Há 105 anos, astrofísico usou eclipse solar para provar teoria da relatividade de Einstein

E outras maneiras pelas quais um eclipse solar pode lançar luz sobre como nosso planeta, e o universo, funcionam.

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Enquanto a sombra da Lua atravessa o Sol em 8 de abril, o físico Aroh Barjatya lançará um trio de foguetes de 60 metros de altura na camada mais alta da atmosfera da Terra.

A escuridão curta e repentina de um eclipse solar envia mudanças que atravessam a camada eletricamente carregada da atmosfera da Terra, chamada de ionosfera, e os três foguetes de sondagem de Barjatya carregarão instrumentos para medir essas mudanças antes, durante e depois do pico do eclipse.

"Sabemos quando e onde isso vai acontecer, criando assim uma configuração experimental agradável e fácil para estudar física básica", disse Barjatya, que dirige o Laboratório de Instrumentação Espacial e Atmosférica da Embry-Riddle Aeronautical University, em Daytona Beach, Flórida, à Inverse.

Astrônomos e físicos têm usado eclipses solares como uma maneira de fazer experimentos por séculos, e eclipses solares passados ajudaram os cientistas a descobrir novos elementos químicos, procurar planetas escondidos e testar em campo as regras que descrevem como tudo no universo funciona. Este ano, equipes de cientistas usarão a escuridão do eclipse para lançar luz sobre a camada externa em constante mudança do Sol e como o Sol afeta a atmosfera do nosso planeta. Aqui está uma retrospectiva de como os eclipses ajudaram a avançar a ciência e como eles continuam a impulsionar a inovação.

1868: Descobrindo um novo elemento

É difícil imaginar não saber que o hélio existe. É o segundo elemento mais abundante do universo e, aqui na Terra, o usamos para tudo, desde a limpeza de motores de foguetes até o resfriamento de ímãs supercondutores em máquinas de ressonância magnética (MRI) e o enchimento de balões de festa. Mas o elemento mais leve que o ar era desconhecido até 1868, quando os astrônomos Norman Lockyer e Pierre Janssen apontaram seus telescópios para o Sol durante um eclipse solar.

Durante um eclipse, a camada mais externa do Sol é visível como um anel de luz pálido e brilhante espreitando ao redor das bordas da Lua. A Lua bloqueia a maior parte da luz do Sol, dando aos astrônomos uma rara chance de se concentrar em sua camada mais externa, a coroa. Em 18 de agosto de 1868, Janssen usou um instrumento chamado espectroscópio para dividir a luz fraca da coroa nos comprimentos de onda individuais que a compunham.

Vários comprimentos de onda de luz estavam claramente ausentes do espectro do Sol. Alguns anos antes, o químico Josef von Fraunhofer sugeriu que esses comprimentos de onda de luz estavam faltando porque estavam sendo absorvidos por produtos químicos nas camadas externas do Sol. Cada elemento químico emite e absorve suas próprias cores específicas de luz, e em 1868 os químicos identificaram os elementos que absorvem a maioria das linhas ausentes no espectro solar - exceto a que Janssen viu, com um comprimento de onda de cerca de 587,5 nanômetros (uma fração muito pequena de uma polegada).

Não correspondia à luz absorvida por nenhum elemento químico que os cientistas conheciam na época. Enquanto isso, observando o eclipse de um ponto de vista diferente, Lockyer notou a mesma linha amarela brilhante no espectro e chegou à mesma conclusão. Foi Lockyer quem nomeou o elemento, que parecia compor grande parte da camada mais externa do Sol, hélio, em homenagem ao deus grego do sol Hélio.

Em 1882, o físico Luigi Palmieri avistou a mesma linha espectral amarela brilhante na lava do Monte Vesúvio, na Itália, e percebeu que também era hélio (então a história da descoberta do hélio inclui um eclipse solar e um vulcão assassino, o que pode torná-lo o elemento mais impressionante da tabela periódica).

1919: Provando que Einstein estava certo

Algumas décadas depois, o astrofísico Arthur Eddington usou um eclipse solar para provar que a teoria da relatividade de Einstein estava correta, especialmente sobre como a gravidade poderia deformar o espaço-tempo. Einstein havia previsto que a massa de um objeto deveria deformar o espaço-tempo ao seu redor. A gravidade acontece porque o espaço-tempo se curva em direção a objetos massivos, de modo que objetos próximos que se movem pelo espaço-tempo se movem ao longo dessas curvas. As previsões de Einstein significavam que a luz também seguia as curvas e deformava no espaço-tempo.

Eddington percebeu que, se Einstein estivesse certo, a massa do nosso Sol deveria curvar o espaço-tempo em torno dele. A luz de estrelas distantes, escondidas atrás do Sol (do nosso ponto de vista) deve seguir esse caminho curvo e chegar a um ponto em frente ao Sol, onde podemos vê-lo. Em 29 de maio de 1919, Eddington e uma equipe de outros astrônomos observaram o Sol durante um eclipse solar total, e viram a imagem refletida de várias estrelas (cuja luz era normalmente abafada pelo brilho mais brilhante do Sol).

Hoje, o mesmo mecanismo permite que os astrônomos usem aglomerados de galáxias inteiras como lentes gigantes de aumento cósmico, revelando galáxias distantes que nossos melhores telescópios não poderiam ver.

A imagem do Telescópio Espacial Hubble, da Nasa, do aglomerado de galáxias CL1358+62, divulgada em 30 de julho, revelou uma imagem com lentes gravitacionais de uma galáxia mais distante localizada muito além do aglomerado. A imagem com lentes gravitacionais aparece como um crescente vermelho na parte inferior direita do centro. Getty Images

2024: Fazendo ondas na atmosfera

Mais de um século depois que um eclipse solar provou que Einstein estava certo sobre o espaço-tempo, Barjatya e seus colegas esperam aprender mais sobre como eclipses e outros eventos afetam a ionosfera, uma camada eletricamente carregada da atmosfera de 37 a 190 milhas acima da superfície da Terra.

"Essa camada reflete e refrata sinais de rádio e impacta as comunicações via satélite à medida que os sinais passam", diz Barjatya. Compreendê-lo e modelá-lo ajudará a permitir que ele funcione sem problemas.

Um eclipse solar é uma oportunidade perfeita para estudar como a ionosfera reage a distúrbios, como o desaparecimento repentino do bombardeio constante de radiação do Sol. O Sol nasce e se põe todos os dias, mas essas mudanças são muito mais graduais e impactam uma faixa muito maior da atmosfera da Terra ao mesmo tempo. Mas um eclipse solar é como o pôr do sol e o nascer do sol acontecendo em questão de minutos, ao longo de uma faixa muito estreita da atmosfera, e isso cria distúrbios, às vezes em grandes distâncias.

"As ondas e a dinâmica criadas pela sombra do eclipse atravessando a ionosfera viajam mais de 1000 quilômetros (620 milhas)", diz Barjatya.

Os instrumentos a bordo dos foguetes medirão eletricidade, campos magnéticos, densidade do ar e temperatura na ionosfera. Durante o eclipse anular em outubro de 2022, a equipe observou algumas mudanças; À medida que a sombra do eclipse passou, a densidade de partículas carregadas na ionosfera diminuiu acentuadamente. Como partículas carregadas são a razão pela qual a ionosfera reflete ondas de rádio, é importante entender a mecânica por trás dessas mudanças. Barjatya e seus colegas esperam que o dia 8 de abril possa revelar se as mudanças acontecem porque a Lua está bloqueando a luz ultravioleta de alta energia de chegar à ionosfera, ou porque a escuridão repentina faz com que as camadas mais baixas da atmosfera esfriem, criando ondas no ar que interrompem a ionosfera.

Estudando o eclipse do zero

Ao longo do caminho do eclipse total, outras equipes de cientistas coletarão seus próprios dados usando balões meteorológicos, aviões de alta altitude e redes de radares.

Os elegantes aviões de pesquisa de alta altitude WB-57 da NASA perseguirão a sombra do eclipse a 50.000 pés acima do solo. A perseguição em alta altitude manterá os aviões - e os instrumentos que eles carregam - na escuridão por mais dois minutos. Amir Caspi, do Instituto de Pesquisa do Sudoeste, e seus colegas esperam que suas imagens visíveis e infravermelhas revelem novos detalhes sobre a estrutura da coroa do Sol, e talvez até detectem asteroides não descobertos anteriormente orbitando perto do Sol. eles estão especialmente interessados em como o vento solar se forma nas camadas mais externas do Sol.

Equipes de estudantes em todo os EUA também lançarão centenas de balões meteorológicos para medir como a atmosfera responde ao frio repentino e à escuridão de um eclipse.

No solo, as placas de radar da Super Dual Auroral Radar Network (SuperDARN) medirão as ondas de rádio que saltam da ionosfera durante o eclipse. Um projeto financiado pela NASA liderado pelo físico Bharat Kunduri, da Virginia Tech, comparará as medições do SuperDARN com simulações de computador para aprender mais sobre como a ionosfera reage às rápidas mudanças que acontecem durante um eclipse.

E a atmosfera superior não é o único lugar que muda drasticamente durante um eclipse. Se você fechar os olhos e ouvir, poderá ouvir animais ao seu redor respondendo à escuridão repentina. O comportamento dos animais durante um eclipse - especialmente os sons que eles fazem - será o foco de outro estudo patrocinado pela Nasa em 8 de abril.