Ele começou a estudar astronomia na Universidade de Cornell. Suas ideias sobre a possibilidade de haver vida extraterrestre foram reforçadas após ouvir uma palestra do astrofísico Otto Struve em 1951. Pouco depois, ele trabalhou brevemente como técnico de eletrónica da Marinha americana no USS Albany. Após o serviço militar, ele doutorou-se em radioastronomia em Harvard.
Embora esteja intimamente ligado à pesquisa sobre civilizações extraterrestres, Drake começou a carreira como radioastrónomo no então recém-inaugurado National Radio Astronomy Observatory (Observatório Nacional de Rádio Astronomia dos Estados Unidos), em Green Banks, Virgínia Ocidental. Mais tarde trabalhou no Laboratório de Jato-Propulsão da NASA. Em suas pesquisas, ele descobriu a ionosfera e a magnetosfera de Júpiter. Como pesquisador, Drake envolveu-se com os primeiros estudos sobre os pulsares.
Nos anos 1960, Drake supervisionou a conversão do Observatório de Arecibo em radiotelescópio. Em 1972, Drake projetou, com Carl Sagan, a Placa Pioneer, a primeira mensagem enviada ao espaço para mostrar a eventuais extraterrestre inteligentes como somos e onde vivemos. Dois anos depois, ele escreveu a Mensagem de Arecibo, também dirigida a seres inteligentes extraterrestres. Mais tarde ele foi supervisor na produção do Disco de Ouro da Voyager.
Drake trabalhou como Professor de Astronomia na Universidade Cornell entre 1964 e 1984. Desde então, ele é Professor Emérito de Astronomia e Astrofísica na Universidade da Califórnia em Santa Cruz.


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