Como funcionam os telescópios: Telescópios ópticos, de rádio e observatórios espaciais explicados

O trabalho básico de um telescópio é coletar mais radiação eletromagnética do que o olho humano pode captar e trazê-la para o foco. O diâmetro do espelho principal, lente ou antena de um telescópio — sua abertura — define duas coisas: quanto de luz fraca ele pode coletar, e com que precisão pode separar detalhes, de acordo com o Observatório Nacional de Radioastronomia dos EUA (NRAO). Uma abertura maior significa que objetos mais fracos e distantes ficam visíveis e estruturas mais finas entram em vista.

Telescópios ópticos: lentes, espelhos e o problema da atmosfera

Os telescópios ópticos clássicos coletam luz visível com lentes (refratores) ou espelhos (refletores). O Telescópio Espacial Hubble, por exemplo, usa um design refletor: a luz atinge um espelho primário côncavo de 2,4 metros, salta para um espelho secundário menor de cerca de 0,3 metros de largura, e volta através de um orifício no espelho primário para chegar aos instrumentos científicos, de acordo com o Centro de Voo Espacial Goddard da NASA. Essa configuração de dois espelhos, chamada design de Ritchey-Chrétien, é construída para manter as imagens nítidas em um amplo campo de visão.

No solo, até os melhores locais sofrem com turbulência atmosférica, que faz as estrelas piscarem e borra detalhes finos, de acordo com o Observatório Europeu Austral (ESO), que opera o Telescópio Muito Grande no Chile. A solução da ESO é a óptica adaptativa: um sensor de frente de onda mede como a luz de uma estrela foi distorcida, e um espelho deformável controlado por computador corrige a distorção em tempo real. Quando não há uma estrela natural brilhante perto do alvo, a ESO dispara um laser potente na atmosfera superior para criar uma estrela de referência artificial. A ESO diz que essa correção pode tornar imagens terrestres em comprimentos de onda visíveis quase tão nítidas quanto imagens de telescópio espacial, a uma fração do custo de um telescópio espacial.

Por que alguns telescópios têm que deixar a Terra

A atmosfera terrestre não apenas borra imagens — ela bloqueia comprimentos de onda inteiros completamente. De acordo com o site de educação em astronomia Las Cumbres Observatory, a atmosfera absorve ou reflete a maior parte da luz ultravioleta, raios X, raios gama e a maioria da radiação infravermelha, deixando passar principalmente luz visível, algo de infravermelho e partes do espectro de rádio. É por isso que observatórios construídos para estudar esses comprimentos de onda bloqueados — como o Observatório Chandra focado em raios X, o Telescópio Espacial Fermi de raios gama, e missões infravermelhas como Spitzer e Herschel — têm que orbitar acima da atmosfera em vez de ficar em um pico de montanha.

Os telescópios de raios X também precisam de um design óptico completamente diferente dos de luz visível. De acordo com o Centro de Raios X Chandra na Instituição Smithsoniana de Astrofísica de Harvard, fótons de raios X são tão energéticos que passam direto através de um espelho convencional apontado para eles de frente, como uma bala atravessando uma parede. A solução do Chandra é inclinar seus espelhos para que os raios X atinjam em um ângulo de incidência rasante e ricocheteiem para o foco, semelhante a uma pedra pulando sobre a água. O Chandra usa quatro pares de espelhos em forma de barril polidos com suavidade de alguns átomos e revestidos com irídio, alinhados dentro de cerca de 1,3 micrômetros — uma pequena fração da largura de um fio de cabelo humano, de acordo com o Centro de Raios X Chandra.

Gigantes infravermelhos: vendo através da poeira e retrocedendo no tempo

O Telescópio Espacial James Webb (JWST) é construído para detectar luz do vermelho visível até comprimentos de onda do infravermelho médio, cobrindo aproximadamente 0,6 a 28,8 mícrons, de acordo com a NASA. Seu espelho primário tem 6,6 metros em 18 segmentos hexagonais revestidos de ouro, dando-lhe uma área coletora aproximadamente 5,6 vezes maior que a do Hubble. O ouro foi escolhido porque reflete luz vermelho para infravermelho médio especialmente bem. A NASA diz que essa combinação de tamanho e faixa de comprimento de onda permite que Webb detecte a luz infravermelha fraca de galáxias mais de 13,5 bilhões de anos-luz de distância, e essa luz infravermelha pode passar através de densas nuvens de poeira que bloqueiam a maior parte da luz visível que os instrumentos do Hubble podem detectar. Webb orbita o ponto L2 Sol-Terra, aproximadamente 1,5 milhão de quilômetros da Terra, onde permanece claro dos efeitos quentes e dispersores de luz do Sol e da Terra.

Radiotelescópios: antenas parabólicas que agem como um gigantesco olho

Os radiotelescópios coletam os comprimentos de onda mais longos de luz que os astrônomos usam, de cerca de 1 milímetro a mais de 10 metros, de acordo com NRAO. Cada antena tem uma antena parabólica que foca as ondas de rádio que chegam em um receptor, que amplifica o sinal para análise — um processo que NRAO descreve como funcionando muito como um telescópio óptico, mas sintonizado para ondas muito mais fracas e muito mais longas. NRAO observa que os sinais de rádio estudados são extraordinariamente fracos — segundo sua estimativa, um sinal típico de telefone celular é aproximadamente um bilhão de bilhão de vezes mais forte do que as ondas de rádio cósmica que esses telescópios detectam.

Um único prato enfrenta um problema de resolução: porque a resolução angular depende do comprimento de onda dividido pelo diâmetro da antena, e os comprimentos de onda de rádio são tão longos, até um prato grande como o Telescópio Green Bank não pode igualar o detalhe fino de um telescópio óptico por conta própria, diz NRAO. A solução é a interferometria — conectando muitas antenas parabólicas espalhadas por grandes distâncias para que ajam como um telescópio muito maior. NRAO cita o Very Large Array, cujos 27 pratos ativos (mais um sobressalente) no Novo México podem ser distribuídos em configurações usando aproximadamente 40 milhas de trilhos de trem, e o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), que conecta 66 pratos no Chile, como exemplos dessa abordagem, usada para mapear galáxias, detectar buracos negros e estudar as estruturas cósmicas mais antigas.

O que diferentes comprimentos de onda revelam

• Telescópios de luz visível, terrestres ou espaciais, capturam as estrelas, galáxias e nebulosas mais próximas do que o olho humano veria.
• Telescópios infravermelhos como Webb veem através de nuvens de poeira e podem alcançar algumas das galáxias mais distantes e antigas conhecidas, de acordo com a NASA.
• Telescópios de raios X como Chandra são construídos para estudar estrelas explodidas, aglomerados de galáxias e matéria redemoinhando ao redor de buracos negros.
• Matrizes de radiotelescópio como VLA e ALMA mapeiam gás frio, galáxias distantes e ambientes de buraco negro combinando muitas antenas parabólicas em um instrumento efetivo, conforme NRAO.