Astronomia, a ciência do BINGO

In Portuguese

Objetivos Específicos

• Levantamento junto com a comunidade escolar de Aguiar sobre os seus conhecimentos de Ciências, Astronomia, Astrofísica e Cosmologia
• Organização de aulas sobre os temas
• Preparação de palestras sobre o tema para os professores da região
• Construção de uma mostra, em que os alunos das escolas estejam envolvidos na produção do material para divulgação nas escolas e na comunidade da cidade de Aguiar.

Fundamentação Teórica 

A astronomia talvez seja a ciência mais antiga da história da humanidade. Observar o céu tem sido uma atividade realizada desde nossas mais primitivas civilizações até os dias atuais. Diferentemente de um experimento realizado em um laboratório onde diversos testes em um dado sistema podem ser realizados, medidos e interpretados, o astrônomo pode apenas observar o Universo e tentar extrair dele informações que deem significado as teorias que tentam descrevê-lo.

Foi assim, por exemplo, que Kepler e Galileu fizeram suas belíssimas descobertas acerca do movimento dos corpos celestes, das manchas solares, das montanhas da Lua, das fases de Vênus, dos satélites de Júpiter e dos anéis de Saturno [1]. Atualmente, vivemos uma era de ouro da observação do Universo, na qual teorias consagradas como a Relatividade Geral são postas à prova através das medidas de ondas gravitacionais [2] e misteriosos comportamentos do Universo foram revelados, tais como a existência da matéria escura e da energia escura.

Os dados experimentais de satélites altamente tecnológicos como o Projeto Planck [3], revelam que nosso Universo é composto por cerca de 70% de energia escura, 26% de matéria escura e apenas 4% de matéria bariônica. A energia escura foi medida no final da década de 90 por dois grupos experimentais denominados Supernova Cosmology Project e High Redshift Supernova Team [4,5]. Ambos os grupos revelaram que nosso Universo passa por uma fase de expansão acelerada, cuja fonte é desconhecida e foi denominada por energia escura. Já a matéria escura foi proposta em 1922 pelo astrônomo holandês Jacobus Cornelius Kapteyn. Em suas análises sobre a distribuição de massas, forças e velocidades em um sistema estelar, ele foi capaz de inferir a existência de matéria não observável que seria responsável pelas acelerações gravitacionais medidas [6]. Já a matéria bariônica, trata-se da matéria que conseguimos medir e manipular experimentalmente, composta pelos elementos químicos que vemos na tabela periódica e pelas partículas do modelo padrão. Sendo assim, é certo dizer que desconhecemos 96% do conteúdo de nosso Universo.

Entre as tentativas para descrever quando e como a energia escura moldou a expansão de nosso Universo, destaca-se a chamada medida da oscilação acústica de bárions (ou BAO em inglês) [7]. Esta oscilação baseia-se em medir a emissão de fótons oriundos de nuvens de hidrogênio (elemento químico mais abundante no Universo), durante processos de expansão devidos à energia escura, na faixa de comprimentos de onda de 21cm. As BAOs funcionam como réguas padrão que permitem estudar a expansão do Universo em função do desvio para o vermelho, caracterizando a energia escura e contribuindo para a construção de modelos cosmológicos [8]. 

Uma série de experimentos busca medir as BAOs, partindo desde a radiação primordial de fótons, denominada radiação cósmica de fundo, até períodos de tempo mais recentes de nosso Universo. Dentre tais experimentos, destacamos a colaboração BINGO (Baryon acoustic oscillations from Integrated Neutral Gas Observations) [8]. O BINGO é um radiotelescópio que será construído no sertão da Paraíba para medir a radiação BAO em uma fase mais recente do Universo, que compreende uma distância de desvio para o vermelho (ou redshift em inglês), entre 0.13-0.48 [8]. Esse projeto se enquadra em uma colaboração multinacional envolvendo a Universidade de São Paulo, a Universidade Federal de Campina Grande, o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais e instituições do Reino Unido, China, França, Espanha, Alemanha, Suíça e África do Sul.

O sítio escolhido para a construção deste projeto fica localizado próximo a cidade de Aguiar no sertão da Paraíba. A ciência por trás dos resultados experimentais do projeto BINGO fundamenta-se em três grandes áreas: Astronomia, Astrofísica e Cosmologia. Deste modo, o projeto torna-se uma grande vitrine para a divulgação dessas áreas junto à comunidade, em especial aos alunos de ensino fundamental e médio. Tal estratégia, além de aproximar esses alunos em tópicos relativos a um experimento de ciência de fronteira, tem potencial de despertar nos estudantes o desejo pela descoberta científica. Além disso, os bolsistas e voluntários envolvidos no projeto de extensão, terão a oportunidade de estudar tópicos de ciências, astronomia, astrofísica e cosmologia, bem como auxiliar na preparação de material didático e de eventos de divulgação junto à comunidade escolar alvo do projeto.  

Este projeto está fundamentado no ensino e na divulgação de tópicos de ciências, astronomia, astrofísica e cosmologia para a comunidade escolar de Aguiar. Esta ação de extensão visa contribuir com a inserção direta desta comunidade escolar no Projeto do Radiotelescópio BINGO. A comunidade escolar de Aguiar foi escolhida como público-alvo deste projeto por esta estar localizada próxima ao sítio no qual o radiotelescópio será construído.

Metodologia

Inicialmente, pretendemos capacitar os bolsistas e voluntários em conceitos básicos de ciências, astronomia, astrofísica e cosmologia. Neste processo de capacitação produziremos materiais didáticos e pedagógicos que serão utilizados nas aulas de divulgação. Os bolsistas e voluntários também trabalharão em conjunto com os professores responsáveis na elaboração de uma feira de ciências e também de uma mostra científica, que envolverá os alunos das comunidades escolares alvo do projeto.

A equipe do projeto deve ter entre 6 a 8 alunos.

A metodologia será baseada em aulas expositivas com caráter de divulgação. Além disso, pretende-se estimular que os estudantes realizem experimentos de baixo custo, bem como a interagirem com tópicos das atividades através de aplicativos e softwares. 

A fase de capacitação dos bolsistas e voluntários terá, além do suporte de livros textos, discussões baseadas em vídeo aulas de ciências, astronomia e cosmologia, tais como o material do curso Understanding the Universe: An introduction to Astronomy. Esta fase de capacitação visa também estimular os bolsistas e voluntários a pôr em prática métodos científicos em um projeto de divulgação para a comunidade, resultando em uma junção entre pesquisa e extensão.

Os alunos deverão construir um corpo de conhecimento básico de astronomia a partir da experiência própria, as discussões entre as equipes serão as principais fontes para a construção do conhecimento em um processo de inverted classroom. 

Essa estratégia permite que os alunos tenham um roteiro formativo mais flexível ao se depararem com a realidade escolar de alunos com as mais diferentes formações.

A parceria com os professores permitirá a seleção dos conteúdos mais adequados para as interações em sala de aula.

As informação do projeto BINGO para o mundo, no âmbito desse programa, podem ser de fundamental importância para a preparação da mostra científica, a medida em que será possível diagnosticar e intervir de maneira mais clara nos preconceitos científicos na população em geral. 

Acreditamos que os bolsistas e voluntários envolvidos no projeto terão uma excelente oportunidade de aprendizado dos tópicos abordados durante o projeto, de vivência em sala de aula e também na organização de eventos científicos. Esperamos também, que essas ações aproximem os alunos dos ensinos fundamental e médio da área de astronomia e também do experimento BINGO, despertando nestes alunos o prazer da descoberta científica

Bibliografia

1.  Ian Morison, “Introduction to Astronomy and Cosmology“, John Wiley & Sons, Reino Unido (2008).
2.  B. P. Abbott, et al., “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger”, Phys. Rev. Lett., 116, 061102 (2016).
3. P. A. R. Ade, et al., “Planck 2015 results XIII. Cosmological parameters”, A&A, 594, 63 (2016).
4. A. G. Riess et al., “Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant”, The Astronomical Journal, 116, 1009 (1998).
5. G. Perlmutter et al., “Measurements of Ω and Λ from 42 High-Redshift Supernovae”, ApJ, 517, 565 (1999)
6. J. C. Kapteyn, “First attempt at a theory of the arrangement and motion of the sideral system”, Astrophysical Journal,  55, 302 (1922).
7. D. J. Eisenstein et al. “Detection of the Baryon Acoustic Peak in the Large-Scale Correlation Function of SDSS Luminous Red Galaxies”, The Astrophysical Journal, 633, 560 (2005).

8. BINGO website: https://www.bingotelescope.org/pt/