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Os Buracos Negros são reais: Einstein acertou de novo

Desde os tempos da escola que eu me incomodava com a teoria de gravitação de Newton – aquela que, em resumo, diz ser a gravidade uma “força” que faz com que um corpo com massa maior atraia corpos com menos massa. Sempre me perguntava: “como assim uma força?”. Talvez por terem nos ensinado sobre a Teoria de Newton – e não sobre a Teoria da Relatividade de Einstein, em que a gravidade não é uma “força”, mas sim uma deformidade do tecido do espaço-tempo do Cosmos provocado por corpos massivos – entender o conceito de gravidade não seja assim tão natural para a maioria das pessoas e, por isso, a divulgação da maior notícia científica do ano e uma das mais importantes da história da ciência não tenha ocupado mais do que alguns segundos nos jornais da TV, infelizmente.

Sobre os buracos negros, até então só tínhamos projeções feitas por computadores, baseadas em cálculos matemáticos em cima da Teoria da Relatividade de Einstein, e ainda assim apenas divulgadas no meio científico. A ideia mais próxima de um buraco negro que o público comum pôde vislumbrar foi apresentada no excelente filme “Interestellar”, de 2014, com o fictício buraco negro chamado Gargantua.

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Figura 1. Imagem do buraco negro fictício Gargantua apresentado no filme Interestellar, de 2014.


O primeiro registro real de um buraco negro: Einstein acertou de novo

Saiba, então, que o dia 10 de abril de 2019 entrou para a história da Ciência, pois nessa data foi apresentada ao mundo a primeira fotografia real de um buraco negro, localizado no centro da galáxia M87 (Messier 87, também chamada de Virgo A, distante de nós a aproximadamente 60 milhões de anos-luz na direção da constelação de Virgem).

Os buracos negros – já previstos por Einstein desde o ano de 1915 em sua Teoria Geral da Relatividade – são regiões do espaço tão massivas, mas tão massivas, que nada – nada mesmo – pode escapar, nem mesmo a luz – daí a expressão “buraco negro”, pois não é possível vê-lo diretamente, já que ele não deixa sua luz escapar diante a enorme curvatura do espaço a sua volta provocada por sua gigantesca massa, formando assim uma “singularidade” delimitada por uma superfície denominada “horizonte de eventos”, que marca a fronteira na qual, uma vez penetrada, a matéria não se pode mais voltar.

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Figura 2. Albert Einstein, autor da Teoria Geral da Relatividade, que apresentou uma nova abordagem sobre o que é a gravidade e propondo a existência de buracos negros. Desde 1915 ele já sabia da existência de buracos negros.

Apesar de a teoria de Einstein afirmar claramente a existência de buracos negros desde 1915, ainda não havia uma prova real ou “visível” deste fenômeno, o que levou a várias discordâncias entre cientistas ao longo dos últimos 100 anos sobre a real existência desses colossais corpos massivos pelo universo.  A revelação – em foto e em cores – do buraco negro em M87 mostrou, mais uma vez, que Einstein estava certo e que a sua Teoria da Relatividade é o maior legado científico da humanidade.

Sendo negros por não emitirem luz, como podem ser detectados?

Através da interação com a matéria em sua vizinhança um buraco negro pode se tornar “detectável”, quer seja por meio da observação do movimento de estrelas em uma dada região do espaço ou mesmo pela medição de grande quantidade de radiação emitida quando a matéria proveniente de uma estrela atraída para dentro do buraco negro é aquecida a altas temperaturas no chamado “disco de acreção”, chegando a escapar até mesmo da própria galáxia através do “jato relativístico”.

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Figura 3. As partes de um buraco negro. O que o torna “visível” são o disco de acreção e o jato relativístico. A singularidade – o buraco negro em si – não é visível.

Mas não pense que é assim tão fácil “visualizar” um buraco negro. Muito pelo contrário.
Para capturar a incrível imagem do buraco negro no centro da M87 foi criada uma rede internacional de radiotelescópios formando um gigantesco radiotelescópio virtual equivalente a um telescópio do tamanho do planeta Terra. Esse radiotelescópio foi chamado de Telescópio de Horizonte de Evento (EHT), numa colaboração internacional cujo apoio nos Estados Unidos inclui a National Science Foundation.

Pra você ter uma ideia, anos atrás a NASA chegou a pensar que seria necessária a construção de um telescópio muito grande no espaço para se conseguir um vislumbre da imagem de um buraco negro e mesmo assim sem garantias.  Isso, por si só, dá-nos a noção de quão difícil e incrível foi mais essa façanha da genialidade humana, iniciada em 1915 com a intuição de um gênio – Einstein – e concluída em 2019 com os maiores cientistas da atualidade e da tecnologia de nosso tempo.

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Figura 4. Imagem do centro da galáxia M87 obtida pelo observatório Chandra, da NASA.

Para complementar o EHT, várias naves espaciais da NASA fizeram parte do grande esforço para observar o buraco negro usando diferentes comprimentos de onda da luz. Como parte deste esforço, o Observatório de Raios-X Chandra da NASA, o Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR), além do telescópio do Observatório Espacial Neil Gehrels Swift, todos em sintonia com diferentes variedades de luz de raios-x, olharam para o centro da M87 ao mesmo tempo juntamente como o EHT em abril de 2017.

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Figura 5. A galáxia M87 e o registro de um jato relativístico a partir de seu centro feito pelo telescópio espacial Hubble.

Dois anos de captura de dados e uma imagem histórica

Não pense você que toda essa estrutura de telescópios em terra e no espaço foi usada apenas para gerar uma foto JPG do buraco negro. Longe disso, os telescópios e radiotelescópios registraram informações, dos mais variados tipos, que foram guardadas em poderosos computadores com enorme capacidade de armazenamento.  Para ser mais preciso, todas as informações coletadas pelo telescópio virtual do EHT foram somadas em mais de 8 petabytes de dados.  Acredite, isso é muita informação!

Light bulb 8 petabytes equivalem a 8.000 terabytes, ou seja, 8 mil discos rígidos desses que atualmente são usados em computadores pessoais para armazenamento de dados.

Como a Internet não possui a capacidade para a transferência tão grande de dados de um lado para o outro entre os observatórios participantes do EHT espalhados pelo planeta, os mesmos precisaram ser transportados em seus discos rígidos periodicamente entre um continente e outro — processo que, obviamente, não foi nada rápido, além de exigir toda uma logística de segurança no transporte intercontinental.

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Figura 6. Katie Bouman – engenheira do MIT responsável pela criação do algoritmo que levou à geração final da imagem a partir dos 8 petabytes de dados – e parte dos discos rígidos contendo informações sobre o buraco negro obtidas ao longo de 2 anos.

Depois de juntados os discos rígidos, a reunião, comparação, gerenciamento e análise da enorme quantidade de informação foi possível graças a um algoritmo desenvolvido por uma equipe encabeçada por Katie Bouman, engenheira do MIT responsável pela criação do sistema capaz de contabilizar todo o volume de dados obtido pelos telescópios, formando a imagem final.

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Figura 7. A primeira imagem real de um buraco negro, localizado no centro da galáxia M87.


Um buraco negro em nosso quintal cósmico

De acordo com a Teoria de Einstein, buracos negros são comuns no universo. Provavelmente a maior parte das galáxias elípticas e espirais possui no seu centro um buraco negro supermassivo em seu centro. Os buracos negros supermassivos possuem uma massa muito superior aos buracos negros estelares, na ordem dos milhões ou mesmo bilhões de massas solares. Acredita-se que este tipo de buraco negro muito massivo tenha surgido quando o Universo era ainda bem jovem.

Em um artigo publicado em 31 de outubro de 2018 foi anunciada a descoberta de evidências conclusivas de que Sagitário A*, uma fonte de ondas de rádio bastante intensa e situada no centro de nossa galáxia, a Via Lactea,  é um buraco negro. Isso mesmo! Temos um buraco negro na nossa vizinhança, distante a apenas 26 mil anos-luz e com aproximadamente 2 milhões de massas solares.

Espera-se, a partir de agora, com a comprovação da existência dos buracos negros além da teoria, que as técnicas usadas para o registro visual seja avançada, tornando-se mais comum o estudo e compreensão desses gigantes massivos.  Aguardemos, então, o próximo buraco negro a se revelar em foto. Torço para que seja o Sagitário A*.

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Um Feliz 2019 Espacial

Em menos de quatro dias – na virada do ano 2018 para 2019 – três grandes feitos da humanidade foram destaques na exploração espacial: a missão OSIRES-REx, que passou a orbitar o asteroide Bennu, tornando-se a primeira sonda a orbitar tão próximo um objeto tão pequeno como o asteroide; a missão New Horizons, que após 3 anos fazer um brilhante e revelador sobrevoo por Plutão, agora atinge o Ultima Thule, um corpo espacial nos confins do Sistema Solar e que se acredita ser originário dos primeiros momentos do nosso sistema planetário; e por último o inédito feito chinês, que pousou sua sonda Chang’e-4 no lado oculto de nossa Lua, sendo a primeira sonda espacial a pousar no até então inexplorado território lunar.

OSIRES-REx e o asteroide Bennu: na virada do ano para 2019

Enquanto a humanidade comemorava a virada para o ano novo uma equipe da NASA aguardava ansiosa os dados de telemetria que comprovariam que a nave da missão OSIRES-REx entrara em órbita do asteroide Bennu, a 110 milhões de quilômetros da Terra, fazendo do asteroide Bennu o menor objeto a ser orbitado por uma nave espacial.

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Figura 1. Asteroide Bennu em rotação capturado pela sonda OSIRES-REx.

A órbita do OSIRIS-REx marca um salto para a humanidade. Nunca antes uma espaçonave circulou tão perto de um pequeno objeto espacial com suficiente gravidade para manter um veículo em uma órbita estável. A nave espacial circundará Bennu a uma distância de incríveis 1,75 quilômetros (isso é menor que uma pista de pouso de um aeroporto), mais perto do que qualquer outra nave chegou de qualquer objeto de estudo celestial.

Agora que a nave OSIRIS-REx está mais perto de Bennu, detalhes físicos sobre o asteroide serão revelados através de fotografias com melhor resolução e foco mais nítido, tornando a visita da nave espacial a esse monte de escombros de detritos primordial cada vez mais reveladora. Aguardemos.

New Horizons e o Ultima Thule: 1º de Janeiro de 2019

A nave da missão New Horizons, que ficou famosa por seu sobrevoo espetacular no planeta-anão Plutão em 2015 – clique aqui e veja meu artigo sobre a passagem da New Horizons por Plutão – realizou mais um feito inédito: realizou com sucesso um sobrevoo num objeto do cinturão de Kuiper – o 2014 MU69, também referido como Ultima Thule – distante a incríveis 6,6 bilhões de km da Terra, já nos confins do Sistema Solar.

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Figura 2. Como o Ultima Thule era visto antes da New Horizons: um pequeno e pálido ponto de luz na imensidão do espaço.

O Ultima Thule tem 32 km de comprimento e leva 295 anos terrestres para dar uma volta no Sol e se tornou, desde o dia 1º de janeiro de 2019, o corpo celeste mais distante já visitado por um artefato humano.

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Figura 3. Ultima Thule fotografado pela New Horizons na madrugada de 1º de janeiro de 2019 (imagem de confirmação, ainda em baixa resolução). Fotos com melhor resolução chegarão em semanas e meses após o sobrevoo.

O Cinturão de Kuiper

É uma região nos confins do Sistema Solar, além da órbita do planeta Netuno, distante entre 30 UA e 50 UA, e contém milhares de pequenos corpos, estes com formação semelhante à dos cometas.

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Figura 4. Aspecto do Sistema Solar e a posição do Ultima Thule, bem além da órbita de Plutão.

Light bulb Cada UA (Unidade Astronômica) equivale a distância entre a Terra e o Sol, ou seja, 150 milhões de km aproximadamente.

Chang’e-4 e o Lado Oculto da Lua: 3 de janeiro de 2019

No dia em que publico este artigo, instantes atrás, o programa espacial chinês consegue realizar um feito inédito: pousou, pela primeira vez, uma sonda espacial no lado oculto da Lua.

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Figura 5. Registro inédito do solo do lado oculto da Lua feito pela sonda Chang’e-4 da China no dia 3 de janeiro de 2019.

O lado oculto da Lua é assim chamado por nunca se mostrar visível para nós, a partir da Terra, uma vez que o período do movimento de rotação da Lua é exatamente igual ao seu movimento de revolução (a volta que a Lua dá em torno da Terra).

Devido ao regime fechado do governo chinês, poucas informações são compartilhadas – diferentemente da NASA – e por isso o que se sabe a respeito da missão é que a pioneira, a Chang’e-4 irá realizar estudos de observação astronômica de rádio de baixa frequência, análise de terreno e relevo, detecção de composição mineral, entre outras ações para estudar o meio ambiente no lado oculto da Lua.

De toda forma está de parabéns a China pelo feito inédito, esperando que as descobertas científicas da missão possam ser compartilhadas com cientistas de todo o planeta.

Se depender do ritmo dos 3 dias iniciais, o ano de 2019 promete. Que tenhamos cada vez mais sucesso e avanço na exploração espacial.

Korolev: A Piscina de Marte

Todos já sabem que há água – na forma de gelo – em Marte, mas uma imagem divulgada no dia 20/12/2018 pela ESA (Agência Espacial Europeia) tem causado alvoroço entre os cientistas e aqueles que – como eu – acompanham o progresso da jornada humana ao Planeta Vermelho.

O satélite da missão Mars Express da ESA, através de várias órbitas com o foco na cratera Korolev conseguiu montar imagens em altíssima resolução de uma “piscina” de gelo com cerca de 82 km de diâmetro e cerca de 1,8 km de espessura. Isso é muita água!

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Figura 1. Piscina de gelo na cratera Korolev em Marte, com 82 km de diâmetro e 1,8 km de profundidade.

A Missão Mars Express

A Missão Mars Express da ESA – com participação da NASA – foi lançada em 2 de junho de 2003 e atingiu Marte seis meses mais tarde, exatamente no dia 25 de dezembro de 2003. Estamos, portanto, no mês do aniversário de 15 anos de inserção de órbita da nave e o início do seu programa científico. Um belo presente de aniversário de 15 anos, não?

Objetivo principal da missão é procurar água sub-superficial. Sete instrumentos científicos na nave espacial ajudam nas investigações rigorosas para responder a perguntas fundamentais sobre a atmosfera, superfície do ambiente marciano, geologia, história da água e o potencial de vida em Marte.

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Figura 2. Satélite da Missão Mars Express na órbita de Marte desde dezembro de 2003.

No caso das imagens recentes da cratera Korolev,  foram feitas com uma câmera de alta resolução – Stereo Camera (HRSC) – da Mars Express e são compostas da visão da cratera Korolev em cinco diferentes ‘tiras’ que foram combinadas para formar uma única imagem, com cada tira recolhida ao longo de uma órbita diferente. A cratera também é mostrada em perspectiva, contexto e pontos de vista topográficos, que oferecem uma visão mais completa do terreno e em torno da cratera.

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Figura 3. Cratera Korolev em ‘tiras’ fotográficas para a montagem da foto em alta resolução.

A Cratera de Korolev

A cratera de Korolev – que foi batizada com o nome do engenheiro russo Sergei Korolev, da época do programa Sputnik – tem 82 km de diâmetro e se encontra nas planícies do norte de Marte, ao sul de um grande pedaço de terreno cheio de dunas que circunda a parte da tampa de polar norte do planeta (conhecida como Olympia Undae).

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Figura 4. Aspectos topográficos da cratera Korolev.

A cratera Korolev é um exemplo especialmente bem preservado de uma cratera marciana, preenchida não por neve, mas por gelo durante o ano todo devido a um fenômeno interessante conhecido como ‘armadilha fria’, que ocorre devido à profundidade da cratera – cerca de 2 km verticalmente abaixo de sua borda – fazendo com que o ar se mova sobre o depósito de gelo e esfrie a parte inferior, criando uma camada de ar frio que fica diretamente acima o próprio gelo, comportando-se como um escudo, ajudando o gelo a permanecer sempre estável. O ar, como se sabe, é um fraco condutor de calor, exacerbando esse efeito e mantendo a cratera Korolev permanentemente gelada.
 

Agora é esperar os próximos passos da exploração do Planeta Vermelho com essa importante descoberta e seus desdobramentos em artigos científicos que certamente surgirão em função dos estudos a partir das imagens e outros dados obtidos.

InSight: Explorando o Interior de Marte

O foco mudou, tudo bem… Pelo menos nos próximos 10 anos será Lua – e não Marte – o alvo da NASA para missões tripuladas além da órbita da Terra. Mas isso não significa que desistimos do Planeta Vermelho. Longe disso, a NASA toma a decisão mais acertada: fazer de nossa Lua agora um laboratório para a futura exploração humana em Marte e além.

A Missão InSight

A partir da base da Força Aérea de Vandenbert, em 5 de maio de 2018, abordo de um foguete Atlas V-401 da United Launch Alliance, a NASA lançou sua Missão InSight – acrônimo para Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport – rumo a Marte, numa viagem de 485 milhões de quilômetros e seis meses de duração, chegando hoje no seu momento decisivo: o pouso com sucesso no Planeta Vermelho em 26 de novembro de 2018.

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Figura 1 – Foguete Atlas V-401 antes do lançamento da Missão InSight.

Pointing up A Missão InSight foi a primeira missão para outro planeta lançada a partir da Costa Oeste dos Estados Unidos. Em geral os lançamentos de foguetes são realizados na Costa Leste – a partir do Kennedy Space Center da NASA – e voam para leste, sobre as águas do Oceano Atlântico, aproveitando-se do sentido de rotação da Terra para adicionar impulso extra ao veículo lançador. O Atlas V-401, no entanto, é poderoso o suficiente para voar para o sul em direção ao mar da base da Força Aérea de Vandenberg, sem necessidade do impulso extra da rotação da Terra.

A Missão InSight é a mais ambiciosa missão exploratória em Marte, pois contará com um explorador robótico enviado para fazer o primeiro checkup completo e estudar em profundidade o interior do planeta desde a sua formação há 4,5 bilhões de anos: sua crosta, seu manto e seu núcleo.

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Figura 2 – Aspecto do interior do planeta Marte.


Objetivos da Missão

Missões anteriores para o planeta vermelho investigaram sua superfície através do estudo de suas crateras, vulcões, rochas e solo. Mas as assinaturas da formação do planeta só podem ser encontradas por sensoriamento e estudos de seus sinais vitais muito abaixo da superfície. Este é o principal objetivo da Missão InSight.

Um planeta rochoso se forma a partir de materiais reunidos num processo chamado acreção. Este material então é separado em camadas à medida em que se esfria, que é conhecido como diferenciação. Um planeta totalmente formado emerge lentamente, com uma camada superior, conhecida como a crosta, o manto no meio e um núcleo de ferro sólido.

Um dos objetivos da missão será descobrir como Marte – e consequentemente outros corpos rochosos do Sistema Solar – se formou e evoluiu até se tornar um planeta. A missão também vai determinar a taxa de atividade tectônica marciana e impactos de meteoritos.

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Figura 3 – Processo de acreção de um planeta.

Pointing up Em astrofísica, acreção é a acumulação de matéria na superfície de um astro, através da ação da gravidade. A maioria dos objetos astronômicos, como galáxias, estrelas e planetas é assim formada.

Um completo laboratório totalmente automatizado será enviado ao Planeta Vermelho. A Missão InSight contará com vários equipamentos científicos de última geração, entre os quais se destacam:

  • Um sismógrafo para estudar a crosta de Marte e obter dados importantes sobre a temperatura, pressão e composição do material que primeiro formou o planeta.
  • Uma sonda de fluxo de calor investigará quanto calor ainda está fluindo do interior de Marte. Suas observações irão gerar dados sobre o quanto a Terra e Marte são feitos do mesmo material, dando uma ideia de como o planeta evoluiu.
  • Um rádio de experimento científico que medirá as menores alterações da sonda e revelar como Marte está se movendo em sua órbita. Estas medições fornecerão informações sobre a natureza do núcleo interior profundo de Marte, revelando em que profundidade o núcleo de Marte se torna sólido, o que levará a conhecer o quanto de outros minerais, além do ferro, podem estar presentes.

Todas as ferramentas científicas da sonda foram projetadas para ajudar a olharmos para trás no tempo, para quando primeiro se formaram os planetas rochosos do Sistema Solar.

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Figura 4 – Aspecto da Sonda da Missão InSight em solo marciano com destaque ao sismógrafo e o equipamento de perfuração profunda do solo.

Momento crucial

Como em toda missão a outro planeta, o momento do pouso é crítico e tenso para a equipe de Terra.  Todo o processo é automatizado e pré-programado.

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Figura 5 – Aspecto da nave espacial da Missão InSight se aproximando do Planeta Vermelho.

Apesar do sucesso da NASA em missões anteriores, é importante lembrar que Marte está a cerca de 20 minutos-luz da Terra, ou seja, os sinais de rádio levam cerca de 20 minutos para viajar da Terra a Marte e vice-versa, e apesar de toda programação prévia não se sabe as reais condições do planeta no momento exato da aproximação, entrada na atmosfera e até o momento do pouso no solo marciano.

Apesar de todas as probabilidades de falha, a missão foi um sucesso, pousando em Marte, como previsto, no dia 26 de novembro de 2018.

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Figura 6 – Aspecto do pouso da nave da Missão InSight em Marte.

Comunicação permanente com a Terra

A sonda da Missão InSight terá comunicação permanente com a Terra a partir de Marte.

A NASA usará a Deep Space Network (DSN), uma rede internacional de antenas que fornece links de comunicação entre a nave de exploração planetária e suas equipes de missão na terra.

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Figura 7 – Aspecto de um dos complexos da DSN da NASA.

A DSN consiste de três complexos de comunicação do espaço profundo colocados aproximadamente 120 graus separados ao redor do mundo: em Goldstone, no deserto de Mojave na Califórnia; perto de Madrid, Espanha; e perto de Canberra, Austrália. Este posicionamento estratégico permite constante links para nave espacial distante, mesmo considerando a rotação da Terra sobre seu próprio eixo.

A missão de InSight se baseia em nave espacial em órbita de Marte para a coleta de dados e retransmissão da nave espacial para as antenas da rede de espaço profundo na Terra.

A Equipe

A equipe da InSight é composta por cientistas e engenheiros de várias especialidades e é uma colaboração única entre países e organizações ao redor do mundo. A equipe de cientistas inclui investigadores dos Estados Unidos, França, Alemanha, Áustria, Bélgica, Canadá, Polônia, Espanha, Suíça e Reino Unido.

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Figura 8 – Equipe do projeto InSight.

Marte ainda é o objetivo a médio prazo

Em dezembro de 2017, o presidente americano Donald J. Trump deu a NASA uma nova determinação: direcionar os esforços para exploração da Lua a partir de agora e nos próximos 10 anos, mas com o objetivo de adiante irmos a Marte e além. A Missão InSight é parte dessa estratégia que, realmente, parece ser a mais correta. Primeiro uma base permanente na Lua; depois Marte e além.

A pesar de nos próximos anos o foco principal seja a criação de uma base permanente na nossa Lua, o projeto ainda mantém uma missão prevista a Marte em 2020 como um bloco de construção para uma missão de robótica subsequente de ida e volta com o primeiro lançamento histórico para outro planeta e retorno através de um gateway lunar.

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Figura 9 – Ilustração da NASA mostrando as 4 naves que já pousaram com sucesso no Planeta Vermelho: Sojourner, Spirit, Opportunity, e Curiosity. A imagem também mostra a Mars 2020 – prevista para 2020 – e o Homem, num futuro a médio prazo.

Marte será, sem dúvida, o próximo passo. E tem que ser um passo bem dado, com objetivo concreto de chegarmos para ficar. Mas, por enquanto, vamos aprender a viver – e conviver – em outro mundo fora da Terra fazendo a nossa Lua de laboratório.

Créditos das imagens: NASA.