A professora assistente Meredith MacGregor e o físico do NIST Jake Connors ensinaram seus alunos de pós-graduação a construir e usar antenas de rádio caseiras para localizar hidrogênio neutro no espaço.

Meredith MacGregor, professora assistente de astrofísica da Boulder, e Jake Connors, físico do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), queriam ensinar aos seus alunos de pós-graduação em Astrofísica 6000 (ASTR 6000) os fundamentos da radioastronomia. Mas como?

“Jake e eu estávamos tentando pensar em como ensinaríamos radioastronomia de uma maneira que deixasse os alunos animados e realmente aprendêssemos”, diz MacGregor.

Então eles tiveram uma ideia – uma onda cerebral, por assim dizer: por que não ensinar aos seus alunos a construir e depois usar antenas piramidais como radiotelescópios do tipo “faça você mesmo”?

“Parecia melhor fazer algo criativo do que sentar em uma sala de aula e dar palestras para as pessoas”, diz MacGregor.

Connors concorda. Uma abordagem prática, diz ele, “é uma maneira de alcançar aqueles alunos que não estão interessados em aprender com as pessoas que escrevem no quadro”.

Então, eles e seus alunos começaram a trabalhar.

O método

Antenas de rádio de última geração, como o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) no Chile, podem custar bilhões de dólares para serem construídas, mas as perfeitamente utilizáveis podem ser construídas por menos de US$ 100. Basta um pouco de engenhosidade.

Para a buzina, que funciona como um funil para o sinal de rádio, os alunos de MacGregor e Connors usaram isolamento doméstico metalizado. “Nós literalmente dirigimos para a Home Depot, compramos peças de isolamento, as amarramos no teto de um carro e as levamos para o campus”, lembra MacGregor.

E para o guia de onda, que capta o sinal na extremidade estreita da buzina, eles usaram latas de azeite da Whole Foods. “As latas de azeite acabaram por ter exatamente o tamanho certo, convenientemente”, diz MacGregor. “A Whole Foods produz latas de azeite realmente ótimas.”

(Eles esvaziaram o óleo das latas, mas não desperdiçaram nada disso. “Minha despensa está cheia de azeite agora”, diz MacGregor.)

Eles também compraram um rádio definido por software, ou SDR, da Amazon, que Connors diz funcionar um pouco como um microfone, amplificando, amostrando e digitalizando os sinais astronômicos antes de enviá-los a um computador.

Ao todo, os alunos do ASTR 6000 construíram três antenas. E quando os apontaram para o céu, procuraram uma coisa em particular: hidrogênio neutro nos braços da Via Láctea.

O elemento

O hidrogênio tem um próton e um elétron, cada um dos quais tem uma propriedade chamada spin, explica MacGregor. Esses giros podem estar alinhados, com ambos subindo ou descendo, ou podem ser opostos.

Mas quando o spin do elétron se inverte, ele emite um comprimento de onda de rádio de 21 centímetros, também conhecido como linha de hidrogênio, cuja descoberta fornece uma espécie de visão de janela sobre a galáxia.

“Nossa galáxia tem essa estrutura de braço espiral”, diz MacGregor, “e nesses braços há um monte de nuvens de gás que são compostas principalmente de hidrogênio”.

Connors acrescenta que essas nuvens de gás estão se movendo em relação à Terra por causa da maneira como a galáxia gira.

“Eles estão orbitando o mesmo buraco negro supermassivo no centro da galáxia que nós. Mas como eles estão se movendo a uma distância diferente do centro da galáxia do que nós, eles estão se movendo a uma velocidade diferente potencialmente.”

Essas diferentes velocidades então criam diferentes deslocamentos Doppler, que as antenas de buzina detectam.

“Assim como se você ficar em uma calçada e ouvir uma ambulância passar, quando ela está vindo em sua direção, a sirene da ambulância soa muito alta e, então, ao passar por você, o tom cai”, diz Connors.

“É aquele mesmo desvio de Doppler, exceto pela luz. Na verdade, estamos observando a luz emitida por essas nuvens de hidrogênio.”

Diferentes nuvens de gás produzem diferentes deslocamentos Doppler, e esses diferentes deslocamentos Doppler representam velocidades diferentes.

“E então você pode dizer: ‘Olhei nessa linha de visão e vi esses diferentes braços da galáxia’. E então você olha para outra linha de visão, e verá alguma distribuição diferente de velocidades. E assim você pode basicamente mapear toda a galáxia”, diz MacGregor.

O panorama geral

O estudante Jay Chittidi diz que construir as antenas de rádio “foi um dos laboratórios práticos mais envolventes que tive como estudante de pós-graduação. Essa abordagem realmente solidificou nossa compreensão dos fundamentos da radioastronomia, porque tivemos que planejar com eles em mente ao construir e observar com nossas antenas.”

Esquerda: Uma das antenas de rádio da ASTR 6000 (foto cortesia de MacGregor e Connors). Direita: A antena de chifre usada por Edward Purcell e Harold Ewen no início dos anos 50, fotografada com Ewen.

Mas MacGregor e Connors dizem acreditar que as lições colhidas desse exercício vão além das nuvens de gás hidrogênio e antenas de rádio especificamente.

“Espero acender uma paixão nos alunos por fazer instrumentação”, diz Connors. “Há uma escassez de pessoas que estão lá fora construindo os instrumentos para permitir que as observações aconteçam. Ver os dois lados de como a astrofísica funciona é realmente valioso para a carreira e a compreensão dos alunos.”

“Nós realmente gostaríamos que os alunos tivessem uma compreensão de como fazemos ciência observacional em todos os níveis”, diz MacGregor.

Ela ressalta que a medição inicial da linha de 21 centímetros e o mapeamento subsequente da galáxia foram grandes avanços na física e, no entanto, os cientistas responsáveis por esses avanços, Harold Ewen e Edward Purcell, usaram uma antena de chifre muito parecida com as construídas no ASTR 6000.

“E acho que essa é uma lição muito poderosa. Mostra que com recursos simples e criatividade, é possível realizar descobertas significativas na ciência. Não é necessário ter equipamentos caros ou sofisticados, mas sim uma compreensão dos princípios fundamentais e a motivação para explorar.”

MacGregor e Connors estão orgulhosos do trabalho realizado por seus alunos e esperam que essa abordagem prática tenha despertado um interesse duradouro pela radioastronomia e pela construção de instrumentos científicos.

Ao construir e utilizar as antenas de buzina de rádio, os alunos puderam vivenciar a emoção da descoberta científica e compreender a importância da instrumentação na observação do universo.

Para MacGregor e Connors, a radioastronomia é uma área fascinante que permite explorar os mistérios do espaço e compreender melhor a nossa galáxia. Eles esperam que seus alunos continuem a se envolver nessa emocionante área da ciência e façam contribuições significativas para a pesquisa astrofísica no futuro.

No final, a combinação de entusiasmo, criatividade e conhecimento científico permitiu que esses alunos de pós-graduação expandissem seus horizontes e descobrissem novos caminhos na exploração do cosmos.

Fonte: University of Colorado Boulder