas que já tinham construído.”

Isso significava que a energia e a água já estavam disponíveis nas proximidades, assim como as importantes estradas que permitiam às equipes de construção e ao equipamento subir a montanha. Também existia uma infraestrutura de comunicação, que era um sistema de transmissão baseado em antena, mas isso não seria suficiente para a enorme quantidade de dados que será produzida por Rubin todas as noites.

Então Rubin concordou em instalar linhas de fibra óptica para comunicação, que serviriam não apenas ao seu próprio observatório, mas também aos outros na montanha. Os observatórios fazem parte do mesmo consórcio, denominado AURA (Associação de Universidades para Pesquisa em Astronomia), portanto compartilham infraestrutura mútua.

“Há uma espécie de adesão que todo novo observatório faz”, disse Barr. “Ele fornece algo que ainda não existia, então você está compartilhando o custo e o investimento necessários para trabalhar na montanha.”

Estabelecendo as bases

Você pode imaginar que seria uma questão simples instalar uma linha de fibra óptica – não muito diferente das empresas que oferecem cada vez mais conexões de fibra para residências em muitas áreas urbanas. No entanto, existem alguns desafios em construir num local tão remoto.

Havia linhas de energia penduradas em postes ao longo do vale, para que as equipes pudessem usar esses mesmos postes para pendurar as linhas de fibra. Mas depois de ser dividida para Rubin e outros observatórios, a linha deve passar principalmente para o subsolo.

“Um dos desafios de trabalhar naquela montanha é que assim que você começa a cavar, quinze centímetros abaixo, ela se torna rocha sólida. Muito sólido”, disse Barr. “Você tem que praticamente explodir para fazer um buraco de qualquer tamanho.”

Isso torna a britadeira difícil, muitas vezes a linha é colocada o mais fundo possível e então a rocha é acumulada em cima dela. Essa rocha proporciona alguma proteção, mas a linha ainda é vulnerável à população local de roedores, que mastigam regularmente os cabos. “Temos serviços de controle de pragas o tempo todo, mas mesmo assim ainda temos que voltar e fazer reparos quando uma linha é mastigada.”

Barr disse que roedores famintos são parte integrante do trabalho em um ambiente tão selvagem: “É muito natural. Exceto pelas áreas ao redor dos observatórios, é praticamente apenas a montanha.”

Os observatórios trabalham dentro de diretrizes para minimizar o impacto no meio ambiente, incluindo os habitats de algumas espécies ameaçadas de cactos e viscachas, roedores raros (e extremamente fofos) parecidos com coelhos que vivem na área.

O impacto patrimonial

No entanto, as preocupações de preservação não se aplicam apenas às questões ambientais. Alguns dos locais utilizados para observatórios são de importância patrimonial para os seres humanos. A unidade SKA na Austrália Ocidental, por exemplo, está localizada em Wajarri Country. Os Wajarri Yamaji são os proprietários tradicionais do terreno onde o telescópio está sendo construído, por isso a organização trabalha com os Wajarri para garantir que o patrimônio cultural seja protegido, como a realização de visitas guiadas no local com monitores do patrimônio cultural Wajarri antes da inauguração e monitoramento contínuo durante a construção.

“Estes são nossos colegas e vizinhos e fazem parte da equipe em um nível fundamental. Muitos deles estão assumindo posições conosco para construir o observatório”, disse McMullin. “Eles também têm uma forte história e herança de observação astronômica. Portanto, trata-se de vincular essas coisas através das diferentes técnicas usadas.”

Há também uma consideração dos impactos a longo prazo dos locais australianos e sul-africanos, que foram concebidos para serem eventualmente desmantelados para que a terra possa ser devolvida ao seu estado original.

“Estamos planejando que este seja um observatório de 50 anos”, disse McMullin. “Então você vai lá, constrói, faz sua pesquisa e depois desativa. Você retorna aquela área ao mesmo estado em que estava.”

Construindo em um ambiente difícil

Quer se trate de temperaturas acima de 100 graus Fahrenheit na Austrália Ocidental ou de ventos fortes e riscos de terremotos em Cerro Pachón, os locais onde você pode querer construir um observatório nem sempre são receptivos à construção.

O acesso à montanha no Chile pode ser interrompido durante semanas durante o inverno, quando neva, e mesmo quando está acessível, as condições fazem com que o trabalho demore mais do que em qualquer outro lugar.

“Você precisa entender que as coisas não serão tão rápidas quanto você espera”, disse Barr. “É um ambiente hostil e hostil tentar fazer um trabalho técnico. Você tem que levar isso em conta em praticamente tudo que você projeta.”

Na Austrália, as equipes do SKA precisam instalar mais de 100.000 antenas em muitos locais diferentes, para que possam gerenciar as altas temperaturas e os altos UV, preparando o máximo possível da instalação fora do local. Quando chegarem ao local, usarão tendas infláveis ​​especialmente projetadas com ar condicionado para protegê-los das intempéries enquanto trabalham.

Mas mesmo locais que não são tão difíceis têm seus desafios. Para a próxima geração de detectores de ondas gravitacionais, os projetistas devem instalar tubos muito retos e planos com 40 quilômetros de comprimento.

“É irônico que a maior peça do detector não seja absolutamente nada”, disse Ballmer. “É um tubo de vácuo com 40 quilômetros de comprimento e você precisa encaixá-lo em algum lugar.”

Para os detectores que estão sendo planejados nos EUA, a ideia é colocá-los principalmente acima do solo, pois deve haver espaço suficiente para isso. Na Europa, contudo, onde outro detector de ondas gravitacionais também está sendo planejado, não há terra suficiente na superfície para instalar um detector subterrâneo, então ele provavelmente terá que ir para o subsolo. Isso acrescenta despesas à construção, mas também torna a manutenção muito mais complicada.

“É a simplicidade que buscamos”, disse Ballmer. “Já é bastante complicado construir esses detectores! Tudo o que podemos manter simples é melhor.”

O fator humano

Levar máquinas e equipamentos até o local é uma coisa, mas mesmo com todas as ferramentas do mundo, a construção ainda precisa ser feita por pessoas. Na Rubin, uma equipe de mais de 100 trabalhadores poderia estar no local diariamente durante a construção. “Acho que o impacto sobre a força de trabalho – o fator humano – é tão desafiador quanto qualquer outra coisa”, disse Barr. “É um ambiente muito difícil.”

Os trabalhadores não só têm de enfrentar as condições de frio, vento, poeira e altitude encontradas no topo de uma montanha, mas também levam várias horas para viajar até o local, por isso muitos passarão doze horas por dia longe de para casa, saindo às 6 da manhã “São realmente as pessoas que são mais incríveis para mim”, disse Barr. “Eles podem trabalhar naquele ambiente e realizar essas coisas difíceis.”

Esses tipos de projetos levam décadas para passar da concepção ao projeto, à construção, ao comissionamento e a um observatório em funcionamento, por isso é inteiramente possível que as pessoas que originalmente impulsionaram sua construção estejam aposentadas quando começarem a fazer ciência. Mas isso não é necessariamente um problema, uma vez que as gerações anteriores constroem e transmitem ferramentas para as novas gerações de cientistas que estão apenas a iniciar as suas carreiras.

Esse sentimento de obrigação para com o futuro é parte da motivação para a construção de novos detectores de ondas gravitacionais, disse Ballmer, mas também há uma alegria em pensar em como tal coisa poderia ser alcançada.

“Em certo nível, é um serviço para a próxima geração de físicos”, disse Ballmer. “Mas também, quando você se senta e vê o que é possível com essas máquinas – que você pode construir algo que veja todos os buracos negros desde as primeiras estrelas, que você pode observar fenômenos de objetos de tamanho estelar que estão nessas galáxias que até o telescópio Webb tem problemas para resolver – não tentar fazer isso seria quase um crime.”