On-sky demonstration of dual-field interferometry at the CHARA Array

Para ver os detalhes mais finos do universo, os astrônomos frequentemente precisam ligar telescópios entre si, criando um instrumento virtual tão largo quanto a distância entre eles. Esta técnica, conhecida como interferometria, permite que cientistas resolvam estruturas minúsculas em estrelas distantes que, de outra forma, pareceriam meros pontos de luz. No entanto, a atmosfera da Terra é um manto turbulento que constantemente distorce a luz estelar recebida, fazendo com que os delicados padrões de interferência necessários para essas medições se tornem borrados e desapareçam em uma fração de segundo. Tradicionalmente, isso significava que os astrônomos só podiam observar estrelas brilhantes por breves períodos, limitando sua capacidade de estudar objetos mais fracos e elusivos, como companheiros distantes ou exoplanetas. O desafio sempre foi como manter a "visão" do telescópio estável o tempo suficiente para coletar luz suficiente desses alvos tênues sem que o ruído atmosférico apagasse o sinal.

Uma equipe de pesquisadores do CHARA Array, uma coleção de seis telescópios posicionados no Monte Wilson, na Califórnia, demonstrou com sucesso uma nova maneira de superar essa barreira. Ao usar uma estrela próxima e brilhante como guia em tempo real, eles mostraram que é possível rastrear as distorções atmosféricas de uma estrela enquanto se observa simultaneamente, de forma longa e estável, uma companheira muito mais fraca. Essa abordagem de "campo duplo" efetivamente desacopla a necessidade de um alvo brilhante da necessidade de uma observação longa, abrindo as portas para o estudo de sistemas que anteriormente eram escuros demais para serem vistos com tal detalhe.

A equipe colocou essa nova capacidade à prova no verão de 2025, usando um sistema de três estrelas conhecido como Alpha Piscium. Este sistema é um arranjo hierárquico, o que significa que contém um par largo de estrelas, onde uma delas é, por si só, um par binário apertado. Os pesquisadores usaram dois instrumentos diferentes conectados aos mesmos seis telescópios. Um instrumento, o MIRC-X, travou na estrela primária mais brilhante para atuar como referência, medindo as oscilações atmosféricas milhares de vezes por segundo. Essas medições foram usadas para corrigir o caminho da luz em tempo real. Enquanto isso, um segundo instrumento, o MYSTIC, usou essas mesmas correções para observar a estrela companheira mais fraca na parte infravermelha do espectro. Como a estrela de referência manteve o sistema estável, o segundo instrumento pôde integrar a luz da companheira fraca por muito mais tempo do que o normal, permitindo resolver detalhes que de outra forma seriam perdidos.

Os resultados deste primeiro teste foram imediatos e precisos. A equipe conseguiu resolver o par binário interno da estrela companheira, separando duas estrelas que estão a apenas sete milésimos de arcsegundo de distância uma da outra. Para colocar essa distância em perspectiva, é aproximadamente o tamanho de uma moeda vista de centenas de milhas de distância. Além disso, ao comparar as posições das duas estrelas principais do sistema, a equipe mediu sua separação com uma incerteza de apenas 234 microarcsegundos. Esse nível de precisão confirma que toda a cadeia de operações — desde a captura da luz de duas estrelas ao mesmo tempo até a estabilização das franjas e o registro dos dados — funciona conforme o pretendido.

Embora o sucesso inicial tenha utilizado duas estrelas de brilho comparável, o verdadeiro objetivo desta tecnologia é observar objetos significativamente mais fracos que suas estrelas de referência. Os pesquisadores agora estão trabalhando para expandir os limites dessa sensibilidade. Eles desenvolveram um software que pode rastrear a fase da luz em diferentes cores de luz infravermelha, garantindo que o sistema permaneça estável mesmo conforme a atmosfera se desloca. Testes iniciais mostram que o sistema pode manter um bloqueio estável com erros muito pequenos, um passo crucial para observar alvos tênues. No entanto, a configuração atual ainda é limitada pelo brilho das estrelas que consegue adquirir e pelo ruído térmico gerado pelos próprios instrumentos durante exposições longas.

Para alcançar alvos ainda mais fracos, a equipe planeja várias atualizações de hardware. Eles pretendem substituir a câmera usada para encontrar e rastrear as estrelas por um modelo mais sensível que possa detectar objetos muito mais tênues, potencialmente estendendo o alcance das estrelas observáveis do limite atual para magnitudes muito mais fracas. Eles também planejam resfriar os detectores e remover janelas quentes do instrumento para reduzir o calor de fundo que atualmente afoga os sinais fracos. Além disso, pretendem melhorar os sistemas de óptica adaptativa nos telescópios, que corrigem o borrão atmosférico, para garantir que mais luz da companheira fraca entre no instrumento.

Simulações computacionais sugerem que, com essas atualiasções, o sistema poderá eventualmente observar estrelas tão fracas quanto magnitude 13 na banda K, um salto significativo em relação ao limite atual de cerca de magnitude 8 ou 9. Isso permitiria aos astrônomos procurar por companheiros tênues, como anãs marrons ou exoplanetas, orbitando estrelas que são escuras demais para serem estudadas com os métodos atuais. A equipe já começou a reunir dados para testar esses limites de sensibilidade e, embora a análise completa ainda esteja em andamento, o caminho a seguir está claro. Ao transformar uma estrela brilhante em um farol que guia a visão de uma vizinha mais fraca, o CHARA Array está transformando a forma como podemos ver os componentes ocultos e tênues do nosso bairro cósmico.