Olhando para estrelas e observando o cinturão de Kuiper

Título: A kilometre-sized Kuiper belt object discovered by stellar occultation using amateur telescopes

Autores: K. Arimatsu, Tsumura, K., Usui, F e colaboradores

Instituição do primeiro autor: Obervatório nacional do Japão

Status: Publicado em Nature Astronomy, acesso fechado

O cinturão de Kuiper é uma região externa aos planetas gigantes de gelo (Netuno e Urano). Nesta região encontram-se diversos objetos com características semelhantes a asteróides mas que são classificados como objetos trans-netunianos (TNO, do inglês: Trans Neptunian Objects). Dentre estes, temos o exemplo de plutão, que no passado fora catalogado como planeta, mas atualmente ele faz parte dos objetos conhecidos por Plutinos, que habitam o cinturão de Kuiper.

A detecção de pequenos objetos do cinturão de Kuiper (KBOs, do inglês: Kuiper Belt Objects) é um desafio – mesmo com telescópios de ponta e pesquisas de colaboração massiva ao redor do mundo. Um pequeno ponto em um CCD pode ser um KBO, raio cósmico, asteróide ou qualquer outra coisa. Distinguir um KBO destas alternativas requer muitas noites de imagens sucessivas dos mesmos objetos. Além disso, os instrumentos astronômicos são caros, custando mais de dezenas de milhões de dólares.

No entanto, o artigo de hoje detalha como dois telescópios amadores, custando cerca de 100.000 R$, descobriram o primeiro KBO com aproximadamente 2 km de diâmetro. O objetivo do trabalho não é competir diretamente com pesquisas astronômicas massivas, mas sim, mostrar que a pesquisa inovadora pode ser realizada a um custo significativamente menor.

Como encontramos um KBO? Não devemos olhar para ele

Existem dois métodos para detectar KBOs: detecção direta e ocultação estelar. A detecção direta usa telescópios poderosos e depende da medição de um leve movimento do KBOs em diferentes noites de observações. O termo “detecção direta” é realmente um tanto enganador, já que esses objetos estão muito distantes e pequenos demais para serem resolvidos pelo telescópio. Todo telescópio possui uma função de espalhamento pontual (PSF, do inglês: Point Spread Function), que determina como um ponto exato da luz que atinge o telescópio é “borrado” em uma imagem. A maioria dos KBOs são tão distantes e pequenos que apenas parecem com a função de dispersão pontual, com isto você não pode ver a forma ou o tamanho real deles.

Uma ocultação estelar é uma forma de detecção indireta. Para encontrar um KBO usando a técnica de ocultação estelar, os telescópios capturam imagens de alta velocidade de grandes porções do céu, monitorando o fluxo de muitas estrelas. Essas medições de fluxo são transformadas em curvas de luz, que mostram um fluxo de 1 para o brilho de fundo de uma estrela e diminuem se a luz da estrela diminuir. Ocasionalmente, as curvas de luz estelares diminuem repentinamente o fluxo, o que pode indicar que um KBO passou na frente da estrela. Em outras palavras, a Terra cai na sombra de um KBO. Essa técnica é semelhante ao método de detecção de trânsito usado por astrônomos que procuram exoplanetas.

Figura 1: As cordas de ocultação de Ultima Thule permitiram aos astrônomos determinar sua forma antes que a New Horizons passasse por ela. Crédito de imagem: NASA / JHUAPL / SwRI

Ao medir quanto tempo dura uma ocultação estelar, os pesquisadores podem usar a velocidade da Terra para calcular o tamanho de uma “corda” no KBO. A Figura 1 mostra exemplos de muitas cordas no KBO (486958) 2014 MU69, também conhecido como Ultima Thule. Cada corda é o caminho de uma estrela que está sendo bloqueada pelo KBO. Com as muitas cordas de Ultima Thule, os astrônomos foram capazes de determinar sua forma de “boneco de neve” antes do sobrevoo da New Horizons no início de 2019. Outro grande benefício das ocultações estelares é que a resolução é limitada apenas pela frequência das imagens. A qualidade da câmera não importa mais.

Baixo custo com alta eficiência

Figura 2: (a) Curva de luz da estrela com ocultação de candidato à KBO. b) Ampliação da ocultação. As linhas vermelho e azul são os dados obtidoss com dois telescópios do OASES, indicando que essa queda de fluxo não é causada por erro do instrumento. Figura 2 no artigo.

Os autores do artigo de hoje projetaram os telescópios organizados para pesquisa de eventos aleatórios (OASES, do inglês: Organized Autotelescopes for Serendipitous Event Survey) para detectar pequenos KBOs a baixo custo. Os dois telescópios OASES que estão localizados na ilha de Miyako, no Japão, operaram de junho de 2016 a julho de 2017, captando imagens do céu em altas velocidades todas as noites, e identificando KBOs candidatos sempre que o fluxo de uma estrela diminuiu abaixo do nível de fundo da imagem. A Figura 2 mostra um exemplo de uma dessas diminuições que dura muito menos de um segundo, mas é detectado pelos dois instrumentos simultaneamente (azul e vermelho). Quando os dois telescópios mostram as mesmas quedas ao mesmo tempo, significa que a queda não foi causada por erros no telescópio ou no CCD – a luz realmente diminuiu por um momento.

Quedas simultâneas de fluxo ainda não são suficientes para que esses pesquisadores digam que isso é, de fato, sinal de uma ocultação. A luz das estrelas flutua devido à cintilação na atmosfera da Terra, que está constantemente mudando os padrões de densidade e vento. Para excluir os efeitos atmosféricos à medida que a causa do fluxo diminui, os autores examinaram quatro estrelas próximas ao objeto ao mesmo tempo para ver se a luz flutuava. A Figura 3 mostra a comparação de todas as cinco estrelas, indicando que apenas uma estrela mudou durante o evento. É assim que os autores são capazes de concluir que as quedas do fluxo foram provavelmente de uma ocultação por um KBO.

Figura 3: (a) Estrela candidata à ocultação (1) e quatro estrelas próximas. A linha tracejada é a maior área do céu que um distúrbio atmosférico pode afetar simultaneamente dos dados. b) Curvas de luz das cinco estrelas. Observe que apenas uma estrela mostra uma queda de fluxo, o que indica que os efeitos atmosféricos não causaram essa queda, que muito provavelmente é a assinatura de um KBO. Figura 3 no artigo.

Um KBO especial

No total, os autores encontraram 2431 candidatos a KBOs, mas a grande maioria deles são falsos positivos, descartados pela comparação entre os dois telescópios e as estrelas de campo próximas. Para o KBO real detectado, sua curva de luz foi ajustada a um modelo, mostrado em preto na Figura 2, que permite aos pesquisadores calcular o parâmetro de impacto e estimar o diâmetro do corpo. O parâmetro de impacto descreve a distância da corda de ocultação ao centro do KBO, assumindo que seja esférico simétrico. Como eles têm apenas um acorde de ocultação, os autores não podem determinar a forma do KBO. No entanto, eles podem usar a aproximação esférica para determinar seu diâmetro e a velocidade orbital da Terra para determinar sua distância.

Eles descobriram que o KBO estava a cerca de 33 UA do Sol, com um diâmetro de cerca de 2,6 km, tornando-o o primeiro KBO do tamanho de um quilômetro descoberto. Muitos candidatos a KBO menores foram descobertos por ocultações estelares, mas encontrar um KBO do tamanho de um quilômetro é, de certa forma, mais desafiador. Quanto menor o tamanho de um objeto no Sistema Solar, maior o número de objetos existentes, o que significa mais oportunidades para ocultações estelares ao acaso. Esse é outro indicador de que a configuração e o design do OASES tem capacidade para realizar astronomia de alto impacto.

De fato, essa descoberta reafirmou a relação entre tamanho e população de KBOs. A teoria prevê que o número de KBOs aumenta com o raio decrescente, seguindo uma lei de potência com um expoente em torno de 3. Isso significa, por exemplo, que existem cerca de oito vezes mais KBOs de 1 km de raio que 2 km de raio. A concordância com a literatura anterior deu aos autores mais confiança de que sua detecção e metodologia são sólidas.

O OASES, como prova de conceito, demonstra que a astronomia de alta frequência e baixo custo certamente tem potencial para novas descobertas. Os autores pretendem continuar aprimorando sua pesquisa e integrá-la às campanhas de ciência cidadã para descobrir mais KBOs.


Adaptado de Looking at Stars but Seeing the Kuiper Belt, escrito por Will Saunders.

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