6.5: Observações fora da Atmosfera da Terra

Objetivos de

Ao final da seção, você poderá:

• Liste as vantagens de fazer observações astronômicas do espaço
• Explique a importância do Telescópio Espacial Hubble
• Descreva alguns dos principais observatórios espaciais que os astrônomos usam

A atmosfera da Terra bloqueia a maior parte da radiação em comprimentos de onda mais curtos do que a luz visível, então só podemos fazer observações diretas de ultravioleta, raios-X e raios gama do espaço (embora observações indiretas de raios gama possam ser feitas a partir da Terra). Superar os efeitos de distorção da atmosfera também é uma vantagem em comprimentos de onda visíveis e infravermelhos. As estrelas não “brilham” no espaço, então a quantidade de detalhes que você pode observar é limitada apenas pelo tamanho do seu instrumento. Por outro lado, é caro colocar telescópios no espaço e os reparos podem representar um grande desafio. É por isso que os astrônomos continuam construindo telescópios para uso no solo e para lançamento no espaço.

Telescópios de infravermelho aéreo e espacial

O vapor de água, a principal fonte de interferência atmosférica para fazer observações infravermelhas, está concentrado na parte inferior da atmosfera terrestre. Por esse motivo, um ganho de até algumas centenas de metros de altitude pode fazer uma diferença importante na qualidade de um observatório infravermelho. Dadas as limitações das altas montanhas, a maioria das quais atrai nuvens e tempestades violentas, e o fato de que a capacidade dos humanos de realizar tarefas complexas se degrada em grandes altitudes, era natural que os astrônomos investigassem a possibilidade de observar ondas infravermelhas de aviões e, finalmente, do espaço.

As observações infravermelhas de aviões foram feitas desde a década de 1960, começando com um telescópio de 15 centímetros a bordo de um Learjet. De 1974 a 1995, a NASA operou um telescópio aéreo de 0,9 metros voando regularmente para fora do Ames Research Center, ao sul de São Francisco. Observando de uma altitude de 12 quilômetros, o telescópio estava acima de 99% do vapor de água atmosférico. Mais recentemente, a NASA (em parceria com o Centro Aeroespacial Alemão) construiu um telescópio muito maior de 2,5 metros, chamado Observatório Estratosférico de Astronomia Infravermelha (SOFIA), que voa em um Boeing 747SP modificado (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura Observatório\(\PageIndex{1}\) Estratosférico de Astronomia Infravermelha (SOFIA). O SOFIA permite que observações sejam feitas acima da maior parte do vapor de água atmosférico da Terra.

Para saber mais sobre o SOFIA, assista a este vídeo fornecido pelo Armstrong Flight Research Center da NASA.

Chegar ainda mais alto e fazer observações do próprio espaço tem vantagens importantes para a astronomia infravermelha. A primeira é a eliminação de todas as interferências da atmosfera. Igualmente importante é a oportunidade de resfriar todo o sistema óptico do instrumento para quase eliminar a radiação infravermelha do próprio telescópio. Se tentássemos resfriar um telescópio dentro da atmosfera, ele rapidamente ficaria revestido com vapor de água condensado e outros gases, tornando-o inútil. Somente no vácuo do espaço, os elementos ópticos podem ser resfriados a centenas de graus abaixo de zero e ainda permanecerem operacionais.

O primeiro observatório infravermelho em órbita, lançado em 1983, foi o Satélite Astronômico Infravermelho (IRAS), construído como um projeto conjunto pelos Estados Unidos, Holanda e Grã-Bretanha. O IRAS foi equipado com um telescópio de 0,6 metros resfriado a uma temperatura de menos de 10 K. Pela primeira vez, o céu infravermelho podia ser visto como se fosse noite, em vez de através de um primeiro plano brilhante de emissões atmosféricas e telescópicas. O IRAS realizou um levantamento rápido, mas abrangente, de todo o céu infravermelho durante um período de 10 meses, catalogando cerca de 350.000 fontes de radiação infravermelha. Desde então, vários outros telescópios infravermelhos têm operado no espaço com sensibilidade e resolução muito melhores devido às melhorias nos detectores infravermelhos. O mais poderoso desses telescópios infravermelhos é o Telescópio Espacial Spitzer de 0,85 metros, lançado em 2003. Algumas de suas observações são mostradas na Figura\(\PageIndex{2}\). Com observações infravermelhas, os astrônomos podem detectar partes mais frias de objetos cósmicos, como as nuvens de poeira ao redor dos berçários de estrelas e os restos de estrelas moribundas, que imagens de luz visível não revelam.

\(\PageIndex{2}\)Figuras observadas pelo Telescópio Espacial Spitzer (SST). Essas imagens infravermelhas - uma região de formação estelar, o remanescente de uma estrela explodida e uma região onde uma estrela antiga está perdendo sua camada externa - mostram apenas algumas das observações feitas e transmitidas de volta à Terra a partir do SST. Como nossos olhos não são sensíveis aos raios infravermelhos, não percebemos as cores deles. As cores dessas imagens foram selecionadas pelos astrônomos para destacar detalhes como a composição ou a temperatura nessas regiões. (crédito “Nebulosa da chama”: modificação do trabalho da NASA (raio-X: NASA/CXC/PSU/K.getman, E.Feigelson, M.Kuhn e a equipe MystiX; infravermelho: NASA/JPL-Caltech); crédito “Cassiopeia A”: modificação do trabalho da NASA/JPL-Caltech; crédito “Nebulosa Helix”: modificação do trabalho da NASA/JPL-Caltech; crédito “Nebulosa Helix”: modificação do trabalho da NASA/JPL-Caltech Caltech)

Telescópio Espacial Hubble

Em abril de 1990, um grande avanço na astronomia foi dado com o lançamento do Telescópio Espacial Hubble (HST). Com uma abertura de 2,4 metros, este é o maior telescópio colocado no espaço até agora. (Sua abertura era limitada pelo tamanho do compartimento de carga útil no ônibus espacial que serviu como veículo de lançamento.) Foi nomeado em homenagem a Edwin Hubble, o astrônomo que descobriu a expansão do universo na década de 1920 (cujo trabalho discutiremos nos capítulos sobre Galáxias).

O HST é operado em conjunto pelo Goddard Space Flight Center da NASA e pelo Space Telescope Science Institute em Baltimore. Foi o primeiro observatório em órbita projetado para ser atendido por astronautas da Shuttle e, ao longo dos anos desde que foi lançado, eles fizeram várias visitas para melhorar ou substituir seus instrumentos iniciais e reparar alguns dos sistemas que operam a espaçonave (Figura do Capítulo) - embora este programa de reparo tenha agora foi descontinuado e nenhuma outra visita ou melhoria será feita.

Com o Hubble, os astrônomos obtiveram algumas das imagens mais detalhadas de objetos astronômicos do sistema solar para as galáxias mais distantes. Entre suas muitas grandes conquistas está o Campo Ultra-Profundo do Hubble, uma imagem de uma pequena região do céu observada por quase 100 horas. Ele contém imagens de cerca de 10.000 galáxias, algumas das quais se formaram quando o universo tinha apenas alguns por cento de sua idade atual (Figura\(\PageIndex{3}\)).

Figura Campo Ultra-Profundo do\(\PageIndex{3}\) Hubble (HUDF). O Telescópio Espacial Hubble forneceu uma imagem de uma região específica do espaço construída a partir de dados coletados entre 24 de setembro de 2003 e 16 de janeiro de 2004. Esses dados nos permitem pesquisar galáxias que existiram há aproximadamente 13 bilhões de anos.

O espelho do HST foi retificado e polido com um grau de precisão notável. Se aumentássemos seu espelho de 2,4 metros até o tamanho de todo o continente dos Estados Unidos, não haveria colina ou vale maior que cerca de 6 centímetros em sua superfície lisa. Infelizmente, após seu lançamento, os cientistas descobriram que o espelho primário tinha um pequeno erro em sua forma, igual a aproximadamente 1/50 da largura de um fio de cabelo humano. Por menor que pareça, foi o suficiente para garantir que grande parte da luz que entra no telescópio não chegasse a um foco nítido e que todas as imagens estivessem embaçadas. (Em um esforço equivocado para economizar dinheiro, um teste completo do sistema óptico não havia sido realizado antes do lançamento, então o erro não foi descoberto até que o HST estivesse em órbita.)

A solução foi fazer algo muito parecido com o que fazemos para estudantes de astronomia com visão embaçada: colocar a óptica corretiva na frente de seus olhos. Em dezembro de 1993, em uma das missões espaciais mais emocionantes e difíceis já realizadas, os astronautas capturaram o telescópio em órbita e o trouxeram de volta ao compartimento de carga útil do ônibus espacial. Lá, eles instalaram um pacote contendo óptica de compensação, bem como uma câmera nova e aprimorada antes de liberar o HST de volta à órbita. O telescópio agora funciona como deveria, e outras missões foram capazes de instalar instrumentos ainda mais avançados para aproveitar suas capacidades.

Observatórios de alta energia

Observações de ultravioleta, raios-X e raios gama diretos (onda eletromagnética de alta energia) só podem ser feitas do espaço. Essas observações se tornaram possíveis pela primeira vez em 1946, com foguetes V2 capturados da Alemanha após a Segunda Guerra Mundial. O Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA colocou instrumentos nesses foguetes para uma série de voos pioneiros, usados inicialmente para detectar a radiação ultravioleta do Sol. Desde então, muitos outros foguetes foram lançados para fazer observações de raios-X e ultravioleta do Sol e, posteriormente, de outros objetos celestes.

A partir da década de 1960, um fluxo constante de observatórios de alta energia foi lançado em órbita para revelar e explorar o universo em comprimentos de onda curtos. Entre os telescópios de raios-X recentes está o Observatório de Raios X Chandra, lançado em 1999 (Figura\(\PageIndex{4}\)). Ela está produzindo imagens de raios-X com resolução e sensibilidade sem precedentes. Projetar instrumentos que possam coletar e focar a radiação energética, como raios X e raios gama, é um enorme desafio tecnológico. O Prêmio Nobel de Física de 2002 foi concedido a Riccardo Giacconi, pioneiro no campo da construção e lançamento de sofisticados instrumentos de raio-X. Em 2008, a NASA lançou o Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray, projetado para medir os raios gama cósmicos em energias maiores do que qualquer telescópio anterior e, portanto, capaz de coletar radiação de alguns dos eventos mais energéticos do universo.

Figura\(\PageIndex{4}\) Chandra X-Ray Satellite. O Chandra, o telescópio de raios-X mais poderoso do mundo, foi desenvolvido pela NASA e lançado em julho de 1999.

Um grande desafio é projetar “espelhos” para refletir radiações tão penetrantes quanto os raios X e os raios gama, que normalmente passam diretamente pela matéria. No entanto, embora os detalhes técnicos do projeto sejam mais complicados, os três componentes básicos de um sistema de observação, como explicamos anteriormente neste capítulo, são os mesmos em todos os comprimentos de onda: um telescópio para coletar a radiação, filtros ou instrumentos para classificar a radiação de acordo com o comprimento de onda e algum método de detectar e fazer um registro permanente das observações. A tabela\(\PageIndex{1}\) lista alguns dos observatórios espaciais ativos mais importantes que a humanidade lançou.

As detecções de raios gama também podem ser feitas a partir da superfície da Terra usando a atmosfera como detector primário. Quando um raio gama atinge nossa atmosfera, ele acelera partículas carregadas (principalmente elétrons) na atmosfera. Essas partículas energéticas atingem outras partículas na atmosfera e emitem sua própria radiação. O efeito é uma cascata de luz e energia que pode ser detectada no solo. A matriz VERITAS no Arizona e a matriz H.E.S.S. na Namíbia são dois desses observatórios terrestres de raios gama.

Figura\(\PageIndex{1}\): Observatórios recentes no espaço

Observatório	Data de início da operação	Bandas do espectro	Notas	Sítio Web
Telescópio Espacial Hubble (HST)	1990	visível, UV, IR	Espelho de 2,4 m; imagens e espectros	www.hubblesite.org
Observatório de raios-X Chandra	1999	Raios-X	Imagens e espectros de raios-X	www.chandra.si.edu
XMM-Newton	1999	Raios-X	Espectroscopia de raios-X	http://www.cosmos.esa.int/web/xmm-newton
Laboratório Internacional de Astrofísica de Raios Gama (INTEGRAL)	2002	Raios X e gama	imagens de raios gama de alta resolução	http://sci.esa.int/integral/
Telescópio Espacial Spitzer	2003	SENHOR	Telescópio de 0,85 m	www.spitzer.caltech.edu
Telescópio espacial de raios gama Fermi	2008	raios gama	primeiras observações de raios gama de alta energia	fermi.gsfc.nasa.gov
Kepler	2009	luz visível	localizador de planeta	kepler.nasa.gov
Explorador de pesquisa infravermelha de campo amplo (WISE)	2009	SENHOR	mapa do céu inteiro, pesquisas de asteróides	www.nasa.gov/Mission_Pages/Wise/Main
Gaia	2013	luz visível	Mapa preciso da Via Láctea	http://sci.esa.int/gaia/
Satélite de Pesquisa de Exoplanetas em Trânsito (TESS)	2018	luz visível	localizador de planeta	http://tess.mit.edu

Resumo

As observações infravermelhas são feitas com telescópios a bordo de aeronaves e no espaço, bem como de instalações terrestres em picos de montanhas secas. Observações de ultravioleta, raios-X e raios gama devem ser feitas acima da atmosfera. Muitos observatórios em órbita foram levados de avião para observar nessas faixas do espectro nas últimas décadas. O telescópio de maior abertura no espaço é o telescópio espacial Hubble (HST), o telescópio infravermelho mais significativo é o Spitzer, e Chandra e Fermi são os principais observatórios de raios-X e gama, respectivamente.