A ciência por trás de todas aquelas lindas fotos

A galáxia espiral um tanto amorfa UGC 2890 aparece de lado nesta imagem do Telescópio Espacial Hubble, com estrelas brilhantes em primeiro plano cravejando a imagem. Esta galáxia, que fica a cerca de 30 milhões de anos-luz de distância na constelação de Camelopardalis, hospedou uma poderosa explosão de supernova que os astrônomos observaram em 2009. Crédito da imagem: ESA/Hubble & NASA, C. Kilpatrick

Desde o seu lançamento em 1990, o Telescópio Espacial Hubble fez mais de um milhão de observações do cosmos, ampliando o conhecimento da humanidade sobre o cosmos de forma quase imensurável.

No entanto, o Hubble não vê o universo como nós. O telescópio vê o cosmos em uma ampla gama de comprimentos de onda de luz, algumas das quais nossos olhos são incapazes de ver.

Se olhássemos através do espaço com nossos próprios olhos, não apenas não veríamos muito do que o Hubble vê, mas muito do que vemos pareceria muito diferente das imagens fornecidas a nós pelo icônico telescópio espacial.

Então, como os dados que esse telescópio espacial pioneiro coleta são transformados em visuais impressionantes que podemos ver, entender e nos maravilhar, e quanto dessas imagens são "autênticas"?

QUAIS CÂMERAS O HUBBLE POSSUI?

O Hubble tem dois sistemas de câmeras principais, de acordo com a NASA, que o telescópio usa para observar o universo de sua posição a cerca de 535 quilômetros (332 milhas) acima da superfície da Terra.

Trabalhando em uníssono, a Advanced Camera for Surveys (ACS) e a Wide Field Camera 3 (WFC3) são capazes de fornecer aos astrônomos imagens de campo amplo em uma ampla gama de comprimentos de onda. Ambos os sistemas de câmeras foram instalados no Hubble por astronautas que caminharam no espaço após o lançamento do observatório em abril de 1990 a bordo do ônibus espacial Discovery. 

A ACS juntou-se ao Hubble em 2002 e foi projetada principalmente para imagens de campo amplo em comprimentos de onda visíveis. O sistema ACS é composto por três câmeras ou “canais” que captam diferentes tipos de imagens, permitindo ao Hubble realizar levantamentos e amplas campanhas de imageamento.

Dois desses canais ficaram inoperantes em 2007 devido a uma falha eletrônica. Os astronautas conseguiram consertar uma das câmeras dois anos depois, restaurando a capacidade do ACS de tirar fotos de campo amplo e alta resolução. 

Esse reparo de 2009 foi realizado durante a Missão de Manutenção 4 do Hubble, que também instalou o sistema WFC3, agora o principal gerador de imagens do telescópio.

O Hubble tinha câmeras antes da instalação desses instrumentos, é claro. As câmeras anteriores do telescópio espacial incluem a Wide Field and Planetary Camera, a Wide Field and Planetary Camera 2, o High-Speed Photometer e a Faint Object Camera. 

Outros dispositivos observacionais entre o total de seis instrumentos do Hubble são seus dois espectrômetros, o Cosmic Origins Spectrograph (COS) e o Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS).

Os espectrômetros dividem a luz para que suas partes componentes possam ser vistas. Como elementos e produtos químicos emitem e absorvem luz em comprimentos de onda característicos, o Hubble permite que os astrônomos aprendam sobre a composição dos objetos que observa.

Um diagrama mostrando o alcance da luz que o Hubble é capaz de ver. Crédito da imagem: NASA, STScI

QUAIS COMPRIMENTOS DE ONDA O HUBBLE VÊ?

Uma das vantagens do Hubble ao dar um zoom em torno da Terra cerca de 15 vezes por dia é que ele pode captar comprimentos de onda de luz que normalmente seriam absorvidos pela atmosfera do nosso planeta. Como resultado, o espelho primário de 2,4 metros de largura do telescópio coleta uma imensa quantidade de luz em uma ampla gama de comprimentos de onda, que os telescópios terrestres não podem ver e a curva em direção aos instrumentos e câmeras do telescópio.

As câmeras do Hubble podem ver o universo desde a região infravermelha do espectro eletromagnético através dos comprimentos de onda da luz visível até a luz ultravioleta. 

As principais capacidades do telescópio estão nas partes ultravioleta e visível do espectro de 100 a 800 nanômetros, embora o telescópio também possa ver luz com comprimentos de onda de até 2.500 nanômetros. 

O ACS é usado predominantemente para coletar luz em comprimentos de onda visíveis, mas também é capaz de ver luz ultravioleta e infravermelha próxima. Enquanto isso, o WFC3 fornece imagens de campo amplo em luz ultravioleta, visível e infravermelha.

Enquanto o espectrômetro STIS trabalha com uma ampla gama de comprimentos de onda, o COS se concentra exclusivamente na luz ultravioleta e é considerado o espectrógrafo ultravioleta mais sensível já construído. 

O COS aumentou a sensibilidade do Hubble por um fator de pelo menos 10 no espectro ultravioleta, resultando em um aumento líquido de sensibilidade de 70 vezes ao olhar para objetos muito fracos, dizem os membros da equipe da missão.

POR QUE O HUBBLE TIRA FOTOS EM TANTOS COMPRIMENTOS DE ONDA?

O Hubble vê o universo em muitos "tons de cinza" diferentes. Visualizando o cosmos no que nos parece monocromático, o Hubble é capaz de destacar diferenças sutis na intensidade da luz em diferentes comprimentos de onda, o que ajuda os cientistas a entender os processos físicos e a composição dos objetos. 

Observar a luz ultravioleta é especialmente útil quando o Hubble está olhando para objetos extremamente fracos e pontos únicos de luz, como estrelas e quasares. Ver em infravermelho, por outro lado, é vital para o exame de objetos muito distantes que existiram no início da história do universo. 

Isso ocorre porque, à medida que a luz viaja desses objetos distantes, a expansão do universo "estica" seus comprimentos de onda. Esse processo é chamado de "desvio para o vermelho", porque os comprimentos de onda mais longos da luz no espectro visível são vermelhos (em comparação com o azul na extremidade mais curta). 

Quanto mais tempo essa luz atravessa o universo, mais extremo é o desvio para o vermelho de seu comprimento de onda. Isso significa que objetos antigos que emitiam luz visível agora são melhor vistos na luz infravermelha de longo comprimento de onda. 

A capacidade do Hubble de estudar essa luz estendida das primeiras estrelas permitiu aos cientistas restringir melhor a idade do universo, para cerca de 13,8 bilhões de anos. A capacidade de ver as primeiras galáxias e estrelas também aumentou enormemente nossa compreensão de como o universo evoluiu desde suas épocas iniciais. 

O objeto mais antigo e distante que o Hubble conseguiu visualizar até agora é a galáxia altamente desviada para o vermelho GN-z11, localizada a cerca de 13,4 bilhões de anos-luz de distância.

De um ângulo puramente prático, a capacidade de ver em uma ampla gama de comprimentos de onda significa que o Hubble é útil para um amplo espectro para pesquisadores que trabalham para observar uma enorme cornucópia de objetos e eventos cósmicos. 

A ampla gama de comprimentos de onda que o Hubble pode observar também significa que não será substituído pelo novo Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA. Apesar de ser o telescópio mais poderoso que a humanidade já colocou em órbita, o JWST é limitado principalmente a observações altamente detalhadas na luz infravermelha, com o Hubble vendo com menos clareza, mas em uma extensão muito mais ampla do espectro eletromagnético. Em última análise, isso significa que o JWST e o Hubble formam uma excelente equipe para observar o cosmos.

A Nebulosa do Anel do Sul vista pelo Telescópio Espacial Hubble. Crédito da imagem: NASA

QUÃO 'REAIS' SÃO AS FOTOS DO HUBBLE? O QUE VERÍAMOS?

Os olhos humanos veem apenas uma pequena fração do espectro eletromagnético que se encaixa entre a luz infravermelha e a luz ultravioleta, de cerca de 380 a 700 nanômetros. Portanto, a maioria das imagens brutas produzidas pelo Hubble parecem preto e branco para nós. 

No momento em que as imagens do Hubble chegam a publicações como a gaiaciencia.com.br, elas já foram processadas, com cores adicionadas a elas. A colorização das imagens "brutas" sobre os tons de cinza do Hubble não é por razões puramente estéticas, no entanto. Nem é feito arbitrariamente. 

Algumas imagens mostram cores "verdadeiras", enquanto outras apresentam tons atribuídos para representar comprimentos de onda de luz que os olhos humanos não podem ver. Essas imagens compostas coloridas geralmente são criadas pela combinação de exposições capturadas pelo Hubble usando diferentes filtros.

Uma cor diferente é atribuída a cada filtro, com essa cor correspondendo ao comprimento de onda que o filtro permite. Assim, a imagem do filtro de comprimento de onda longo é representada no composto por vermelho, os comprimentos de onda médios por verde e os comprimentos de onda mais curtos por azul.

Em alguns casos, cores podem ser adicionadas às fotos do Hubble para representar elementos químicos específicos presentes dentro ou ao redor do objeto fotografado. Esse processamento de cores pode revelar uma riqueza de informações científicas que não estão presentes nas imagens brutas em escala de cinza do Hubble. 

As imagens também são processadas para remover imperfeições e efeitos que não vêm dos objetos observados pelo Hubble. Esses recursos indesejados podem ser o resultado de sensores antigos, causando "pixels mortos" nas imagens ou no ambiente dinâmico do espaço. Por exemplo, as imagens do Hubble podem ser marcadas por linhas de luz brilhante causadas pela passagem de asteroides, satélites ou até mesmo raios cósmicos. A equipe do Hubble geralmente remove essas distorções antes de divulgar uma imagem ao público.

Além disso, mosaicos maiores feitos de muitas imagens do Hubble unidas devem ter lacunas removidas para criar uma única imagem unificada. Os processadores de imagem do Hubble também precisam decidir como orientar as imagens, já que não há "para cima" ou "para baixo" no espaço. 

O processamento de imagens do Hubble é um procedimento intrincado e demorado. Mesmo fotos simples do Hubble podem levar dias para serem processadas, enquanto grandes mosaicos complexos de várias imagens podem levar meses, diz a NASA.

Uma imagem dos Pilares da Criação na Nebulosa da Águia tirada pelo Telescópio Espacial Hubble. Crédito da imagem: NASA, ESA e Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

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INFORMAÇÕES ADICIONAIS

Se você quiser ver a aparência das imagens do Hubble antes de serem processadas, um banco de dados de "imagens brutas" está disponível no Hubble Legacy Archive.

Se você gostaria de aprender mais sobre o espectro eletromagnético, acesse: Imagine o Universo da NASA, a página tem uma ótima explicação concisa.

BIBLIOGRAFIA

Como as imagens do Hubble são feitas, Goddard Space Flight Center da NASA, https://www.youtube.com/watch?v=QGf0yzdM5OA

Telescópio Espacial Hubble, NASA. Acesso em 24/03/23 em: https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/spacecraft/index.html

Observatório do Telescópio Espacial Hubble: Instrumentos, NASA. Acesso em 24/03/23 em: https://www.nasa.gov/content/goddard/hubble-space-telescope-science-instruments

Instrumentos científicos do Hubble, NASA Hubblesite. Acesso em 24/03/23 em: https://hubblesite.org/mission-and-telescope/instruments

Observatório do Telescópio Espacial Hubble: Hubble vs. Webb, NASA. Acesso em 24/03/23 em: https://www.nasa.gov/content/goddard/hubble-vs-webb-on-the-shoulders-of-a-giant

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Referência:

LEA, Robert. How are Hubble Space Telescope images made? Space, Nova York, 10, abr. 2023. References. Disponível em: <https://www.space.com/how-hubble-space-telescope-images-are-made>. Acesso em: 10, mai. 2023.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.