6.E: Instrumentos astronômicos (exercícios)

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Para uma exploração mais aprofundada

Artigos

Blades, J. C. “Consertando o Hubble uma última vez”. Sky & Telescope (outubro de 2008): 26. Sobre a última missão de serviço do Shuttle e sobre o que o Hubble era então capaz de fazer.
Brown, A. “Como Gaia mapeará um bilhão de estrelas”. Astronomia (dezembro de 2014): 32. Bela revisão da missão de fazer fotometria e espectroscopia de todas as estrelas acima de um certo brilho.
Irion, R. “Horário nobre”. Astronomia (fevereiro de 2001): 46. Sobre como o tempo é alocado nos principais telescópios de pesquisa.
Jedicke, Peter e Robert. “As próximas patrulhas celestes gigantes”. Sky & Telescope (setembro de 2008): 30. Sobre telescópios gigantes para pesquisar o céu continuamente.
Lazio, Joseph, et al. “Sintonizando o Universo: Radioastronomia do Século XXI”. Sky & Telescope (julho de 2008): 21. Sobre o ALMA e o Square Kilometer Array.
Lowe, Jonathan. “Espelho, espelho.” Sky & Telescope (dezembro de 2007): 22. No grande telescópio binocular no Arizona.
Lowe, Jonathan. “Próxima luz: telescópios monstruosos de amanhã”. Sky & Telescope (abril de 2008): 20. Sobre os planos para telescópios extremamente grandes no solo.
Mason, Todd e Robin. “O Grande Olho de Palomar”. Sky & Telescope (dezembro de 2008): 36. No telescópio Hale de 200 polegadas.
Subinsky, Raymond. “Quem realmente inventou o telescópio.” Astronomia (agosto de 2008): 84. Breve introdução histórica, com foco em Hans Lippershey.

Websites

Os sites dos principais telescópios são fornecidos em [link], [link], [link] e [link].

Vídeos

Astronomia da estratosfera: SOFIA: https://www.youtube.com/watch?v=NV98BcBBA9c. Uma palestra da Dra. Dana Backman (1:15:32)
Galáxias vistas em todo o espectro de luz: https://www.youtube.com/watch?v=368K0iQv8nE. Cientistas do Observatório Spitzer mostram como uma galáxia parece diferente em diferentes comprimentos de onda (6:22)
Levantando o véu cósmico: destaques de uma década do telescópio espacial Spitzer: https://www.youtube.com/watch?v=nkrNQcwkY78. Uma palestra do Dr. Michael Bicay (1:42:44)

Atividades colaborativas em grupo

A maioria dos grandes telescópios recebe muito mais propostas para observar projetos do que o tempo de observação noturna disponível em um ano. Suponha que seu grupo seja o comitê de alocação de tempo do telescópio se reportando a um diretor do observatório. Quais critérios você usaria para decidir como distribuir tempo no telescópio? Que medidas você poderia tomar para garantir que todos os seus colegas achassem o processo justo e que as pessoas ainda conversassem com você em futuras reuniões de astronomia?
Seu grupo é um comitê de astrônomos nervosos prestes a fazer uma proposta aos ministros do governo de seu pequeno país europeu para colaborar com outros países para construir o maior telescópio do mundo no alto e seco deserto da Cordilheira dos Andes chilenos. Você espera que os ministros do governo sejam muito céticos quanto ao apoio a esse projeto. Quais argumentos você faria para convencê-los a participar?
Os mesmos ministros do governo que encontramos na atividade anterior pedem que você elabore uma lista dos prós e contras de ter o maior telescópio do mundo nas montanhas do Chile (em vez de uma montanha na Europa). O que seu grupo listaria em cada coluna?
Seu grupo deve discutir e fazer uma lista de todas as maneiras pelas quais uma sessão de observação em um grande telescópio de luz visível e um grande radiotelescópio podem ser diferentes. (Dica: Lembre-se de que, como o Sol não é especialmente brilhante em muitos comprimentos de onda de rádio, as observações com radiotelescópios geralmente podem ser feitas durante o dia.)
Outra “ameaça ambiental” à astronomia (além da poluição luminosa) vem do derramamento de comunicações terrestres nos “canais” - comprimentos de onda e frequências - anteriormente reservados para a radioastronomia. Por exemplo, a demanda por telefones celulares significa que mais e mais canais de rádio serão usados para essa finalidade. Os sinais fracos de fontes de rádio cósmicas podem ser afogados em um mar de conversas terrenas (traduzidas e enviadas como ondas de rádio). Suponha que seu grupo seja um comitê do Congresso que está sendo pressionado tanto por radioastrônomos, que querem economizar alguns canais claros para fazer astronomia, quanto por empresas que ganharão muito dinheiro com a expansão do uso de telefones celulares. Quais argumentos o levariam a cada lado?
Quando o local do novo telescópio de trinta metros no Mauna Kea, no Havaí, foi dedicado, um grupo de havaianos nativos anunciou oposição ao projeto porque os astrônomos estavam construindo muitos telescópios em uma montanha que os havaianos nativos consideram um local sagrado. Você pode ler mais sobre essa polêmica em http://www.nytimes.com/2015/12/04/sc...cope.html? _r=0 e em http://www.nature.com/news/the-mount...escope-1.18446. Depois que seu grupo tiver os fatos, discuta as reivindicações de cada lado da controvérsia. Como você acha que isso deve ser resolvido?
Se você pudesse propor usar um grande telescópio moderno, o que você gostaria de descobrir? Qual telescópio você usaria e por quê?
A poluição luminosa (luz derramada no céu noturno dificultando a visualização dos planetas e estrelas) costumava ser um problema que preocupava principalmente os astrônomos. Agora, a luz derramada à noite também preocupa ambientalistas e aqueles que se preocupam com o aquecimento global. Seu grupo pode inventar algumas razões não astronômicas para se opor à poluição luminosa?

Perguntas de revisão

Quais são os três componentes básicos de um instrumento astronômico moderno? Descreva cada uma em uma a duas frases.
Nomeie as duas janelas espectrais através das quais a radiação eletromagnética atinge facilmente a superfície da Terra e descreva o telescópio de maior abertura atualmente em uso para cada janela.
Liste o telescópio único de maior abertura atualmente em uso em cada uma das seguintes bandas do espectro eletromagnético: rádio, raio-X, raio gama.
Quando os astrônomos discutem as aberturas de seus telescópios, dizem que quanto maior, melhor. Explique o porquê.
O telescópio Hooker no Observatório Palomar tem um diâmetro de 5 m, e o telescópio Keck I tem um diâmetro de 10 m. Quanto mais luz o telescópio Keck pode coletar do que o telescópio Hooker na mesma quantidade de tempo?
O que se entende por telescópios “refletores” e “refratários”?
Por que os maiores telescópios de luz visível do mundo são feitos com espelhos em vez de lentes?
Compare o olho, o filme fotográfico e os CCDs como detectores de luz. Quais são as vantagens e desvantagens de cada um?
O que é um dispositivo de carga acoplada (CCD) e como ele é usado em astronomia?
Por que é difícil observar em comprimentos de onda infravermelhos? O que os astrônomos fazem para resolver essa dificuldade?
As observações de rádio e radar geralmente são feitas com a mesma antena, mas, por outro lado, são técnicas muito diferentes. Compare e contraste a astronomia de rádio e radar em termos do equipamento necessário, dos métodos usados e do tipo de resultados obtidos.
Relembre a Figura$6.4.2$ de Cygnus A e leia a legenda novamente. O material nos lóbulos gigantes nas bordas da imagem deveria ter sido ejetado do centro há pelo menos quantos anos?
Por que os astrônomos colocam telescópios na órbita da Terra? Quais são as vantagens para as diferentes regiões do espectro?
Qual foi o problema com o Telescópio Espacial Hubble e como ele foi resolvido?
Descreva as técnicas que os radioastrônomos usam para obter uma resolução comparável à que os astrônomos que trabalham com luz visível podem alcançar.
Que tipo de telescópios de luz visível e infravermelho no solo os astrônomos estão planejando para o futuro? Por que eles os estão construindo no chão e não no espaço?
Descreva um telescópio de luz visível ou infravermelho que os astrônomos planejam lançar no espaço no futuro.

Perguntas de reflexão

O que acontece com a imagem produzida por uma lente se a lente for “parada” (a abertura é reduzida, reduzindo assim a quantidade de luz que passa pela lente) com um diafragma de íris — um dispositivo que cobre sua periferia?
Quais seriam as propriedades de um detector astronômico ideal? Até que ponto as propriedades reais de um CCD se aproximam desse ideal?
Há muitas décadas, cada um dos astrônomos da equipe dos Observatórios Mount Wilson e Palomar recebia cerca de 60 noites por ano para seus programas de observação. Hoje, um astrônomo se sente afortunado por passar 10 noites por ano em um grande telescópio. Você pode sugerir alguns motivos para essa mudança?
O maior complexo de observatórios do mundo fica em Mauna Kea, a montanha mais alta da Terra. Quais são alguns fatores que os astrônomos consideram ao selecionar um local de observatório? Não se esqueça dos práticos. Os astrônomos deveriam, por exemplo, considerar a construção de um observatório em Denali (Monte McKinley) ou no Monte Everest?
Suponha que você esteja procurando locais para um observatório de luz visível, um observatório de infravermelho e um observatório de rádio. Quais são os principais critérios de excelência para cada um? Quais sites são realmente considerados os melhores hoje em dia?
A radioastronomia envolve comprimentos de onda muito maiores do que os da luz visível, e muitos observatórios em órbita sondaram o universo em busca de radiações de comprimentos de onda muito curtos. Que tipos de objetos e condições físicas você esperaria que estivessem associados à emissão de radiação em comprimentos de onda muito longos e muito curtos?
O reitor de uma universidade localizada perto do oceano (que não se formou em ciências na faculdade) propõe construir um telescópio infravermelho no campus e operá-lo em uma bela cúpula aquecida para que os astrônomos se sintam confortáveis nas noites frias de inverno. Critique essa proposta, dando seu raciocínio.

Descobrindo por si mesmo

Qual é a área, em metros quadrados, de um telescópio de 10 m?
Aproximadamente 9.000 estrelas são visíveis a olho nu em todo o céu (imagine que você possa ver ao redor do globo inteiro e nos hemisférios norte e sul), e há cerca de 41.200 graus quadrados no céu. Quantas estrelas são visíveis por grau quadrado? Por segundo de arco quadrado?
Teoricamente (ou seja, se ver não fosse um problema), a resolução de um telescópio é inversamente proporcional ao seu diâmetro. Quão melhor é a resolução do ALMA quando operando em sua linha de base mais longa do que a resolução do telescópio de Arecibo?
Em plena luz do dia, o tamanho da pupila é normalmente de 3 mm. Em situações escuras, ele se expande para cerca de 7 mm. Quanto mais luz ele pode coletar?
Quanto mais luz pode ser captada por um telescópio de 8 m de diâmetro do que por um olho totalmente adaptado ao escuro com 7 mm?
Quanto mais luz o telescópio Keck (com seu espelho de 10 m de diâmetro) pode coletar do que um telescópio amador cujo espelho tem 25 cm (0,25 m) de diâmetro?
As pessoas geralmente se incomodam quando descobrem que os telescópios refletores têm um segundo espelho no meio para levar a luz a um foco acessível, onde grandes instrumentos podem ser montados. “Você não perde a luz?” as pessoas perguntam. Bem, sim, você sabe, mas não há alternativa melhor. Você pode estimar a quantidade de luz perdida por esse arranjo. O espelho primário (o que está na parte inferior da Figura$6.1.5$) do telescópio Gemini North tem 8 m de diâmetro. O espelho secundário na parte superior tem cerca de 1 m de diâmetro. Use a fórmula da área de um círculo para estimar qual fração da luz é bloqueada pelo espelho secundário.
Os telescópios agora podem ser operados remotamente a partir de uma sala quente, mas até cerca de 25 anos atrás, os astrônomos trabalhavam no telescópio para guiá-lo de forma que ele permanecesse apontado exatamente para o lugar certo. Em um grande telescópio, como o telescópio Palomar de 200 polegadas, os astrônomos se sentaram em uma gaiola na parte superior do telescópio, onde o espelho secundário está localizado, conforme mostrado na Figura$6.1.5$. Suponha, para fins de cálculo, que o diâmetro dessa gaiola era de 40 polegadas. Qual fração da luz está bloqueada?
O HST custou cerca de $1,7 bilhão para construção e $300 milhões para o lançamento de seu ônibus espacial, e custa $250 milhões por ano para operar. Se o telescópio durar 20 anos, qual é o custo total por ano? Por dia? Se o telescópio puder ser usado apenas 30% do tempo para observações reais, qual é o custo por hora e por minuto do tempo de observação do astrônomo neste instrumento? Qual é o custo por pessoa nos Estados Unidos? Seu investimento no telescópio espacial Hubble valeu a pena?
Quanto mais luz o Telescópio Espacial James Webb (com seu espelho de 6 m de diâmetro) pode coletar do que o Telescópio Espacial Hubble (com um diâmetro de 2,4 m)?
O espelho de 5 m do telescópio Palomar pesa 14,5 toneladas. Se um espelho de 10 m fosse construído com a mesma espessura do Palomar (só que maior), quanto pesaria?