6.2: Telescópios atuais
- Page ID
- 183440
Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Reconheça os maiores telescópios de luz visível e infravermelho em operação atualmente
- Discuta os fatores relevantes para a escolha de um local adequado para o telescópio
- Defina a técnica da óptica adaptativa e descreva os efeitos da atmosfera nas observações astronômicas
Desde a época de Newton, quando os tamanhos dos espelhos nos telescópios eram medidos em polegadas, os telescópios refletores ficaram cada vez maiores. Em 1948, astrônomos norte-americanos construíram um telescópio com um espelho de 5 metros (200 polegadas) de diâmetro na Montanha Palomar, no sul da Califórnia. Ele permaneceu o maior telescópio de luz visível do mundo por várias décadas. Os gigantes de hoje, no entanto, têm espelhos primários (os maiores espelhos do telescópio) com 8 a 10 metros de diâmetro, e outros maiores estão sendo construídos (Figura\(\PageIndex{1}\)).
Telescópios modernos de luz visível e infravermelha
As décadas que começaram em 1990 viram a construção de telescópios em todo o mundo crescer a uma taxa sem precedentes. (Veja a tabela\(\PageIndex{1}\), que também inclui sites para cada telescópio, caso você queira visitá-los ou aprender mais sobre eles.) Os avanços tecnológicos finalmente possibilitaram a construção de telescópios significativamente maiores do que o telescópio de 5 metros em Palomar a um custo razoável. Novas tecnologias também foram projetadas para funcionar bem no infravermelho, e não apenas nos comprimentos de onda visíveis.
| Abertura (m) | Nome do telescópio | Localização | Status | Sítio Web |
|---|---|---|---|---|
| 39 | Telescópio Extremamente Grande Europeu (E-ELT) | Cerro Armazonas, Chile | Primeira luz 2025 (estimada) | www.eso.org/sci/facilities/eelt |
| 30 | Telescópio de trinta metros (TMT) | Mauna Kea (Havaí) | Primeira luz 2025 (estimada) | www.tmt.org |
| 24,5 | Telescópio gigante de Magalhães (GMT) | Observatório Las Campanas, Chile | Primeira luz 2025 (estimada) | www.gmto.org |
| 11,1 × 9,9 | Grande Telescópio da África Austral (SALT) | Sutherland, África do Sul | 2005 | www.salt.ac.za |
| 10.4 | Gran Telescópio das Canárias (GTC) | La Palma, Ilhas Canárias | Primeira luz 2007 | http://www.gtc.iac.es |
| 10,0 | Keck I e II (dois telescópios) | Mauna Kea (Havaí) | Concluído em 1993—96 | www.keckobservatory.org |
| 9.1 | Telescópio Hobby—Eberly (HET) | Mount Locke (Texas) | Concluiu 1997 | www.as.utexas.edu/mcdonald/het |
| 8.4 | Telescópio binocular grande (LBT) (dois telescópios) | Mount Graham (Arizona) | Primeira luz 2004 | www.lbto.org |
| 8.4 | Grande telescópio de pesquisa sinóptica (LSST) | O Cerro Pachón, Chile | Primeira luz 2021 | www.lsst.org |
| 8.3 | Telescópio Subaru | Mauna Kea (Havaí) | Primeira luz 1998 | www.naoj.org |
| 8.2 | Telescópio muito grande (VLT) | Cerro Paranal, Chile | Todos os quatro telescópios concluíram 2000 | www.eso.org/public/teles-instr/paranal |
| 8.1 | Gêmeos Norte e Gêmeos do Sul | Mauna Kea, HI (Norte) e Cerro Pachón, Chile (Sul) | Primeiro semáforo 1999 (Norte), Primeiro semáforo 2000 (Sul) | www.gemini.edu |
| 6.5 | Telescópios Magellan (dois telescópios: Baade e Landon Clay) | Las Campanas, Chile | Primeira luz: 2000 e 2002 | obs.carnegiescience.edu/Magellan |
| 6.5 | Telescópio multiespelho (MMT) | Mount Hopkins (Arizona) | Concluído em | www.mmto.org |
| 6.0 | Grande telescópio Altazimuth (BTA-6) | Monte Pastukhov, Rússia | Concluído em | w0.sao.ru/doc-pt/telescopes/bta/descrip.html |
| 5.1 | Telescópio Hale | Mount Palomar, Califórnia | Concluído em 1948 | www.astro.caltech.edu/palomar/about/telescopes/hale.html |
As diferenças entre o telescópio Palomar e o moderno telescópio Gemini North (para dar um exemplo) são facilmente vistas na Figura\(\PageIndex{2}\). O telescópio Palomar é uma enorme estrutura de aço projetada para conter o espelho primário de 14,5 toneladas com 5 metros de diâmetro. O vidro tende a ceder sob seu próprio peso; portanto, uma enorme estrutura de aço é necessária para segurar o espelho. Um espelho de 8 metros de diâmetro, do tamanho do telescópio Gemini North, se fosse construído com a mesma tecnologia do telescópio Palomar, teria que pesar pelo menos oito vezes mais e precisaria de uma enorme estrutura de aço para sustentá-lo.
O telescópio Gemini North de 8 metros parece um peso de pena em contraste, e de fato é. O espelho tem apenas cerca de 8 polegadas de espessura e pesa 24,5 toneladas, menos do que o dobro do espelho Palomar. O telescópio Gemini North foi concluído cerca de 50 anos após o telescópio Palomar. Os engenheiros aproveitaram as novas tecnologias para construir um telescópio muito mais leve em relação ao tamanho do espelho primário. O espelho Gemini cede, mas com computadores modernos, é possível medir essa queda muitas vezes a cada segundo e aplicar forças em 120 locais diferentes na parte de trás do espelho para corrigir a queda, um processo chamado controle ativo. Dezessete telescópios com espelhos de 6,5 metros de diâmetro ou maiores foram construídos desde 1990.
Os telescópios gêmeos Keck de 10 metros em Mauna Kea, que foram os primeiros desses instrumentos de nova tecnologia, usam o controle de precisão de uma forma totalmente nova. Em vez de um único espelho primário de 10 metros de diâmetro, cada telescópio Keck alcança sua maior abertura combinando a luz de 36 espelhos hexagonais separados, cada um com 1,8 metros de largura (Figura\(\PageIndex{3}\)). Os atuadores (motores) controlados por computador ajustam constantemente esses 36 espelhos para que a superfície refletora geral atue como um único espelho com a forma correta para coletar e focar a luz em uma imagem nítida.
Saiba mais sobre o Observatório Keck em Mauna Kea por meio deste clipe do History Channel sobre os telescópios e o trabalho que eles fazem.
Além de segurar o espelho, a estrutura de aço de um telescópio é projetada para que todo o telescópio possa ser apontado rapidamente para qualquer objeto no céu. Como a Terra está girando, o telescópio deve ter um sistema de acionamento motorizado que o mova muito suavemente de leste a oeste exatamente na mesma taxa em que a Terra está girando de oeste para leste, para que possa continuar apontando para o objeto que está sendo observado. Todo esse maquinário deve ser alojado em uma cúpula para proteger o telescópio dos elementos. A cúpula tem uma abertura que pode ser posicionada na frente do telescópio e movida junto com ele, para que a luz dos objetos observados não seja bloqueada.
George Ellery Hale: Mestre Construtor de Telescópios
George Ellery Hale (Figura\(\PageIndex{4}\)) foi um gigante entre os primeiros construtores de telescópios. Não uma vez, mas quatro vezes, ele iniciou projetos que levaram à construção do que era o maior telescópio do mundo na época. E ele era mestre em conquistar benfeitores ricos para financiar a construção desses novos instrumentos.
O treinamento e as primeiras pesquisas de Hale foram em física solar. Em 1892, aos 24 anos, foi nomeado professor associado de física astral e diretor do observatório astronômico da Universidade de Chicago. Na época, o maior telescópio do mundo era o refrator de 36 polegadas no Observatório Lick, perto de San Jose, Califórnia. Aproveitando uma placa de vidro existente para um telescópio de 40 polegadas, Hale decidiu arrecadar dinheiro para um telescópio maior do que o de Lick. Um possível doador foi Charles T. Yerkes, que, entre outras coisas, dirigia o sistema de bondes em Chicago.
Hale escreveu para Yerkes, encorajando-o a apoiar a construção do telescópio gigante, dizendo que “o doador não poderia ter mais nenhum monumento duradouro. É certo que o nome do Sr. Lick não teria sido tão amplamente conhecido hoje se não fosse pelo famoso observatório estabelecido como resultado de sua munificência.” Yerkes concordou e o novo telescópio foi concluído em maio de 1897; ele continua sendo o maior refrator do mundo (Figura\(\PageIndex{5}\)).
Mesmo antes da conclusão do refrator Yerkes, Hale não só sonhava em construir um telescópio ainda maior, mas também estava tomando medidas concretas para atingir esse objetivo. Na década de 1890, houve uma grande controvérsia sobre a qualidade relativa dos telescópios refratários e refletores. Hale percebeu que 40 polegadas estavam próximas da abertura máxima possível para telescópios refratários. Se telescópios com aberturas significativamente maiores fossem construídos, eles teriam que ser telescópios refletores.
Usando fundos emprestados de sua própria família, Hale decidiu construir um refletor de 60 polegadas. Para um local, ele deixou o Centro-Oeste em busca de condições muito melhores em Mount Wilson — na época, um pico selvagem acima da pequena cidade de Los Angeles. Em 1904, aos 36 anos, Hale recebeu fundos da Fundação Carnegie para estabelecer o Observatório Mount Wilson. O espelho de 60 polegadas foi colocado em seu suporte em dezembro de 1908.
Dois anos antes, em 1906, Hale já havia abordado John D. Hooker, que havia feito fortuna em hardware e tubos de aço, com a proposta de construir um telescópio de 100 polegadas. Os riscos tecnológicos eram substanciais. O telescópio de 60 polegadas ainda não estava completo e a utilidade de grandes refletores para astronomia ainda não havia sido demonstrada. O irmão de George Ellery Hale o chamou de “o maior jogador do mundo”. Mais uma vez, Hale obteve fundos com sucesso e o telescópio de 100 polegadas foi concluído em novembro de 1917. (Foi com esse telescópio que Edwin Hubble conseguiu estabelecer que as nebulosas espirais eram ilhas separadas de estrelas — ou galáxias — bem afastadas de nossa própria Via Láctea.)
Hale não acabou de sonhar. Em 1926, ele escreveu um artigo na Harper's Magazine sobre o valor científico de um telescópio ainda maior. Este artigo chamou a atenção da Fundação Rockefeller, que concedeu 6 milhões de dólares para a construção de um telescópio de 200 polegadas. Hale morreu em 1938, mas o telescópio de 200 polegadas (5 metros) na Montanha Palomar foi dedicado 10 anos depois e agora é nomeado em homenagem a Hale.
Escolhendo os melhores locais de observação
Um telescópio como o telescópio Gemini ou Keck custa cerca de $100 milhões para ser construído. Esse tipo de investimento exige que o telescópio seja colocado no melhor local possível. Desde o final do século XIX, os astrônomos perceberam que os melhores observatórios estão nas montanhas, longe das luzes e da poluição das cidades. Embora existam vários observatórios urbanos, especialmente nas grandes cidades da Europa, eles se tornaram centros administrativos ou museus. A ação real acontece longe, geralmente em montanhas desérticas ou picos isolados nos oceanos Atlântico e Pacífico, onde encontramos os alojamentos dos funcionários, computadores, lojas de eletrônicos e máquinas e, claro, os próprios telescópios. Hoje, um grande observatório exige uma equipe de apoio de 20 a 100 pessoas, além dos astrônomos.
O desempenho de um telescópio é determinado não apenas pelo tamanho do espelho, mas também pela localização. A atmosfera da Terra, tão vital para a vida, apresenta desafios para o astrônomo observacional. De pelo menos quatro maneiras, nosso ar impõe limitações à utilidade dos telescópios:
- A limitação mais óbvia são as condições climáticas, como nuvens, vento e chuva. Nos melhores locais, o tempo está claro em até 75% do tempo.
- Mesmo em uma noite clara, a atmosfera filtra uma certa quantidade de luz das estrelas, especialmente no infravermelho, onde a absorção se deve principalmente ao vapor de água. Os astrônomos, portanto, preferem locais secos, geralmente encontrados em grandes altitudes.
- O céu acima do telescópio deve estar escuro. Perto das cidades, o ar dispersa o brilho das luzes, produzindo uma iluminação que esconde as estrelas mais fracas e limita as distâncias que podem ser sondadas por telescópios. (Os astrônomos chamam esse efeito de poluição luminosa.) Os observatórios estão melhor localizados a pelo menos 100 milhas da cidade grande mais próxima.
- Finalmente, o ar geralmente está instável; a luz que passa por esse ar turbulento é perturbada, resultando em imagens de estrelas desfocadas. Os astrônomos chamam esses efeitos de “visão ruim”. Quando enxergar é ruim, imagens de objetos celestes são distorcidas pela constante torção e curvatura dos raios de luz pelo ar turbulento.
Os melhores locais de observação são, portanto, altos, escuros e secos. Os maiores telescópios do mundo são encontrados em locais montanhosos remotos, como a Cordilheira dos Andes do Chile (Figura\(\PageIndex{6}\)), os picos do deserto do Arizona, as Ilhas Canárias no Oceano Atlântico e o Mauna Kea no Havaí, um vulcão adormecido com uma altitude de 13.700 pés (4.200 metros).
A poluição luminosa é um problema não apenas para astrônomos profissionais, mas para todos que desejam apreciar a beleza do céu noturno. Além disso, pesquisas agora mostram que isso pode interromper o ciclo de vida dos animais com os quais compartilhamos a paisagem urbana e suburbana. E a luz desperdiçada brilhando no céu leva a gastos municipais desnecessários e ao uso de combustíveis fósseis. Pessoas preocupadas formaram uma organização, a International Dark-Sky Association, cujo site está cheio de boas informações. Um projeto de ciência cidadã chamado Globe at Night permite medir os níveis de luz em sua comunidade contando estrelas e comparando-os com outros ao redor do mundo. E, se você se interessar por esse tópico e quiser fazer um trabalho para seu curso de astronomia ou outro curso enquanto estiver na faculdade, o guia Dark Night Skies pode indicar uma variedade de recursos sobre o assunto.
A resolução de um telescópio
Além de coletar o máximo de luz possível, os astrônomos também querem ter as imagens mais nítidas possíveis. A resolução se refere à precisão dos detalhes presentes em uma imagem: ou seja, as menores características que podem ser distinguidas. Os astrônomos estão sempre ansiosos para ver mais detalhes nas imagens que estudam, se estão acompanhando o clima em Júpiter ou tentando espiar o coração violento de uma “galáxia canibal” que recentemente comeu sua vizinha no almoço.
Um fator que determina a qualidade da resolução é o tamanho do telescópio. Aberturas maiores produzem imagens mais nítidas. Até muito recentemente, no entanto, telescópios de luz visível e infravermelho na superfície da Terra não podiam produzir imagens tão nítidas quanto a teoria da luz dizia que deveriam.
O problema — como vimos anteriormente neste capítulo — é a atmosfera do nosso planeta, que é turbulenta. Ele contém muitas bolhas ou células de gás de pequena escala que variam em tamanho de polegadas a vários pés. Cada célula tem uma temperatura ligeiramente diferente da vizinha, e cada célula age como uma lente, curvando (refratando) o caminho da luz em uma pequena quantidade. Essa curvatura muda ligeiramente a posição em que cada raio de luz finalmente chega ao detector em um telescópio. As células do ar estão em movimento, sendo constantemente sopradas pelo caminho da luz do telescópio pelos ventos, geralmente em direções diferentes em diferentes altitudes. Como resultado, o caminho seguido pela luz muda constantemente.
Para uma analogia, pense em assistir a um desfile de uma janela no alto de um arranha-céu. Você decide jogar um pouco de confete na direção dos manifestantes. Mesmo se você soltar um punhado ao mesmo tempo e na mesma direção, as correntes de ar lançarão as peças ao redor e elas alcançarão o solo em lugares diferentes. Como descrevemos anteriormente, podemos pensar na luz das estrelas como uma série de feixes paralelos, cada um percorrendo a atmosfera. Cada caminho será um pouco diferente e cada um alcançará o detector do telescópio em um local ligeiramente diferente. O resultado é uma imagem desfocada e, como as células estão sendo sopradas pelo vento, a natureza do desfoque mudará muitas vezes a cada segundo. Você provavelmente já notou esse efeito como o “brilho” das estrelas vistas da Terra. Os feixes de luz estão curvados o suficiente para que, em parte do tempo, cheguem aos seus olhos, e em parte do tempo alguns deles falham, fazendo com que a estrela pareça variar em brilho. No espaço, no entanto, a luz das estrelas é estável.
Os astrônomos pesquisam o mundo em busca de locais onde a quantidade de turbulência atmosférica seja a menor possível. Acontece que os melhores locais estão em cordilheiras costeiras e em picos vulcânicos isolados no meio de um oceano. O ar que fluiu longas distâncias sobre a água antes de encontrar a terra é especialmente estável.
A resolução de uma imagem é medida em unidades de ângulo no céu, normalmente em unidades de segundos de arco. Um segundo de arco é 1/3600 graus e há 360 graus em um círculo completo. Então, estamos falando de pequenos ângulos no céu. Para dar uma ideia de quão pequeno, podemos observar que 1 segundo de arco é o tamanho de um quarto quando visto a uma distância de 5 quilômetros. As melhores imagens obtidas do solo com técnicas tradicionais revelam detalhes tão pequenos quanto vários décimos de segundo de arco de diâmetro. Esse tamanho de imagem é extremamente bom. Um dos principais motivos para o lançamento do Telescópio Espacial Hubble foi escapar da atmosfera da Terra e obter imagens ainda mais nítidas.
Mas como não podemos colocar todos os telescópios no espaço, os astrônomos criaram uma técnica chamada óptica adaptativa que pode vencer a atmosfera da Terra em seu próprio jogo de embaçamento. Essa técnica (que é mais eficaz na região infravermelha do espectro com nossa tecnologia atual) usa um pequeno espelho flexível colocado no feixe de um telescópio. Um sensor mede o quanto a atmosfera distorceu a imagem e, até 500 vezes por segundo, envia instruções ao espelho flexível sobre como mudar de forma para compensar as distorções produzidas pela atmosfera. A luz é, portanto, trazida de volta a um foco quase perfeitamente nítido no detector. A figura\(\PageIndex{7}\) mostra o quão eficaz é essa técnica. Com a óptica adaptativa, os telescópios terrestres podem atingir resoluções de 0,1 arco-segundo ou um pouco melhores na região infravermelha do espectro. Esse número impressionante é o equivalente à resolução que o Telescópio Espacial Hubble alcança na região de luz visível do espectro.
como os astrônomos realmente usam telescópios
Na visão popular (e em alguns filmes ruins), um astrônomo passa a maior parte das noites em um observatório frio espiando por um telescópio, mas isso não é muito preciso hoje. A maioria dos astrônomos não mora em observatórios, mas perto das universidades ou laboratórios onde trabalham. Um astrônomo pode passar apenas cerca de uma semana por ano observando no telescópio e o resto do tempo medindo ou analisando os dados adquiridos a partir de grandes colaborações de projetos e pesquisas dedicadas. Muitos astrônomos usam radiotelescópios para experimentos espaciais, que funcionam tão bem durante o dia. Outros ainda trabalham com problemas puramente teóricos usando supercomputadores e nunca observam em um telescópio de qualquer tipo.
Mesmo quando os astrônomos observam com grandes telescópios, eles raramente os observam. Os detectores eletrônicos registram permanentemente os dados para análise detalhada posteriormente. Em alguns observatórios, as observações podem ser feitas remotamente, com o astrônomo sentado em um computador a milhares de quilômetros de distância do telescópio.
O tempo em telescópios principais é escasso, e um diretor de observatório normalmente receberá muito mais solicitações de tempo de telescópio do que as que podem ser acomodadas durante o ano. Os astrônomos devem, portanto, escrever uma proposta convincente explicando como gostariam de usar o telescópio e por que suas observações serão importantes para o progresso da astronomia. Um comitê de astrônomos é então convidado a julgar e classificar as propostas, e o tempo é atribuído apenas àqueles com maior mérito. Mesmo que sua proposta esteja entre as mais bem avaliadas, você pode ter que esperar muitos meses pela sua vez. Se o céu estiver nublado nas noites em que você foi designado, pode levar mais de um ano até que você tenha outra chance.
Alguns astrônomos mais velhos ainda se lembram de noites longas e frias passadas sozinhos na cúpula de um observatório, com apenas músicas de um gravador ou de uma estação de rádio que dura a noite toda como companhia. A visão das estrelas brilhando intensamente, hora após hora, através da fenda aberta na cúpula do observatório foi inesquecível. O mesmo aconteceu com o alívio quando a primeira luz pálida do amanhecer anunciou o fim de uma sessão de observação de 12 horas. A astronomia é muito mais fácil hoje em dia, com equipes de observadores trabalhando juntas, geralmente em seus computadores, em uma sala quente. Aqueles que são mais nostálgicos, no entanto, podem argumentar que parte do romance também saiu do campo.
Resumo
Novas tecnologias para criar e suportar espelhos leves levaram à construção de vários grandes telescópios desde 1990. O local de um observatório astronômico deve ser cuidadosamente escolhido para clima claro, céu escuro, baixo vapor de água e excelente visão atmosférica (baixa turbulência atmosférica). A resolução de um telescópio de luz visível ou infravermelho é degradada pela turbulência na atmosfera da Terra. A técnica da óptica adaptativa, no entanto, pode fazer correções para essa turbulência em tempo real e produzir imagens extremamente detalhadas.
Glossário
- óptica adaptativa
- sistemas usados com telescópios que podem compensar distorções em uma imagem introduzida pela atmosfera, resultando em imagens mais nítidas
- resolução
- detalhe em uma imagem; especificamente, as menores características angulares (ou lineares) que podem ser distinguidas
- vendo
- instabilidade da atmosfera terrestre, que desfoca imagens telescópicas; boa visão significa que a atmosfera está estável