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Telescópio espacial Hubble

 

Telescópio Espacial Hubble
O Telescópio Espacial Hubble
O Telescópio Espacial Hubble, visto do Ônibus Espacial Columbia durante a Missão de Serviço 3B (STS-109)
Informações Gerais
Nomes Alternativos:HST, Space Telescope
Tipo de Telescópio:Refletor Ritchey-Chretien
Lançamento:24 de Abril de 1990
Veículo de Lançamento:Discovery - STS-31
Desativação do telescópio:depois de 2020
N° NSSDC:1990-037B
Massa:11,110 kg
Informações do telescópio
Altitude:589 km
Comprimento de onda:Luz visível, raios gama, raios-X, infravermelho
Diâmetro:2.4 m

O Telescópio Espacial Hubble é um satélite astronômico, artificial não tripulado que transporta um grande telescópio para a luz visível e infravermelha. Foi lançado pela agência espacial americana - NASA em 24 de abril de 1990, a bordo do Ônibus espacial Discovery (missão STS-31). Este telescópio já recebeu três visitas espaciais da NASA para a manutenção e para a substituição de equipamentos obsoletos ou inoperantes.

O Telescópio Espacial Hubble é a primeira missão da NASA pertencente aos Grandes Observatórios Espaciais - (Great Observatories Program), consistindo numa família de quarto Observatórios Orbitais, cada um observando o Universo em um comprimento diferente de onda, como a luz visível, raios gama, raios-X e o infravermelho.

História

Lyman Spitzer, o "pai" do Telescópio Espacial. Lyman Spitzer, o "pai" do Telescópio Espacial.

Imaginado nos anos 40, projetado e construído nos anos 70 e 80 e em funcionamento desde 1990, o Telescópio Espacial Hubble, foi batizado em homenagem a Edwin Powell Hubble, que revolucionou a Astronomia, ao constatar que o Universo estava se expandindo.

Pela primeira vez era possível ver mais longe do que as estrelas da nossa própria galáxia e estudar estruturas do universo até então desconhecidas ou pouco observadas. O Hubble, de uma forma geral, deu à civilização humana uma nova visão do universo e um salto equivalente ao dado pela luneta de Galileu Galilei no século XVII.

Desde a concessão original, em 1946, a iniciativa de construir um telescópio espacial sofreu inúmeros atrasos e problemas orçamentais. Logo após o lançamento para o espaço, o Hubble apresentou uma aberração esférica no espelho principal que parecia comprometer todas as potencialidades do telescópio. Porém, a situação foi corrigida numa missão especialmente concebida para a reparação do equipamento, em 1993, voltando o telescópio à operacionabilidade, tornando-se numa ferramenta vital para a astronomia.

Conceção e objetivos

O Telescópio Espacial Hubble visto do Ônibus espacial Discovery durante a missão STS-82. O Telescópio Espacial Hubble visto do Ônibus espacial Discovery durante a missão STS-82.

A história do Telescópio Espacial Hubble remonta ao ano de 1946, quando o astrônomo Lyman Spitzer escreveu um documento intitulado Vantagens astronômicas de um observatório extraterrestre. Aí discorriam as duas grandes vantagens oferecidas por um observatório espacial relativamente aos telescópios terrestres: primeiro, a resolução óptica (distância mínima de separação entre objetos na qual eles permaneçam claramente distintos) estaria limitada apenas por difração, em oposição aos efeitos da turbulência da atmosfera que provocam o cintilamento das estrelas, conhecido entre astrônomos como visão. Os telescópios terrestres estão tipicamente limitados a resoluções de 0,5–1,0 segundos de arco (arcsec), comparativamente aos valores teóricos de resolução de difração limitada de cerca de 0,1 arc para um telescópio com um espelho de 2,5 m em diâmetro. A segunda maior vantagem seria a possibilidade de observar luz infravermelha e ultravioleta, cuja grande parte é absorvida pela atmosfera.

Spitzer empenhou-se, ao longo da sua carreira, em impulsionar o desenvolvimento dos telescópios espaciais. Em 1962 surge um relatório da Academia Nacional de Ciências (EUA) recomendando o desenvolvimento de um telescópio espacial como parte integrante do programa espacial e, em 1965, Spitzer foi indicado como dirigente do comitê para a definição de objetivos científicos para um telescópio espacial de grandes dimensões.

A astronomia baseada no espaço estava apenas no início nos anos seguintes à Segunda Guerra Mundial; os cientistas estudavam e utilizavam as tecnologias de propulsão que tiveram lugar durante esse período. Os primeiros espectros ultravioleta do Sol foram obtidos em 1946. Em 1962 seria lançado pelo Reino Unido um telescópio em órbita solar com parte do programa espacial Ariel, e 1966 veria o lançamento do primeiro Observatório Astronômico Orbital (OAO), da NASA, cujas baterias apresentariam falhas após três dias, terminando a missão; mais tarde, o OAO-2, o projeto sucessor, permitiu fazer observações ultravioleta das estrelas e galáxias desde o seu lançamento em 1968 até 1972, prazo muito além do tempo de vida planejado de apenas um ano.

As missões OAO comprovaram o papel fundamental que as observações baseadas no espaço poderiam desempenhar na astronomia e, ainda em 1968, a NASA esboçaria um telescópio refletor baseado no espaço, com um espelho de 3m de diâmetro, provisoriamente designado de Grande Telescópio Orbital ou Grande Telescópio Espacial (LST), com data prevista de lançamento para 1979. Os planos enfatizavam a necessidade de missões tripuladas para a manutenção do telescópio, por forma a justificar um investimento tão caro mediante um tempo de vida extenso, e os projetos em redor da tecnologia reutilizável do ônibus espacial indicavam que tal seria possível em pouco tempo.

A odisseia pelo financiamento

O continuado sucesso do programa OAO encorajava um forte e cada vez maior consenso entre a comunidade astronômica de que o LST devia ser a meta principal. Em 1970 a NASA estabeleceu dois comitês, um para planejar os aspectos de engenharia do projeto, e o outro para estabelecer metas científicas para a missão. Uma vez estabelecidos esses comitês, o próximo desafio da NASA seria obter financiamento para a construção deste instrumento que seria, de longe, muito mais caro que qualquer outro telescópio terrestre. O Congresso americano questionou muitos aspectos do orçamento proposto para o telescópio e impôs cortes orçamentais nas fases de planejamento que, na altura, consistiam em estudos muito detalhados sobre quais instrumentos e hardware deveriam ser incluídos no telescópio. Em 1974, cortes no setor público instigados por Gerald Ford forçariam o Congresso a cortar todo o financiamento para o projeto.

Em resposta ao sucedido, surgiu um esforço internacional de pressão coordenado entre astrônomos. Muitos encontraram-se pessoalmente com congressistas e senadores, e muitas campanhas de abaixo-assinado foram organizadas. A Academia Nacional de Ciências publicou um relatório enfatizando a necessidade de um telescópio espacial, e eventualmente o Senado teria concordado com um orçamento que seria metade daquele que o Congresso recusara.

As dificuldades em obter o financiamento levaram à redução da escala do projeto, reduzindo o diâmetro do espelho de 3m para 2,4m, quer para reduzir custos, quer para permitir uma mais compacta configuração do hardware telescópico. Foi descartado um protótipo de menores dimensões (1,5m), que seria concebido para testar os sistemas a utilizar no satélite principal, e as preocupações com o orçamento despertaram a colaboração da Agência Espacial Europeia. A ESA concordou em fornecer alguns dos instrumentos para o telescópio, bem como as células solares que lhe iriam fornecer energia, suportando também 15% dos custos, em troca da garantia de 15% do tempo de observação para astrônomos europeus. O Congresso aprovaria o financiamento de 36 000 000 de dólares para 1978, e o desenho do LST iniciou-se de imediato, agendado o lançamento para 1983. Durante a década de 1980, o telescópio foi batizado em homenagem a Edwin Hubble, pelas suas descobertas revolucionárias no século XX, como a expansão do universo.

Construção

Primeiros estágios da construção do Hubble. Primeiros estágios da construção do Hubble.

Assim que foi dada luz verde ao projeto, os trabalhos da fase de construção foram divididos por diversas instituições. O Marshall Space Flight Center ficou responsável pelo controle geral dos instrumentos científicos e como centro de controle terrestre durante a missão. O centro Marshall incumbiu a Perkin-Elmer, uma companhia do ramo da óptica, de conceber o mecanismo de montagem do telescópio (Optical Telescope Assembly - OTA) e os sensores de navegação (Fine Guidante Sensors) para o telescópio espacial. A Lockheed ficou responsável pela construção da nave espacial em que o telescópio ficaria alojado

Montagem

Os sistemas relacionados com a óptica e espelhos do telescópio representavam a parte crucial, e seriam concebidos segundo especificações muito rígidas. Em média, os telescópios usam espelhos polidos para uma precisão de cerca de um décimo do comprimento de onda da luz visível; porém, uma vez que o Telescópio Espacial seria utilizado para observações na gama dos ultravioleta aos infravermelhos com uma resolução dez vezes superior aos telescópios antecessores, o espelho deste teria que ser polido para uma precisão de 1/20 do comprimento de onda da luz visível, ou 30 nanômetros.

Polimento do espelho primário do Hubble feito pela Perkin-Elmer Corporation, Danbury, Connecticut, maio de 1979. Polimento do espelho primário do Hubble feito pela Perkin-Elmer Corporation, Danbury, Connecticut, maio de 1979.

A Perkin-Elmer planeava utilizar maquinaria assistida por computador extremamente sofisticada para transformar o espelho segundo as especificações impostas, mas para o caso da sua tecnologia de ponta apresentar dificuldades, a Kodak estava também contratada para construir um espelho de salvaguarda utilizando as técnicas de polimento tradicionais. A construção do espelho foi iniciada a 1979, utilizando vidro de expansão ultra-reduzida. Para reduzir ao máximo o peso do espelho, este foi condicionado numa espécie de sandwich com duas placas de cerca de uma polegada de altura e uma estrutura em forma de colméia no meio.

O polimento prolongou-se de 1979 até Maio de 1981. Mais tarde, relatórios da NASA questionavam a estrutura intermédia proposta pela Perkin-Elmer, o que acarretou complicações ao nível da agenda e do orçamento. O espelho estaria concluído nos finais de 1981 com o acrescento de um revestimento reflectivo em alumínio, de espessura de 75 mm, e outro revestimento protetor de fluoreto de magnésio, de 25 mm de espessura, o que permitia aumentar a reflexão da luz ultravioleta.

Subsistiam, porém, dúvidas sobre a competência da Perkin-Elmer num projeto desta importância, já que o orçamento e agenda para concluir o OTA continuavam a aumentar. Em resposta a esta agenda, descrita como "não delineada e diariamente alterada", a NASA adiou o lançamento do telescópio para Abril de 1985. A agenda da Perkin-Elmer continuou a inflar, a uma taxa de cerca de um a cada três meses, tendo-se mesmo verificado, esporadicamente, atrasos de um dia por cada dia de trabalho. Face a isto, a NASA foi forçada a reagendar o lançamento para 1 de Março e, mais tarde, para Setembro de 1986. Por esta altura, o custo total do projeto tinha atingido 1175 bilhões.

Sistemas de navegação

A nave espacial, na qual seriam alojados o telescópio e os instrumentos, representava outro grande desafio para a engenharia. Teria que suportar adequadamente mudanças freqüentes entre a luz direta do Sol e a escuridão da sombra da Terra — que provocavam mudanças bruscas na temperatura — enquanto pudesse permanecer estável o suficiente para permitir o direcionamento extremamente preciso do telescópio.

Da câmara aos cientistas

Transmissão para a Terra

Uma das mais famosas imagens do Hubble, "Pilares da Criação" mostrando as estrelas formando a Nebulosa da Águia. Uma das mais famosas imagens do Hubble, "Pilares da Criação" mostrando as estrelas formando a Nebulosa da Águia.
Galáxias distantes no espaço profundo, em uma fotografia Hubble Ultra Deep Field. Galáxias distantes no espaço profundo, em uma fotografia Hubble Ultra Deep Field.

Os dados recolhidos pelo Hubble são inicialmente armazenados na nave. À data do seu lançamento, o equipamento de armazenamento consistia em (agora) velhos gravadores de tape (cassete), sendo substituídos por dispositivos não-mecânicos durante as missões de assistência 2 e 3A. Depois de armazenados, os dados são transferidos para as instalações na Terra através de uma rede de satélites concebida para que outros satélites em órbitas baixas possam comunicar com as respectivas instalações de controle de missão durante cerca de 85% do seu tempo em órbita. Esta rede de satélites foi batizada de Tracking and Data Relay Satellite System (TDRSS). Os dados são então retransmitidos para as estações terrestres do TDRSS e, posteriormente, para o Goddard Space Flight Center para arquivamento.

Arquivo

Todos os dados recolhidos pelo Hubble são eventualmente disponibilizados ao público no site http://archive.stsci.edu/hst. Porém, o acesso a esses dados é restringido, durante um ano, ao Investigador Principal e alguns outros astrônomos por ele designados. No entanto, o Principal pode requerer junto do STScI o alargamento deste prazo.

As observações realizadas durante o tempo atribuído são publicadas imediatamente, sem prazo. Dados sobre a calibragem dos instrumentos e outras frames inutilizadas são também publicadas sem qualquer atraso. Toda informação constante neste arquivo encontra-se no formato FITS, muito recomendado para análise astronômica, mas não para utilização generalizada. O Hubble Heritage Project processa e publica uma pequena seleção das imagens mais impressionantes nos formatos JPEG e TIFF.

Redução do pipeline

Os dados astronômicos recolhidos com CCDs devem ser processados/calibrados em várias operações até estarem preparados para análise astronômica. O STScI desenvolveu software sofisticado que automaticamente calibra os dados sempre que são requisitados do arquivo, usando os melhores arquivos de calibração possíveis. Este processamento em tempo real implica que requisições de grandes volumes de dados podem demorar um dia ou mais para serem processadas e devolvidas. Este processo de calibração automática é designado de redução do pipeline, e é cada vez mais comum nos observatórios.

No entanto, os próprios astrônomos podem requisitar os arquivos de calibração e executar o software de redução do pipeline localmente, aconselhável quando é necessário utilizar outros arquivos de calibração que não aqueles selecionados automaticamente.

Análise dos dados

A análise dos dados recolhidos pelo Hubble pode realizar-se através de vários pacotes, embora o STScI tenha concebido o STSDAS (Space Telescope Science Data Analysis System) especialmente para isso. Além de incluir todas as ferramentas necessárias ao processo de redução do pipeline (para os ficheiros em bruto), dispõe também de várias outras ferramentas de processamento de imagem, especializadas para o tipo de dados recolhidos pelo Hubble. O software é executado como um módulo do IRAF, um programa de redução de dados astronômicos muito popular que é executado em várias variantes de Linux e MacOS X.

Primeiras Imagens

Após sua montagem no espaço, em 1990 as estações em terra passaram a captar as imagens transmitidas ligeiramente embaçadas, e durante algum tempo pensou-se que se tratava de um limite de nitidez compatível com o pequeno diâmetro do espelho principal 2,40 m.

Essas aberrações focais encontradas eram comuns também nos telescópios terrestres fato esse que animou os engenheiros que acreditavam ter resolvido um problema secular com o mecanismo de autofocalização adaptados nas lentes dos observatórios terrestres.

Erro fundamental

Enquanto partes do telescópio, como o grande espelho, foram idealizados para captar ondas numa frequência visível, o restante das lentes foram projetadas para operar no infravermelho isso é a mesma radiação usada na visão noturna. Essa diferença nas distâncias focais foi a causa da miopia do Telescópio Hubble e enquanto não descobriam a causa, as imagens dos observatórios terrestres, obtidas com espelhos de 8 m de diâmetro, eram iguais ou melhores às do telescópio espacial (miope). O embaçamento tido como um efeito original, só foi percebido algum tempo depois ao checarem as informações com os fornecedores das lentes, o que causou grande dissabor por parte da comunidade científica, tendo em vista que a partir das primeiras imagens "notadamente borradas", se adiantaram defendendo teses e tecnologias fundamentadas no que viam.

Perdas irrecuperáveis

SN 1987 com seus misteriosos anéis, descobertos em 1994. SN 1987 com seus misteriosos anéis, descobertos em 1994.

Muitos foram os transtornos causados pela miopia do Hubble, entre eles, o mais significativo foram as perdas irrecuperáveis para a ciência, devido a falta de acompanhamento da propagação da lâmina de luz que deu origem a supernova de 1987 ocorrida na Nuvem de Magalhães há 170.000 anos. Com o surgimento dos incomuns anéis entorno, vistos pela primeira vez em 1994 com suas lentes já corrigidas.

Esse, um fenômeno raríssimo no universo observável, acontecido nos quintais da Via Láctea, deixou a comunidade astronômica internacional sem respostas ao questionamento:

Se os anéis são produto da explosão ou se já existiam antes?


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