A história da Radioastronomia é repleta de acontecimentos inusitados. A serendipidade, que podemos entender como a surpresa de uma descoberta inesperada, esteve presente em diversas épocas e fez com que muitos pesquisadores se destacassem e contribuíssem para a história da Ciência. Nesta página, mostraremos uma relação de pesquisadores e suas descobertas.
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Antes de tudo, o Eletromagnetismo
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Começamos com Maxwell porque foi quem criou o arcabouço teórico que levou aos experimentos de Hertz e aos primeiros dispositivos para comunicação sem fio, via rádio.
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James Clerk Maxwell (1831 -1879): ao tratarmos de fenômenos relacionados ao eletromagnetismo na história da ciência, pertence a Maxwell o crédito por unificar os conhecimentos de sua época sobre eletricidade e magnetismo em suas famosas equações. Foi a partir de sua elaboração teórica que os físicos entenderam o fenômeno da eletricidade e do magnetismo que, intrinsecamente, indicavam a existência de ondas eletromagnéticas. Além disso, ele também teorizou que a luz visível é uma manifestação eletromagnética.
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Na cidade de Edimburgo, na Escócia, o visitante pode se deparar com a estátua de Maxwell, ao lado da qual há uma inscrição com as famosas equações. Na fachada da casa onde nasceu Maxwell, encontramos uma placa com os dizeres:
"Many of today's major technological advances are due to James Clerk Maxwell who created the first full-colour photographic image and developed the theory of electromagnetic waves which made mobile phones, radio, radar and GPS all possible. He is commemorated by a statue on George Square and a small museum here at his birthplace".
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(Devemos muitos dos principais avanços tecnológicos atuais a James Clerk Maxwell, que criou a primeira imagem fotográfica colorida e desenvolveu a teoria das ondas eletromagnéticas que tornaram possíveis os telefones celulares, o rádio, o radar e o GPS. Ele é celebrado com uma estátua na George Square e um pequeno museu aqui em sua cidade natal. Em tradução livre.)
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E uma citação de Albert Einstein (Uma época científica terminou e outra começou com Maxwell, em tradução livre):
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"One scientific epoch ended and another began with Maxwell"
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As ondas de rádio
Depois de Maxwell, outro grande cientista foi Heinrich Hertz (1857 - 1894). Profundo conhecedor do trabalho de Maxwell, Hertz foi o primeiro a realizar observações científicas das ondas eletromagnéticas. Em seu laboratório, ele construiu dispositivos capazes de gerar e de receber os sinais de rádio. De um lado, um circuito com grandes bobinas capazes de produzir descargas elétricas de alta tensão num circuito sintonizado com capacitores, nos quais os pulsos elétricos produziam ondas eletromagnéticas de frequência conhecida por ele. Para receber os sinais, ele realizou diversos dispositivos, incluindo um constituído por uma espira de fio ligada a duas esferas metálicas muito próximas. Quando o transmissor era ligado, produzindo faíscas de alta tensão e de alta intensidade, o receptor a alguns metros de distância produzia pequenas descargas elétricas que podiam ser vistas no escuro.
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No seu livro Electric Waves, Hertz dedicou um capítulo a um fenômeno que ele percebeu durante os experimentos com o eletromagnetismo: a incidência de luz ultravioleta facilitava a produção das descargas elétricas em seus dispositivos. Foi uma descoberta depois relacionada ao Efeito Fotoelétrico que valeu um Prêmio Nobel a Albert Einstein.
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Apesar da enorme importância dos experimentos de Hertz para o surgimento das telecomunicações, há relatos de que ele não pensava em aplicações práticas para suas engenhosas montagens.
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Foto de um dos experimentos e o diagrama elétrico. Fonte: Heinrich Rudolf Hertz
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Antes de Karl G. Jansky, no começo dos anos 1930, realizar a primeira observação radioastronômica que é considerada o marco inicial da radioastronomia, alguns outros pesquisadores especulavam sobre sinais de rádio originários do espaço cósmico, além da Terra. O histórico elaborado terá informações pesquisadas em observsatórios radioastronômicos e sites de universidades, além de usar como referência a compilação feita por Sarah Stevens-Rayburn, do National Radio Astronomy Observatory. Primeiro, para o período de 1898 até Jansky, ela destacou:
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Wilsing & Scheiner (1896): realizaram tentativas de detectar radiação solar;
Oliver Lodje (1900): Signalling Through Space Without Wires;
Deslandres & Decombe (1902): "On The Search for Hertzian Radiation Emanating From The Sun";
Nordmann (1902): "A Search for Hertzian Waves emanating from the Sun";
Oswald (1930): ""Transoceanic Telephone Service - Short-Wave Equipment: Technical Features Of The New Short-Wave Radio Stations of The Bell System".
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1890
Thomas Alva Edison (1847 - 1931), célebre por muitas invenções, incluindo a lâmpada elétrica de uso prático e comercial, é citado porque constam registros de que tentou captar sinais de rádio do Sol, em 1890. A informação consta numa carta de Arthur E. Kennelly (1861 - 1939), que trabalhou com ele. Entretanto, já em 1902, Kennelly e Oliver Heaviside (1850- 1925) concluíram que os receptores da época não tinham sensibilidade para captar tais sinais, além disso, já suspeitavam da existência da Ionosfera, que bloquearia sinais de rádio de baixas frequências (com informações do livro Tools of Radio Astronomy. Springer, Sixth Edition. New York, 2013).
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1894
Sir Oliver Lodge (1851 - 1940), físico britânico que inventou um dispositivo para detecção de ondas de rádio, o coesor, acreditava que poderia captar emissões de rádio do Sol, mas não obteve sucesso e chegou a mencionar as fontes de interferências locais em Liverpool e que o equipamento deveria ser muito sensível. (com informações do livro The Radio Universe, J. S. Hey, 1971).
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No artigo de 2007, HIGHLIGHTING THE HISTORY OF FRENCH RADIO ASTRONOMY. 1: NORDMANN’S ATTEMPT TO OBSERVE SOLAR RADIO EMISSION IN 1901, de Suzanne Débarbat; James Lequeux; Wayne Orchiston, encontramos relatos da pesquisa desenvolvida por Wilsing & Scheiner (1896), Oliver Lodje (1900), Deslandres & Decombe (1902) e Nordmann (1902).
Receptor usado por Wilsing e Scheiner, para tentar captar emissão solar. Crédito: Suzanne Débarbat; James Lequeux; Wayne Orchiston
1896
Johannes Wilsing (1856–1943) e Julius Scheiner (1858–1913): dois astrofísicos que tentaram, ainda no final do século 19 captar emissões de rádio do Sol na faixa centimétrica. Usaram um receptor que era constituído por duas superfícies metálicas em contato, cuja resistência varia em função da incidência de sinais de rádio. Para minimizar interferências externas, o detector ficava numa caixa coberta com folha metálica. Eles utilizavam um refletor metálico, para direcionar os raios solares para a caixa. Relataram não ter detectado nenhuma emissão solar para o aparato montado, com a sensibilidade da tecnologia da época.
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Receptor usado por Nordmann e Haberkorn, para tentar captar emissão solar. Crédito: Suzanne Débarbat; James Lequeux; Wayne Orchiston
1902
Charles Nordmann (1881 - 1940) astrônomo francês, com interesse em astronomia solar, que com seu assistente, F. Haberkorn, conduziu uma tentativa de detectar sinais de rádio do Sol, na faixa das ondas hectométricas (300 kHz a 3 MHz, é nesta faixa que funcionam as emissores de Ondas Mádias, 525 kHz a 1705 kHz). Ele realizou a observação numa região montanhosa, pensando em minimizar efeitos de absorção da atmosfera na observação, consideração desnecessária, hoje sabemos. Usou um longa antena, um fio de 174 m de comprimento, suspenso sobre a neve. O receptor não era um circuito sintonizado, e sim um dispositivo chamado "coesor" (coherer): um recipiente isolante contendo um pó metálico, por exemplo, de ferro, cuja resistência à passagem da corrente elétrica subitamente diminuia na presença de um sinal de rádio em seus terminais. Para voltar ao valor da resistência mais alta, algum leve impacto deveria ser aplicado ao dispositivo. Com o coesos ligado à antena, a uma bateria e galvanômetro ele esperava medir variações de corrente provocadas por emissões de rádio do Sol. Mas ele não conseguiu captar nada e concluiu que se o Sol emitir radiação eletromagnética nas faixas de frequência da sua pesquisa, estas devem ser absorvidas pela atmosfera solar e pelas camadas superiores da atmosfera da Terra.
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1902
Henri Deslandres (1853 - 1948), astrônomo francês que, sabendo dos resultados infrutíferos da busca de enissões de rádio do Sol conduzidas por Wilsing e Scheiner em 1896, e por Nordmann e Heberkorn, em 1902, ponderou que as proeminências presentes acima da cromosfera do Sol poderiam emitir ondas de rádio por mecanismos parecidos com os que ocorrem em descargas atmosféricas na Terra. Também associaram erupções solares como possíveis causas de interrupções em comunicações via telégrafo, na época. Eles ponderaram que muitas observações seriam necessárias para a confirmação de que se poderia detectar ondas de rádio do Sol, na superfície da Terra. é digno de nota que no começo da década de 1900, o Sol estava num período de baixa atividade.
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Jansky e a antena tipo carrossel que captou sinais da Via Láctea
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Jansky e a Via Láctea
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1931 - 1935
Karl G. Jansky (1905- 1950), engenheiro da Bell Labs, New Jersey, EUA. Como vimos, no começo do século XX, muito já se sabia sobre as ondas eletromagnéticas e sua aplicação estava amplamente difundida para telecomunicações, especialmente na faixa de Ondas Curtas, cerca de 3 MHz a 30 MHz. Trabalhando para a Bell Labs, Jansky, em 1931, pesquisava a origem de interferências provocadas por tempestades, para projetar uma antena capaz de minimizar os sinais indesejáveis nas comunicações de longas distâncias (intercontinentais). Ele construiu uma antena que foi comparada a um carrossel de parque de diversões, porque girava em torno do próprio eixo a cada 20 minutos, sintonizada na frequência com comprimento de onda de 14,6 m (em 20,5 MHz). O receptor registrava os sinais recebidos num papel.
Em seus estudos, ele conseguiu comprovar que havia ruídos gerados por tempestades distantes e tempestades próximas, mas havia um terceiro tipo de ruído de estática, cuja origem não foi logo identificada, mas à medida em que a antena girava, a direção da origem do sinal também mudava, num ciclo de aproximadamente 24 horas. Ele chegou a pensar no Sol como fonte do sinal, mas logo também percebeu que havia uma diferença de 4 minutos a menos, a cada dia, no pico do sinal. Aqui devemos lembrar de que dia sideral é 4 minutos mais curto do que o dia solar, de modo que a conclusão era a de que o sinal tinha origem de fora do Sistema Solar. Investigações posteriores comprovaram que era originado na nossa galáxia, a Via Láctea. Jansky publicou o artigo "Electrical Disturbances Apparently of Extraterrestrial Origin", em 1933, no qual identificou até mesmo a direção no céu de origem do ruído, vindo do centro da Via Láctea.
Em 1935 ele publicou outro artigo em que evidencia que, a qualquer momento em que a antena seja apontada para aquela região do céu, especialmente para o centro da galáxia, o sinal será novamente percebido, com mais intensidade se apontada para a região central. Ele concluiu que a fonte do ruído poderia ser das estrelas em si ou da matéria espalhada no meio interestelar, notando que o Sol não emitia aquele tipo de radiação no momento das suas observações. Aqui também devemos registrar que o Sol encontrava-se num período de mínima atividade quando Jansky fez suas observações, porque certamente seu equipamento poderia também ter captado emissões solares naquela faixa de frequências. A descoberta de Jansky definiu um limite prático para a sensibilidade dos receptores de Ondas Curtas naquela época. Também estabeleceu que o sinal captado estava intrinsecamente relacionado à estrutura da nossa galáxia. Jansky propôs a construção de outros tipos de antenas, maiores e com refletores, para prosseguir com os estudos, mas não obteve apoio (com informações do livro Radio Astronomy, Kraus, 2005 e Basics of Radio Astronomy, Miller, 1998).
Registro de picos do sinal a cada 20 min, obtidos por Jansky (KRAUS, 2005)
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1935 - 1948
Grote Reber (1911 - 2002). Ciente da descoberta de Jansky, Grote Reber, um engenheiro, especializado em rádio, construiu num terreno da sua casa, uma antena com refletor parabólico de 9,5 m de diâmetro, que podia ser ajustada em relação à declinação, e aproveitava a rotação da Terra para o trânsito dos meridianos. Essa antena, podemos dizer, é o protótipo de muitos dos modernos radiotelescópios com refletores parabólicos. Reber tentou localizar fontes de rádio no céu em frequências mais altas que as pesquisadas por Jansky pois, de acordo com a Teoria do Corpo Negro, sinais de maior intensidade seriam possíveis em frequências mais altas. Ele pesquisou nas faixas de 3300 MHz (9,1 cm), 910 MHz (33 cm) com resultados negativos.
Ele realizou intensivos estudos sobre o comportamento do seu radiotelescópio que, ao funcionar como um bolômetro, ou medidor de calor, media a temperatura equivalente de distantes partes do espaço para a qual o diagrama da antena estivesse direcionada (REBER, 1942). Reber foi capaz de identificar fortes emissões no plano da galáxia na faixa de 1,87 m, ou 160 MHz. Ele publicou, em 1944, o primeiro mapa de rádio do céu, identificando regiões pela intensidade do fluxo de energia de rádio. Identificou, por exemplo, fontes na direção da Constelação de Sagitarius, Cygnus, Cassiopeia e até do Sol. Posteriormente, em 1948, Reber também publicou um mapa do céu com as fontes que identificou na faixa de 62,5 cm, em 480 MHz (com informações do livro Radio Astronomy, Kraus, 2005).
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Antena parabólica construída por Reber
Durante e após a Segunda Guerra Mundial
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1942 - 1945
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James Stanley Hey (1909 - 2000), inglês, mais um pioneiro da radioastronomia. Em 1942, Hey obteve evidência de emissão solar enquanto trabalhava como cientista civil para as forças armadas britânicas. Ele tinha por missão investigar sinais interferentes nos sistemas de radar. Foi naquele ano que muitas estações operando com comprimentos de onda de 4 a 8 m sofreram interferências que - em vez de serem provocadas por forças inimigas - ele demonstrou e correlacionou com intensa emissão do Sol que, inclusive, estava com uma grande mancha solar em seu disco visível. Também em 1942 pesquisadores da Bell Labs fizeram observações de emissões solares nos comprimentos de ondas centimétricas. Tais informações, no entanto, permaneceram restritas por questões de segurança durante a guerra.
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1944
Em mais uma ocorrência que podemos dizer que seja exemplo de serendipidade, Hey descobriu que era impossível aumentar a sensibilidade dos receptores dos radares porque havia sinal de ruído de origem cósmica, conforme descoberta de Jansky. Ele também descobriu que certos ecos detectados pelos radares eram provocados por rastros de meteoros ao entrarem na atmosfera da Terra.
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1946
Hey e sua equipe descobriram a primeira fonte discreta no Céu: Cygnus A. Também estudaram propriedades de manchas solares e explosões solares a partir das emissões de rádio.
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(com informações do livro The Radio Universe, J. S. Hey, 1971).
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A posição da fonte discreta Cygnus A no céu foi definida com precisão e foram realizadas observações com telescópios óticos de alta sensibilidade como o de Monte Palomar: identificaram uma região semelhante a uma galáxia dupla. Naquela ópoca eles calcularam a distância de Cygnus A de cerca de 600 milhões de anos-luz e a potência do sinal de rádio gerada de 10e38 Watts.
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(com informações do livro Radio Astronomy, Kraus, 2005).
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Imagem de rádio da rádio galáxia Cygnus A, crédito J. McKean and M. Wise, ASTRON
A Nebulosa do Caranguejo na Constelação de Touro
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1948 - 1951
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Em 1948, o pesquisador britânico John Gatenby Bolton (1922 - 1993), radicado na Austrália, identificou pela primeira vez (além do Sol), um sinal de rádio de intensidade relativamente alta, associado a objetos celestes visíveis e já conhecidos na época da descoberta. Um dos objetos era a Nebulosa do Caranguejo, na Constelação de Touro, localizada em nossa própria galáxia.
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Em 1950, astrônomos da University of Manchester detectaram emissões de rádio, em 158 MHz, de Andrômeda, a grande galáxia vizinha à nossa.
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De acordo com Kraus (2005), a descoberta das emissões de rádio de Andrômeda fez os astrônomos classificarem as galáxias em dois tipos, quanto à emissão de rádio: as galáxias normais, com potências consideradas moderadas, como Andrômeda, que gera 10e32 Watts. As outras galáxias, como Cygnus A, são classificadas como rádio galáxias, emitindo de mil a cem milhões de vezes mais potência de rádio que uma galáxia considerada normal.
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(com informações do livro Radio Astronomy, Kraus, 2005).
Imagem de rádio da Nebulosa do Caranguejo, crédito: Very Large Array/NASA
A Nebulosa do Caranguejo é uma remanescente da explosão de uma supernova, que foi vista em 1054 d.C., e era chamada de "estrela nova" por observadores ao redor do mundo. A imagem de rádio feita pelas antenas do VLA (Very Large Array), EUA, é resultante de emissões da nuvem de poeira e gás ejetada após a explosão.
Antena do tipo corneta, na faixa de 21,1 cm, usada por Ewen & Purcell (crédito: NRAO/AUI/NSF)
A linha de Emissão do Hidrogênio em 1420 MHz
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1945 - 1951
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As publicações científicas de Jansky sobre a emissão da Via Láctea e de Reber, indicando a existência de fontes de rádio no céu em diferentes frequências, suscitaram o interesse de outros pesquisadores que já haviam teorizado sobre a possibilidade de ser observado um indicador de emissão da linha do Hidrogênio neutro, na faixa de rádio, em 1420 MHz (21,1 cm). Foi Hendrick van de Hulst (1918 - 2000), em 1945, quem sugeriu que se fizesse um levantamento em busca de sinais dessa frequência oriundos do hidrogênio presente na Via Láctea.
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Os primeiros pesquisadores a captarem tal sinal, no entanto, foram Harold Irving Ewen (1922 - 2015) e Edward Mills Purcell (1912 - 1997), da Universidade de Harvard, em 1951. A descoberta da linha do hidrogênio foi de enorme importância para a Astronomia. Uma das consequências diretas da descoberta, por exemplo, foi a possibilidade de mapearmos a estrutura da nossa própria galáxia (com informações do livro Radio Astronomy, Kraus, 2005).
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Apesar da importância da descoberta, Ewen & Purcell utilizaram uma antena do tipo corneta, instalada no quarto andar do Lyman Lab, em Harvard. Parte da estrutura, que formava um guia de ondas para 1420 MHz, entrava pela janela e, caso chovesse, acontecia de a água entrar pela corneta e alagar o laboratório, onde ficavam o receptor e um registrador gráfico. Outros pesquisadores, contemporâneos a eles, também captaram a emissão do hidrogênio em 1951 e 1952.
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Se fosse possível vermos Júpiter em rádio, talvez tivesse aparência semelhante, dependendo da frequência.
Sinais de rádio de Júpiter
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1955
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Bernard Burke (1928 - 2018) e Kenneth Franklin (1923 - 2007), astrônomos americanos, dividem o crédito pela descoberta da primeira emissão de rádio originária de outro planeta: Júpiter. Como mais um exemplo de serendipidade, eles estavam usando as conhecidas emissões da Nebulosa do Caranguejo para testar um grande arranjo de antenas dipolo na configuração Mills Cross (formando um grande X, com 66 dipolos em cada perna), na faixa de 22 MHz. Eles direcionavam o estreito lóbulo da antena na direção da nebulosa e perceberam que além de captar os sinais da própria nebulosa, ocasionalmente, captavam outros sinais que a princípio pensaram ser interferências locais. Após confirmarem que o sinal se repetia e estava associado a alguma fonte no céu, consultaram cartas celestes e calcularam a posição de Júpiter, chegando à conclusão de que coincidiam as emissões - que antes eles consideraram interferências - e a posição do planeta no lóbulo da antena, em vários dias de observação. As emissões que eles percebera, na faixa decamétrica de rádio (coincide com a faixa de Ondas Curtas), possui polarização circular ou elíptica e não se enquadram em emissões de origem térmica.
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1958
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Observações posteriores confirmaram também que o disco planetário de Júpiter emite um fluxo típico de emissão do corpo negro, com temperatura característica de 140 K, em comprimento de onda de micro-ondas em 3 cm, ou seja, por processos térmicos. Também foram identificadas outras faixas de frequências - 31 cm, por exemplo - emitidas por regiões ao redor do planeta, no plano equatorial.
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As emissões de Júpiter permitiram identificar sua magnetosfera e medir sua rotação com maior precisão, algo difícil para um planeta gasoso. Estudos posteriores das emissões decamétricas também permitiram determinar a probabilidade de ocorrência de tais emissões, relacionando-as a regiões do planeta e às interações com a lua vulcanicamente ativa, Io.
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(com informações do artigo An Account of the Discovery of Jupiter as a Radio Source (Franklin, 1958), e do livro Radio Astronomy, Kraus, 2005).
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