China lança observatório para estudar a matéria negra



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A China colocou em órbita uma missão cientifica que nos irá ajudar a detectar a matéria negra, um dos grande mistérios cosmológicos da actualidade.

O lançamento do observatório DAMPE, baptizado com o nome de ‘Wukong’ após um concurso internacional para atribuir um nome ao observatório espacial, teve lugar às 0012UTC do dia 17 de Dezembro de 2015 e foi levado a cabo pelo foguetão CZ-2D Chang Zheng-2D (Y31) a partir da Plataforma de Lançamento 603 do Complexo de Lançamento LC43 do Centro de Lançamento de Satélites de Jiuquan.

Os preparativos para o lançamento, com o satélite a chegar a Jiuquan a 18 de Novembro, e todas as fases do lançamento decorreram sem problemas e o satélite foi injectado numa órbita polar sincronizada como Sol com um perigeu de 498,382 km, apogeu de 503,038 km e inclinação orbital de 97,303°.

Wukong, o Rei Macaco

250px-Sun_Wukong_and_Jade_RabbitO observatório DAMPE foi baptizado com o nome de Wukong (悟空), após um concurso levado a cabo pelo Centro Nacional para Ciências Espaciais da da Academia de Ciências da China.

Sun Wukong, ou Rei Macaco, é a personagem principal da clássica novela Chinesa “Jornada para o Oeste”. Sun Wukong é também encontrado em muitas histórias posteriores, bem como adaptações. Na história, é um macaco nascido de uma rocha que obtém poderes sobrenaturais através de práticas Taoístas. Após se revoltar contra os céus e de ser aprisionado sobre uma montanha por Buda, mais tarde acompanha o monge Xuanzang numa jornada para recuperar sutras bubistas da Índia.

Em ‘Wukung’, ‘wu’ significa ‘compreensão’ e ‘kong’ significa ‘espaço’, e assim Wukong é um satélite que tem por objectivo entender o espaço.

A missão DAMPE

O DAMPE (DArk Matter Particle Explore) é uma das cinco missões que está englobada no Programa de Pesquisa Estratégica em Ciências Espaciais da Academia de Ciências da China. outras missões são o Hard X-ray Modulation Telescope, o Quantum Experiments at Space Scale, o satélite recuperável Shijian-10, além de estudos intensivos sobre futuras missões espaciais científicas e pesquisas avançadas sobre missões de ciência espacial e respectivas cargas científicas.

O DAMPE é um potente telescópio espacial para a detecção de raios gama de alta energia, electrões e raios cósmicos. É composto por uma dupla camada de denominados detectores PSD (Plastic Scintillator strips Detector) que serve como um detector ‘anti-coincidência’, seguido de um conversor STK (Silicon-Tungsten Tracker-converter) que é composto por seis duplas camadas de DAMPE 3seguimento, cada uma composta por sua vez de de duas camadas de faixas detectoras unilaterais de silício medindo as duas vistas ortogonais perpendiculares à direcção de orientação do aparelho. Três camadas de placas de tungsténio com uma espessura de 1 mm são inseridas em frente da camada de detecção n.º2, 3 e 4 para conversão de fotões. O STK é seguido por um calorímetro de observação com uma espessura de cerca de 31 comprimentos de radiação, compostas por 14 camadas de barras de Bismuth Germanium Oxide (BGO) num arranjo hodoscópico. Uma camada de detectores de neutrões foi adicionada na parte inferior do calorímetro. A espessura total do BGO e do STK corresponde a 33 comprimentos de radiação, tornando-o assim no mais profundo calorímetro alguma vez utilizado no espaço. Finalmente, para se detectar neutrões atrasados que resultem de uma ‘chuva’ de hadrões e para melhorar o poder de separação entre protões e electrões, foi colocado um detector de neutrões (NUD) mesmo por debaixo do calorímetro. O NUD é composto por 16 placas cintiladoras de boro com uma espessura de 1 cm com uma área de 19.5 × 19.5 cm2, cada uma conectada a um fotomultiplicador.

DAMPE 4

O principal objectivo do DAMPE será a medição de electrões e protões com uma muito maior resolução energética e alcance energético do que alguma vez conseguido com as experiências espaciais levadas a cabo até agora para identificar possíveis assinaturas de matéria negra. O observatório tem também um grande potencial em fazer avançar a compreensão da origem e os mecanismos de propagação dos raios cósmicos de alta energia, bem como proporcionar novas descobertas na astronomia de raios gama de alta energia.

Os objectivos científicos da missão são a busca por e o estudo de partículas de matéria negra ao levar a cabo observações de alta resolução de electrões de alta energia e de raios gama; o estudo da origem dos raios cósmicos ao se observar os electrões de alta energia e núcleos pesados acima de TeV; e estudar os mecanismos de propagação e aceleração dos raios cósmicos, observando raios gama de alta energia.

DAMPE 2O DAMPE tem uma sensibilidade sem precedentes e alcance energético para electrões, fotões e raios cósmicos (protões e iões pesados). Para os electrões e fotões, a gama de detecção é de 5 GeV – 10 TeV, com uma resolução energética de cerca de 1% a 800 GeV. Para os raios cósmicos, a gama de detecção é de 100 GeV – 100 TeV, com uma resolução de detecção superior a 40% a 800 GeV. O factor geométrico é de cerca de 0,3m2sr para electrões e fotões, e de cerca de 0,2m2sr para os raios cósmicos. A resolução angular é de 0,1º a 100 GeV.

A massa total da carga científica é de 1.400 kg e o seu consumo energético é de 400 W. A massa total do satélite é de 1.900 kg.

O que é a energia negra e a matéria negra?

No início dos anos 90 do século passado, uma coisa estava certa sobre a expansão do Universo, isto é, pode haver suficiente densidade de energia para parar sua expansão e colapsar, ou pode ter tão pouca densidade de energia que nunca iria parar de se expandir, mas era quase certo que a gravidade iria retardar a sua expansão com a passagem do tempo. De facto, o abrandamento da expansão não foi observado, mas teoricamente o Universo teria de abrandar. O Universo está cheio de matéria e a força atractiva da gravidade puxa toda a matéria em conjunto. Então, em 1998 e com observações de supernovas muito distantes levadas a cabo pelo Telescópio Espacial Hubble, mostraram que, há muito tempo atrás, o Universo encontrava-se numa expansão mais lenta do que na actualidade. Assim, a expansão do Universo não tem diminuído devido à gravidade, como todos pensavam, mas tem vindo a acelerar. Na comunidade científica não se esperava que tal acontecesse e ninguém sabia como explicar isso. Mas algo estava causando isso.

Surgiram então três hipóteses para explicar tal acontecimento. Talvez este fosse o resultado de uma versão há muito descartada da Teoria da Gravidade de Einstein, que continha o que foi então denominada de “Constante Cosmológica”. Talvez houvesse algum tipo estranho de fluido de energia que enchia o espaço. Talvez haja algo de errado com a Teoria da Gravidade de Einstein e uma nova teoria poderia incluir algum tipo de campo que cria esta aceleração cósmica. Não se sabe qual é a explicação correcta, mas à solução deu-se um nome: ‘energia negra’.

Desconhecemos mais do que sabemos! Sabemos a quantidade de energia negra que existe porque sabemos a forma como afecta a expansão do Universo. Para além, disso a energia escura é um mistério completo. Porém, é um mistério importante. De facto, cerca de 68% do Universo é energia negra. A ‘matéria negra’ compõe cerca de 27%. O resto – tudo na Terra e tudo alguma vez observado com todos os nossos instrumentos, é ‘matéria normal’ – somando cerca de 5% do Universo.

Uma explicação para a energia negra é a de ser uma propriedade do espaço. Albert Einstein foi o primeiro a compreender que o espaço vazio não é nada. O espaço possuí propriedades impressionantes, algumas das quais só agora começamos a compreender . A primeira propriedade que Einstein descobriu é a que é possível existir mais espaço. Uma das versões da teoria da gravidade de Einstein, a versão que contém a constante cosmológica, leva a uma segunda previsão: o ‘espaço vazio’ possuí a sua própria energia. Como esta energia é uma propriedade do próprio espaço, não seria diluída à medida que o espaço se expande. À medida que existe mais espaço, deveria surgir mais energia-do-espaço. Em resultado, esta forma de energia iria causar uma expansão cada vez mais rápida do Universo. Infelizmente, ninguém compreende o porquê de existir a constante cosmológica, e muito menos o porquê de ter exactamente o valor certo para causar a aceleração observável do Universo.

Outra explicação para a forma como o espaço adquire energia surge da teoria quântica da matéria. Nesta teoria, o ‘espaço vazio’ esta de facto cheio de partículas (‘virtuais’) temporárias que se formam de forma contínua e que depois desaparecem. Mas quando os Físicos tentaram calcular a quantidade de energia isto daria ao espaço vazio, a resposta surgiu errada – com uma grande margem. O número surgiu 10120 vezes maior do que era esperado. É difícil ter uma resposta tão má, por isso o mistério continua.

Outra explicação para a energia negra é o facto de ser uma nova forma de fluído dinâmico de energia ou campo, algo que preenche todo o espaço mas algo cujo efeito na expansão do Universo é o oposto do efeito causado pela matéria e energia normais. Alguns teóricos referiram-se a isto como ‘quintessência’, honrando o quinto elemento dos filósofos Gregos. Mas, se a quintessência é a resposta, ainda não sabemos como ela é, com o que interage, ou porque existe. O mistério continua!

Uma última possibilidade é o facto de a teoria da gravidade de Einstein não estar correcta. Isso não só afectaria a expansão do Universo, mas também afectaria a maneira como a matéria normal nas galáxias e nos grupos de galáxias se comportaria. Esta facto providenciaria uma maneira para decidir se a solução para o problema da energia negra é uma nova teoria da gravidade ou não: poderíamos observar a forma como as galáxias se agrupariam em grupos. Mas se se chega à conclusão de que é necessária uma nova teoria da gravidade, que tipo de teoria seria? Como poderia descrever correctamente o movimento dos corpos no Sistema Solar, tal como o faz a teoria de Einstein, e ainda assim dar-nos uma previsão distinta para o Universo tal como necessitamos? 

O que é necessário para decidirmos entre as possibilidades em relação à energia negra – uma propriedade do espaço, um novo fluído dinâmico , ou uma nova teoria da gravidade – são mais e melhores dados!

Ao se ajustar um modelo teórico da composição do Universo com o conjunto de observações cosmológicas, chegou-se à conclusão de que 67% do Universo é energia negra, 27% é matéria negra e 5% é matéria normal. O que é a matéria negra?

Estamos muito mais certos do que a matéria negra não é, do que ela de facto é. Em primeiro lugar, é negra (escura), querendo isto dizer que não se encontra na forma de estrelas e planetas tal como os vemos. As observações mostram que existe muito pouca matéria no Universo para atingir os 27% necessária pelas observações. Em segundo lugar, não se encontra na forma de nuvens negras de matéria normal, matéria composta de partículas denominadas de ‘bariões’. Sabemos isto porque seriamos capazes de detectar nuvens bariónicas através da sua absorção da radiação que por elas passasse. Em terceiro lugar, a matéria negra não é anti-matéria, pois não observamos os raios gama que são produzidos quando a anti-matéria se aniquila com a matéria. Finalmente, podemos excluir os buracos negros do tamanho de galáxias na base da quantidade de lentes gravitacionais que observamos. Altas concentrações de matéria distorcem a luz que lhes passa por perto, mas não vemos suficientes eventos de lentes gravitacionais para sugerir que tais objectos constituem os necessários 25% de matéria negra.

Porém, nesta altura, ainda existem alguma possibilidades que são viáveis para explicar a matéria negra. A matéria bariónica pode ainda constituir a matéria negra se estivesse toda aglomerada em anãs castanhas ou em pequenos pedaços densos de elementos pesados. estas possibilidades são conhecidas como ‘MACHOS’ (MAssive Compact Halo ObjectS). Porém, a opinião mais aceite é a de que a matéria negra não será bariónica, mas que seja constituída por outras partículas mais exóticas, tais como axiões ou WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles).

O foguetão CZ-2D Chang Zheng-2D

CZ-2DO foguetão lançador chinês CZ-2D Chang Zheng-2D (长征二号丁火箭), fabricado pela Academia de Tecnologia Espacial de Xangai, é um veículo a dois estágios destinado a colocar satélites em órbitas terrestres baixas. O seu primeiro estágio é semelhante ao do foguetão lançador CZ-4 Chang Zheg-4, bem como o seu segundo estágio exceptuando uma secção de equipamento melhorada em relação ao CZ-4.

O Chang Zheng-2D tem a capacidade de colocar uma carga de 3.500 kg numa órbita a uma altitude de 200 km com uma inclinação de 28,0º em relação ao equador terrestre ou uma carga de 1.300 kg para uma órbita sincronizada com o Sol a uma altitude de 645 km. No lançamento desenvolve 2.961,6 kN, tendo uma massa total de 232.250 kg, um comprimento de 41,056 metros e um diâmetro de 3,35 metros.

O CZ-2D é principalmente lançado desde o Complexo de Lançamento LC-43 do Centro de Lançamento de Satélites de Jiuquan (áreas LA-2B ‘138’, que se encontra desactivada, e LC43/603), mas pode também ser lançado desde Xichang e Taiyuan.

O primeiro lançamento do CZ-2D teve lugar a 9 de Agosto de 1992 (0800UTC) quando o veículo Y1 colocou em órbita o satélite recuperável FSW-2 (1) (22072 1992-051A).

O CZ-2D Chang Zheng-2D pode utilizar dois tipos de carenagens de protecção distintas dependendo do tipo de carga a colocar em órbita. A carenagem Tipo A tem um diâmetro de 2,90 metros (com esta carenagem o lançador tem um comprimento total de 37,728 metros) e a carenagem Tipo B tem um diâmetro de 3,35 metros (comprimento total de 41,056 metros).
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O Centro de Lançamento de Satélites de Jiuquan

O Centro de Lançamento de Satélites de Jiuquan (酒泉卫星发射中心), está localizado em Ejin-Banner, na Prefeitura de Alashan da Região Autónoma da Mongólia Interior, e foi o primeiro centro de lançamento de satélites da China, sendo também designado como Centro de Lançamento Shuang Cheng Tze.

Jiuquan 2O polígono de lançamento incluí um um Centro Técnico, dois Complexos de Lançamento, um Centro de Controlo de Comando, um Centro de Controlo de Lançamento, sistemas de abastecimento de propelentes, sistemas de comunicação e seguimento, sistemas de abastecimento de gás, sistemas de previsão meteorológica e sistemas de apoio logístico.

Jiuquan foi originalmente utilizado para o lançamento de satélites científicos e satélites recuperáveis para órbitas terrestres de média ou baixa altitude com altas inclinações. Todas as missões tripuladas da China foram lançadas desde Jiuquan.

Jiuquan 1O Complexo de Lançamento LC43, também designado como ‘Local de Lançamento Sul’, está equipado com duas plataformas de lançamento: 921 e 603. A Plataforma de Lançamento 921 é utilizada para o programa espacial tripulado para o lançamento dos foguetões CZ-2F Chang Zheng-2F (Shenzhou e Tiangong). A Plataforma de Lançamento 603 é utilizada para lançamentos não tripulados com os foguetões CZ-2C Chang Zheng-2C, CZ-2D Chang Zheng-2D e CZ-4C Chang Zheng-4C.

Outras zonas do Centro de Lançamento de Satélites de Jiuquan são utilizadas para o lançamento dos foguetões de propelentes sólidos KZ Kuaizhou e CZ-11 Chang Zheng-11.

O primeiro lançamento orbital desde Jiuquan teve lugar a 24 de Abril de 1970 quando um foguetão CZ-1 Chang Zheng-1 colocou em órbita o primeiro satélite artificial da China, o Dongfanghong-1 (04382 1970-034A).

Dados Estatísticos e próximos lançamentos

– Lançamento orbital: 5508

– Lançamento orbital com sucesso: 5156

– Lançamento orbital China: 234

– Lançamento orbital China com sucesso: 222

– Lançamento orbital desde Jiuquan: 82

– Lançamento orbital desde Jiuquan com sucesso: 76

– Lançamento orbital desde Jiuquan em 2015: 5

Ao se referir a ‘lançamentos com sucesso’ significa um lançamento no qual algo atingiu a órbita terrestre, o que por si só pode não implicar o sucesso do lançamento ou da missão em causa (como foi o caso do lançamento do Progress M-27M).

A seguinte tabela mostra os totais de lançamentos executados este ano em relação aos previstos para cada polígono à data deste lançamento.

2015-078 1

2015-078 2

Dos lançamentos bem sucedidos levados a cabo: 29,1% foram realizados pela Rússia; 21,5% pelos Estados Unidos (incluindo ULA, SpaceX e Orbital SC); 22,8% pela China; 13,9% pela Arianespace; 5,1% pelo Japão; 6,3% pela Índia e 1,3% pelo Irão.

Os próximos lançamentos orbitais previstos são (hora UTC): 

17 Dez (1151:56) – Soyuz-STB/Fregat-MT (VS13) – CSG Kourou (Sinnamary), ZLS – Galileo-FOC FM08 (Andriana); Galileo-FOC FM09 (Liene)

20 Dez (0125:00) – Falcon-9 v1.2 – Cabo Canaveral AFS, SLC-40 – Orbcomm-G2 FM102; Orbcomm-G2 FM108; Orbcomm-G2 FM110; Orbcomm-G2 FM112 a Orbcomm-G2 FM118

21 Dez (0844:41) – 14A14-1A Soyuz-2-1A – Baikonur, LC31 PU-6 – Progress MS (ISS-61P)

23 Dez (2130:50) – 8K82KM Proton-M/Briz-M – Baikonur, LC200 PU-39 – Express-AMU1 (Экспресс-АМУ1 ) / Eutelsat-36C

?? Dez (????:??) – CZ-3B Chang Zheng-3B/G2 – Xichang, LC2 – GF-4 Gaofen-4

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