Esta missão espacial da Nasa nunca foi realizada antes.

Quase 50 anos depois que a astrofísica britânica Jocelyn Bell descobriu a existência de estrelas de nêutrons de rotação rápida, a NASA lançará a primeira missão mundial dedicada ao estudo desses objetos incomuns. A agência também usará a mesma plataforma para realizar a primeira demonstração mundial de navegação por raios-X no espaço. A NASA planeja lançar o Neutron Star Inside Composition Explorer, ou NICER, a bordo do SpaceX CRS-11, uma missão de reabastecimento de carga para a Estação Espacial Internacional a ser lançada a bordo de um foguete Falcon 9.

Cerca de uma semana após a sua instalação como uma carga útil anexada externa, essa pesquisa única começará a observar as estrelas de nêutrons, os objetos mais densos do universo. A missão se concentrará especialmente em pulsares – aquelas estrelas de nêutrons que parecem piscar e desligar porque a sua rotação varre os feixes de radiação, como um farol cósmico. “O momento deste lançamento é apropriado”, explica Keith Gendreau, cientista do Centro de Vôos Espaciais Goddard da NASA em Greenbelt, Maryland, nos EUA, que liderou o desenvolvimento da missão, envolvendo também o Instituto de Tecnologia de Massachusetts, o Laboratório de Pesquisa Naval e universidades em todo os EUA e no Canadá.

Embora a equipe tenha completado e entregado a carga útil do tamanho de uma geladeira equipada com 56 telescópios de raios-X e detectores de silício antes do horário no verão passado, uma oportunidade de lançamento não ficou disponível até 2017.

Logo após o 50º aniversário da descoberta de Bell, em 25 de julho, a equipe do NICER deveria ter coletado dados suficientes para “fazer um pouco de barulho”, acrescentou o pesquisador principal adjunto do NICER, Zaven Arzoumanian, referindo-se a conferências científicas este ano, incluindo uma celebrando a detecção de Bell de sinais pulsantes regulares que mais tarde foram identificados como estrelas de nêutrons rotativas.

Natureza extrema

Devido à sua natureza extrema, as estrelas de nêutrons e os pulsares despertaram um grande interesse, uma vez que sua existência foi teoricamente proposta em 1939 e depois descoberta em 1967.

Esses objetos são os restos de estrelas maciças que, depois de esgotarem seu combustível nuclear, explodiram e se tornaram esferas superdensas do tamanho da cidade de Nova York. Sua intensa gravidade esmaga uma quantidade surpreendente de matéria – muitas vezes mais do que 1,4 vezes o tamanho do sol ou pelo menos 460.000 Terras – nessas esferas de tamanho de uma cidade, criando uma matéria estável, porém incrivelmente densa, não vista em nenhum outro lugar do universo. Apenas uma colher de chá de matéria em uma estrela de nêutrons pesaria um bilhão de toneladas na Terra.

“A natureza da matéria sob estas condições é um problema não resolvido de décadas”, diz Gendreau. “As teorias apresentaram uma série de modelos para descrever a física que rege os interiores das estrelas de nêutrons. Com o NICER, podemos finalmente testar essas teorias com observações precisas”.

Embora as estrelas de nêutrons emitam radiação em todo o espectro, observá-las na banda de raios X energética oferece os maiores conhecimentos sobre sua estrutura e os fenômenos de alta energia que elas hospedam, incluindo terremotos, explosões termonucleares e os campos magnéticos mais poderosos conhecidos no cosmos.

Durante a sua missão de 18 meses, o NICER irá coletar raios X gerados a partir dos campos magnéticos tremendamente fortes das estrelas e dos pontos localizados em seus dois pólos magnéticos. Nesses locais, os campos magnéticos intensos dos objetos emergem de suas superfícies e partículas presas dentro desses campos caem e geram raios X quando atingem as superfícies das estrelas.

Nos pulsares, essas partículas que fluem emitem poderosos feixes de radiação da vizinhança dos pólos magnéticos. Na Terra – como Bell descobriu – esses feixes de radiação são observados como flashes de radiação variando de segundos a milésimos de segundo, dependendo da rapidez com que o pulsar gira.

Navegação por raios-X

Como essas pulsações são previsíveis, elas podem ser usadas como relógios celestiais, fornecendo sincronização de alta precisão, como os sinais de relógio atômico fornecidos através do Sistema de Posicionamento Global, também conhecido como GPS. Apesar de onipresente na Terra, os sinais de GPS diminuem quanto mais distante viajam além da órbita terrestre. Os pulsares, no entanto, são acessíveis praticamente em todo o espaço, tornando-os uma solução de navegação valiosa para a exploração do espaço profundo.

Usando o mesmo hardware do NICER, a missão também planeja demonstrar a viabilidade da navegação autônoma de raios-X ou pulsar, que nunca foi demonstrada antes.

Em um experimento chamado Explorador de Estação para Tecnologia de Temporização e Navegação de Raio-X, ou SEXTANT, a equipe usará os telescópios da NICER para detectar a luz de raio-X emitida dentro dos feixes de radiação de pulsares para estimar os tempos de chegada dos pulsos. Com essas medidas, a equipe usará algoritmos especialmente desenvolvidos para combinar uma solução de navegação a bordo.

Se uma missão interplanetária fosse equipada com esse dispositivo de navegação, poderia calcular sua localização de forma autônoma, em grande parte independente da rede espacial profunda da NASA, que é considerado o sistema de telecomunicações mais sensível do mundo.

“Nosso principal objetivo é a ciência”, disse Gendreau. “Mas podemos usar as mesmas medidas de pulsar para demonstrar a navegação por raios-X. É raro que os cientistas desenvolvam uma experiência multifuncional, como essa. Tudo está se unindo”.

Comunicações por raios-X

No entanto, a navegação por raios-X usando os dados de temporização de pulsar da NICER não é a única tecnologia que a equipe gostaria de demonstrar. A equipe quer demonstrar também comunicações baseadas em raios-X, ou XCOM- a capacidade que poderia eventualmente permitir que viajantes do espaço, incluindo a nave espacial, transmitam gigabits de dados por segundo em distâncias interplanetárias.

Central para esta demonstração em potencial é a fonte de raios-X modulada de Goddard, ou MXS, que a equipe NICER desenvolveu para calibrar os detectores da carga útil e ajudar a testar os algoritmos necessários para demonstrar a navegação por raios-X. Este dispositivo gera raios-X com intensidade variando rapidamente, ligando e desligando muitas vezes por segundo para simular, por exemplo, as pulsações de uma estrela de nêutrons alvo.

Para mostrar o XCOM, a equipe voaria um MXS com qualificação espacial para a Estação Espacial Internacional e o implantaria em uma paleta de experiência externa a cerca de 50 metros de distância da NICER. Durante o experimento, a equipe codificaria dados digitais em raios-X pulsados ​​usando o MXS e transmitiria os dados aos receptores da NICER.

“Temos a maior parte do hardware concluída”, diz o membro da SEXTANT e gerente de projetos da XCOM, Jason Mitchell. “Nós só precisamos de mais alguns recursos para terminar o trabalho”.

Se a equipe conseguir pilotar o MXS talvez no próximo ano, “a demonstração resultante pode ser a mudança do jogo”, acrescenta Mitchell. Além das promissoras velocidades de transmissão de dados gigabit por segundo em grandes distâncias, as comunicações de raios-X permitiriam a comunicação com veículos hipersônicos e veículos espaciais.

“Este é um experimento muito interessante que estamos fazendo na estação espacial”, disse Gendreau. “Tivemos um grande apoio das pessoas de ciência e tecnologia espacial na sede da NASA. Eles nos ajudaram a avançar as tecnologias que tornam o NICER possível, bem como aquelas que o NICER demonstrará. A missão é pioneira em vários níveis diferentes”, celebra.

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