Como os telescópios espaciais funcionam: espelhos, comprimentos de onda e história cósmica

Todo telescópio espacial realiza o mesmo trabalho básico: coletar o máximo de luz possível de uma fonte distante e fraca e focá-la em um detector. A forma como a luz é coletada e quais comprimentos de onda podem ser capturados depende do design dos espelhos e de onde o telescópio se senta no espaço, de acordo com a visão geral de ciência de telescópio da NASA.

Por que colocar um telescópio no espaço?

Os telescópios terrestres olham através da atmosfera da Terra, onde bolsas de ar em movimento distorcem a luz que chega — o mesmo efeito que faz as estrelas parecerem piscar. A página do programa Hubble da NASA explica que esse movimento desfoca as imagens capturadas no solo e que a atmosfera também absorve a maioria da radiação ultravioleta e infravermelha antes de chegar à superfície.

Ao orbitar aproximadamente 300 milhas acima da Terra, o Hubble evita esse desfoque atmosférico e pode detectar objetos aproximadamente dez vezes mais fracos do que os telescópios terrestres equivalentes, afirma a NASA. Os telescópios espaciais também podem observar continuamente, sem interferência do tempo, luz do dia ou poluição luminosa urbana.

Espelhos, não apenas lentes

Os primeiros telescópios usavam lentes de vidro para dobrar a luz, um design chamado refratante. O explicador Telescopes 101 da NASA observa que lentes grandes ficam pesadas e difíceis de lançar, portanto a maioria dos telescópios modernos são telescópios refletores que usam espelhos curvos, já que os espelhos podem ser feitos mais finos e leves para o mesmo tamanho.

Em um design refletor típico, a luz atinge um grande espelho primário em forma de paraboloide e quica para um espelho secundário menor. No Telescópio Espacial James Webb especificamente, a descrição dos espelhos de Webb da NASA adiciona mais dois passos: a luz do espelho secundário reflete em um espelho terciário côncavo e depois em um espelho de orientação fina plano antes de finalmente chegar aos instrumentos científicos.

Diferentes telescópios, diferentes luz

Luz visível, ultravioleta e infravermelha podem ser focadas com formas de espelho similares, mas revestimentos diferentes. Os 18 segmentos hexagonais do espelho primário de Webb, feitos de metal berílio e revestidos com uma camada de ouro de 100 nanômetros, são sintonizados especificamente para refletir eficientemente a luz infravermelha, de acordo com a descrição dos espelhos de Webb da NASA. O Hubble, em contraste, é construído para coletar luz ultravioleta, visível e infravermelha próxima, diz a NASA.

Os raios X se comportam de forma diferente: eles simplesmente penetrariam ou seriam absorvidos por um espelho comum, muito como balas batendo em uma parede, explica o Centro de Raios X Chandra de Harvard. Os espelhos de Chandra têm a forma de cilindros aninhados revestidos de irídio, refletindo raios X apenas em um ângulo de 'incidência rasante' superficial em vez de frontal, diz o centro. Chandra usa quatro pares de espelhos aninhados, oito espelhos no total, polidos e alinhados dentro de 1,3 micrômetros.

Os raios gama são ainda mais energéticos e passam direto através da óptica convencional. A NASA observa que telescópios de raios gama como Fermi usam detectores que rastreiam partículas produzidas quando raios gama atingem material denso como o tungstênio, reconstruindo a origem do raio a partir desses rastros de partículas em vez de focar os raios com um espelho.

Por que a localização importa: órbita distante de Webb

Webb não orbita a Terra de perto como o Hubble faz. A página de missão da NASA diz que Webb faz loops ao redor do segundo ponto de Lagrange Sol-Terra, L2, cerca de 1,5 milhões de quilômetros da Terra, completando um circuito aproximadamente a cada seis meses. Nessa localização, o Sol, a Terra e a Lua permanecem em um lado da espaçonave, permitindo que o protetor solar de Webb, do tamanho de uma quadra de tênis, bloqueie continuamente seu calor e luz.

Esse escudo é essencial porque Webb observa luz infravermelha, que é essencialmente calor. A NASA afirma que o telescópio opera em temperaturas extremamente frias — aproximadamente menos 370 graus Fahrenheit, de acordo com a página de órbita de Webb — para que qualquer calor desviado do Sol ou da Terra não inunde os detectores com ruído infravermelho e sobrecarregue os sinais fracos de galáxias distantes.

Ver o passado, não apenas o distante

Porque a luz viaja em velocidade fixa e finita, olhar mais longe no espaço significa olhar mais para trás no tempo. A visão geral de ciência de Webb da NASA observa que o telescópio pode detectar luz infravermelha de galáxias a mais de 13,5 bilhões de anos-luz de distância — o que significa que a luz sendo capturada hoje deixou essas galáxias há mais de 13,5 bilhões de anos, quando o universo era jovem. Observar a luz, em efeito, mostra o objeto como existia no momento em que a luz partiu, não como se parece agora.

Webb carrega quatro instrumentos científicos para analisar essa luz antiga: NIRCam e NIRSpec para imagem e espectroscopia infravermelha próxima, MIRI para observações infravermelhas médias, e um Sensor de Guia Fino emparelhado com o instrumento NIRISS, de acordo com a visão geral de telescópio da NASA.

Do espelho para a imagem na Terra

Os telescópios espaciais modernos não usam filme fotográfico. O explicador da NASA sobre como os telescópios funcionam afirma que a luz focada pelos espelhos cai em detectores eletrônicos, que a convertem em sinais digitais. Esses sinais são armazenados por computadores a bordo e transmitidos para estações de terra na Terra, onde cientistas reconstroem os dados nas imagens liberadas publicamente.