O telescópio Hubble

por PGAPereira

Desde os primeiros dias de astronomia, desde a época de Galileu, os astrônomos têm partilhado um único objetivo - para ver mais, ver mais longe, ver mais fundo. O lançamento do Telescópio Espacial Hubble em 1990 acelerou a humanidade a um dos seus maiores avanços nessa jornada. O Hubble é um telescópio que orbita a Terra. A sua posição acima da atmosfera, que distorce e bloqueia a luz que atinge o nosso planeta, dá uma visão do universo que normalmente ultrapassa de longe a dos telescópios terrestres. Hubble é uma das missões científicas mais bem-sucedidas e de longa duração da NASA. Tem enviado centenas de milhares de imagens para a Terra, lançando luz sobre muitos dos grandes mistérios da astronomia. Seu olhar tem ajudado a determinar a idade do universo, a identificar quasares, e a existência de energia escura.

Ele mudou a astronomia

As descobertas do Hubble têm transformado a maneira como os cientistas olham para o universo. Sua capacidade de mostrar o universo em detalhes sem precedentes transformou conjecturas em certezas concretas astronômicas. Tem peneirado a coleção de teorias sobre o universo ao mesmo tempo em que provocaram novas, clarificando o caminho para futuros astrônomos. Entre as suas muitas descobertas, o Hubble revelou a idade de o universo ser aproximadamente 13 a 14.000.000.000 anos, muito mais preciso do que a faixa de idade de 10 a 20 bilhões de anos. Hubble desempenhou um papel fundamental na descoberta da energia escura, uma força misteriosa que faz com que a expansão do Universo se acelere. Hubble mostra aos cientistas galáxias em todos os estágios de evolução, incluindo galáxias jovens que estavam no Universo ainda jovem, ajudando-os a entender como as galáxias se formam. Constataram-se discos protoplanetários e acúmulos de gás e poeira em torno de estrelas jovens que funcionam como prováveis embriões para novos planetas. Ele descobriu que explosões de raios gama - estranhas explosões extremamente poderosas de energia - ocorrem em galáxias muito distantes, como colapso de estrelas massivas. E estes são apenas um punhado de suas muitas contribuições à astronomia.

A enorme quantidade de equipes de astrônomos trabalhando com base em observações do Hubble também ajudou a torná-lo um dos observatórios mais importantes da história. Mais de 6.000 artigos científicos foram publicados com base em dados do Hubble. As políticas que governam o telescópio têm contribuído para a sua produtividade incrível. O telescópio é um instrumento para toda a comunidade astronômica - qualquer astrônomo no mundo pode apresentar uma proposta e hora da solicitação no telescópio. Em seguida, equipes de especialistas selecionam as observações a serem executadas. Uma vez que as observações são concluídas, os astrônomos têm um ano para prosseguir o seu trabalho antes dos dados serem liberados para toda a comunidade científica. Visto que todo mundo começa a ver a informação, as observações deram origem a uma infinidade de descobertas - muitas em áreas que não foram previstas pelas propostas originais do telescópio. O sucesso do Hubble com essas políticas ajudou a espalhá-las por toda a comunidade astronômica, e elas estão se tornando comuns a outros observatórios.

Por que um telescópio espacial?

O Telescópio Espacial Hubble é a solução direta para um problema que os telescópios têm enfrentado desde os primeiros dias de sua invenção: a atmosfera. O dilema é duplo: Deslocamentos de bolsões de ar na atmosfera da Terra distorcem a visão de telescópios no solo, não importa quão grande ou cientificamente avançados os telescópios sejam. Essa "distorção atmosférica" ​​é a razão pela qual as estrelas parecem piscar quando você olha para o céu. A atmosfera também bloqueia parcialmente ou absorve certos comprimentos de onda da radiação, como o ultravioleta, gama e raios-X, antes que eles possam chegar à Terra. Os cientistas podem melhor analisar um objeto como uma estrela por estudá-la em todos os tipos de comprimentos de onda que ela emite. Novos telescópios terrestres estão usando os avanços tecnológicos para tentar corrigir a distorção atmosférica, mas não há nenhuma maneira de eliminar por completo este empecilho. A maneira mais eficaz para evitar os problemas da atmosfera é colocar o seu telescópio para além dela. Ou, no caso do Hubble, 353 milhas (569 km) acima da superfície da Terra.

 Como ele funciona?

A cada 97 minutos, o Hubble completa uma rotação em torno da Terra, se movendo na velocidade de cerca de cinco quilômetros por segundo (8 km por segundo) - rápido o suficiente para viajar por todos os Estados Unidos em cerca de 10 minutos. Quando ele viaja, o espelho do Hubble capta a luz e a direciona para os seus instrumentos científicos diversos. O Hubble é um tipo de telescópio conhecido como um refletor Cassegrain. A luz atinge o espelho principal do telescópio, ou o espelho primário. Ele se reflete do espelho primário e encontra um espelho secundário. O espelho secundário foca a luz através de um furo no centro do espelho primário que leva a instrumentos científicos do telescópio. Muitas vezes as pessoas acreditam erroneamente que o poder de um telescópio reside na sua capacidade de ampliar objetos. Os telescópios realmente funcionam através do recolhimento de mais luz que o olho humano pode captar por conta própria. Quanto maior o espelho do telescópio, mais luz ele pode coletar e melhor será a visão do objeto. O espelho primário do Hubble tem 94,5 polegadas - 2,4 metros de diâmetro. Este espelho é pequeno comparado com os dos atuais telescópios terrestres, que pode ter  400 polegadas (1.000 cm) ou mais, mas a localização do Hubble para além da atmosfera lhe dá clareza impressionante. Uma vez que o espelho capta a luz, os instrumentos científicos do Hubble trabalham em conjunto ou individualmente para fornecer a observação. Cada instrumento é projetado para analisar o universo de uma forma diferente. O Wide Field Camera 3 – a câmera 3 de alto campo - (WFC3) vê três diferentes tipos de luzes: quase ultravioleta, visível e infravermelho próximo, ainda que não simultaneamente. A sua resolução e campo de visão são muito maiores do que a de outros instrumentos do Hubble. A WFC3 é um dos dois novos instrumentos do Hubble, e será utilizada para estudar a energia escura e matéria escura, a formação de estrelas individuais e a descoberta de galáxias extremamente remotas anteriormente além da visão do Hubble.

O Espectrógrafo de Origens Cósmicas (COS), outro novo instrumento do Hubble, é um espectrógrafo que vê exclusivamente em luz ultravioleta. Os espectrógrafos agem como prismas, separando a luz do cosmos em suas cores componentes. Isto fornece uma "impressão digital" do comprimento de onda do objeto que está sendo observado, o que nos diz sobre a sua temperatura, composição química, densidade e movimento. O COS vai melhorar a sensibilidade à radiação ultravioleta do Hubble pelo menos 10 vezes, e até 70 vezes quando observar objetos extremamente tênues. A Advanced Camera for Sorves (ACS) vê a luz visível, e é projetado para estudar algumas das primeiras atividades no universo. A ACS ajuda a mapear a distribuição de matéria escura, detecta objetos mais distantes no universo, faz buscas de planetas enormes, e estuda a evolução de aglomerados de galáxias. A ACS parou parcialmente de funcionar em 2007 devido a um curto-circuito, mas foi reparada durante a Missão de Manutenção em 4 de maio de 2009. O Espectrógrafo de Imagens do Telescópio Espacial (STIS) é um espectrógrafo que vê a luz ultravioleta, visível e infravermelho próximo, e é conhecido por sua capacidade de caçar buracos negros. Enquanto COS funciona melhor com pequenas fontes de luz, como estrelas ou quasares, o STIS pode mapear objetos maiores, como as galáxias. O STIS parou de funcionar devido a uma falha técnica em 3 de agosto de 2004, mas também foi reparado durante a Missão de Manutenção 4. A Câmera de Infravermelho Próximo e Espectrômetro de Multi-Objetos (NICMOS) é um sensor de calor do Hubble. Sua sensibilidade à luz infravermelha - percebida pelos seres humanos como o calor - permite observar objetos escondidos pela poeira interestelar, como os locais de nascimento estelar, e contemplar o espaço profundo. Finalmente, os sensores de orientação fina (FGS) são dispositivos que travam em "estrelas guias" e mantém o Hubble apontado na direção certa. Eles podem ser usados ​​para medir com precisão a distância entre estrelas e os seus movimentos relativos. Todas as funções do Hubble são alimentadas por luz solar. Hubble possui painéis solares que convertem a luz solar diretamente em eletricidade. Em alguns dos quais a eletricidade é armazenada em baterias que mantêm o telescópio funcionando quando está na sombra da Terra, bloqueando os raios solares.

 Como são feitas as coletas de dados?

Um quarteto de antenas no telescópio envia e recebe informações entre Hubble e a Equipe de Operações de Vôo no Goddard Space Flight Center em Greenbelt, Maryland. Os engenheiros usam satélites para se comunicar com o telescópio, dando-lhe direcções e comandos. O telescópio tem dois computadores principais e uma série de sistemas menores. Um dos principais computadores lida com os comandos que aponta o telescópio e outras para que todo o sistema funcione. As outras equipes gerenciam os instrumentos, recebe os seus dados, e os enviam para satélites que por sua vez transmitem para o chão. Quando a estação terrestre transfere os dados para Goddard, Goddard os envia para o Space Telescope Science Institute (STScI), onde a equipe converte os dados em unidades cientificamente significativas, tais como comprimento de onda ou brilho - e arquivam as informações em discos ópticos-magnéticos de 5,25 polegadas. O Hubble envia as informações de arquivo suficiente para encher cerca de 18 DVDs a cada semana. Os astrônomos podem fazer downloads de dados arquivados através da Internet e analisá-los em qualquer lugar do mundo. Centenas de engenheiros e cientistas da computação no Goddard Space Flight Center e STScI são responsáveis ​​por manter o Hubble operacional e fazem acompanhamento da sua saúde, segurança e desempenho. Em Goddard, os controladores monitoram a saúde do telescópio, enquanto eles dirigem os seus movimentos e atividades científicas. A equipe do STScI também agendam o uso do telescópio, monitoram e calibram os instrumentos, utilizam-se dos arquivos e realizam a sensibilização do público. Astrônomos de todo o mundo compartilham horas de uso do Hubble. Mais cientistas querem usar o telescópio por mais tempo, então um comitê de revisão de especialistas de astronomia tem que escolher as melhores propostas do grupo. As propostas vencedoras são as que fazem o melhor uso das capacidades do telescópio, abordando simultaneamente pressionando questões astronômicas. Anualmente, cerca de 1.000 propostas são analisadas e cerca de 200 são selecionadas, para um total de 20.000 observações individuais.

Como surgiu a idéia de telescópio espacial?

A idéia para o telescópio espacial surgiu em 1923 quando o cientista alemão Hermann Oberth, um dos fundadores de foguetes, sugeriu levar um telescópio para o espaço a bordo de um foguete. Em 1946, Lyman Spitzer Jr., astrofísico americano, escreveu um artigo propondo um observatório espacial. Ele passaria os próximos 50 anos trabalhando para tornar o telescópio espacial uma realidade. Spitzer era uma das principais forças por trás de vários observatórios em órbita da época, incluindo o satélite Copernicus e o Observatório Astronômico Orbital. Sua defesa diligente ajudou a impulsionar a NASA para aprovar o projeto do Grande Telescópio Espacial, em 1969. Devido a considerações de orçamento, a proposta original foi reduzida um pouco, diminuindo o tamanho do espelho do telescópio e o número de instrumentos que levariam. Em 1974, o grupo de trabalho do projeto sugeriu um telescópio com uma série de instrumentos intercambiáveis. Eles seriam capazes de resolver, pelo menos, 1/10 de um segundo de arco e estudar comprimentos de onda que variavam do ultravioleta à luz visível e infravermelha. O ônibus espacial seria usado para colocar o telescópio em órbita e quer voltava a Terra para reparos e instrumentos de substituição, ou reparos no espaço. Em 1975, a Agência Espacial Européia começou a trabalhar em conjunto com a NASA em um plano que acabaria por se tornar o Telescópio Espacial Hubble. Em 1977, o Congresso aprovou o financiamento para o telescópio.

 A sua construção

Logo após o Congresso aprovasse o financiamento para o telescópio, as propostas de instrumentos científicos começaram a surgir onde 5 vencedores foram escolhidos. Enquanto isso, os contratantes, universidades e centros da NASA mergulharam no esforço. O Marshall Space Flight Center em Huntsville, Alabama, iria lidar com concepção, desenvolvimento e construção do telescópio e seus sistemas de suporte. O Goddard Space Flight Center iria cuidar da concepção, desenvolvimento e construção dos instrumentos de ciência, e também realizar o controle de solo. A Corporação Perkin-Elmer foi contratada para fabricar o telescópio, incluindo os espelhos e sensores de orientação fina, necessários para apontar e direcionar o telescópio. A Lockheed Missiles (agora Lockheed Martin) foi contratada para construir a estrutura e sistemas de apoio, colocar o telescópio junto e o testá. Em 1979, os astronautas estavam treinando para a missão em um tanque debaixo d'água para simular a gravidade, usando um telescópio mock-up. Em 1981, o Space Telescope Science Institute foi criada em Baltimore, Maryland, para avaliar propostas de tempo de vida do telescópio e gerenciar o programa de ciência. O telescópio espacial recebeu o nome de Telescópio Espacial Hubble, em homenagem ao astrônomo americano Edwin Hubble, que mostrou que as manchas difusas de luz no céu noturno eram na verdade outras galáxias, distantes da nossa, e passou a provar que o universo estava se expandindo.

Depois de alguns atrasos, o lançamento do Hubble foi agendado para Outubro de 1986. Mas em 28 de janeiro de 1986, o Ônibus Espacial Challenger explodiu pouco mais de um minuto em vôo. Os vôos de ônibus espaciais cessaram por dois anos. As peças do telescópio acabadas foram transferidas para armazenamento. Os trabalhadores do Hubble continuaram a ajustar o telescópio durante o atraso, melhorando as baterias solares e atualizar outros sistemas. Em 24 de abril de 1990, o Hubble finalmente foi lançado em órbita a bordo do ônibus espacial Discovery. O telescópio trabalharia com cinco instrumentos: Wide Field / Planetary Camera, o Goddard de alta resolução espectrógráfica, a Câmara para objetos de pouca visibilidade, o Espectrógrafo para objetos de pouca visibilidade e o fotômetro de alta velocidade.

 Problema: aberração esférica do espelho primário

Quase imediatamente após o Hubble entrar em órbita, ficou claro que algo estava errado. Enquanto as imagens eram mais claras que as de telescópios terrestres, elas não eram as imagens imaculadas prometidas. Elas estavam borradas. O espelho primário do Hubble, polido com tanto cuidado e carinho ao longo de um ano inteiro, tinha uma falha chamada de "aberração esférica”. Não fizeram testes neste aparelho, um erro crucial igual aos encontrados nos importados contrabandeados da China. A luz que se ricocheteava no centro do espelho se concentrava num local diferente que a luz que saltava para fora da borda. A pequena falha - cerca de 1/50th – 1/50 avos - da espessura de uma folha de papel - foi o suficiente para distorcer a visão. Felizmente, os cientistas e engenheiros estavam lidando com um problema bem conhecido em óptica - embora em uma situação totalmente original.

E eles encontraram uma solução. Uma série de pequenos espelhos poderia ser usada para interceptar a luz refletida no espelho, corrigindo a falha, e devolvendo a luz aos instrumentos científicos do telescópio. A corretiva Optics Espaço Substituição Axial Telescope, ou COSTAR, poderia ser instalada no lugar de um dos outros instrumentos do telescópio, a fim de corrigir as imagens produzidas pelos instrumentos restantes e futuros. Os astronautas também substituiriam a Wide Field / Planetary Camera por uma nova versão, a Wide Field Planetary Camera e 2 (WFPC2), que continha pequenos espelhos para corrigir a aberração. Este foi o primeiro dos instrumentos do Hubble, construído em ópticas corretivas. Os astronautas e pessoal da NASA passaram 11 meses de treinamentos para uma das missões espaciais mais complexas já realizadas. Além da natureza crítica da missão, que seria o primeiro teste de capacidade alardeada do telescópio para ser mantido e reparado no espaço.

Enviada equipe para fazer a reparação

Em 2 de dezembro de 1993, o ônibus espacial Endeavour levou uma tripulação de sete pessoas em órbita para uma missão que envolveria cinco dias de caminhadas espaciais e reparos. Eles removeram o fotômetro de alta velocidade e o substituiu pelo COSTAR. Eles substituíram o campo original Wide / Planetary Camera com a nova WFPC2. Eles realizaram uma série de outras tarefas, substituindo painéis solares, plugues de fusís, e outros equipamentos. Em 9 de dezembro haviam terminados. A NASA divulgou as primeiras novas imagens de ótica fixa do Hubble em 13 de janeiro de 1994. As imagens eram lindas, a sua resolução, excelente. Hubble foi transformado no telescópio que tinha sido inicialmente prometido. O Hubble faria sucesso e reparado por diversas vezes depois. Em fevereiro de 1997, os astronautas substituíram a Goddard Alta Resolução Espectrógrafo e o Espectrógrafo para objetos fracos com instrumentos melhorados, a Câmera de Infravermelho Próximo, o Espectrômetro Multi-objetos e o Space Telescope Imaging Spectrograph. Em dezembro de 1999, eles substituíram um transmissor, todos os seis giroscópios, e um dos três sensores de orientação fina, que permite apontamento fino e mantêm o Hubble estável durante as operações. Em fevereiro de 2002, os astronautas, acrescentaram o Advanced Camera for Surveys (ACS), o primeiro instrumento novo para ser instalado no Hubble desde 1997. O ACS dobrou o campo de vista do Hubble, usando um detector muito mais sensível que o WFPC2. Cada vez que os astronautas realizaram uma missão de manutenção, eles também efetuaram trabalhos de reparação de rotina - a fixação de painéis solares térmicos e cobertores, e modernização de equipamentos.

A última visita

A próxima missão de reparos no Hubble foi agendada para 2006. Mas em 01 de fevereiro de 2003, o Space Shuttle Columbia, retornando de uma missão de investigação, partiu-se, enquanto re-entrava na atmosfera da Terra. O ônibus foi cancelado. O então administrador da NASA, Sean O'Keefe cancelou a missão Hubble, citando as diretrizes de segurança que foram desenvolvidas após a tragédia do Columbia. O seguinte administrador da NASA, Mike Griffin, re-avaliou o cancelamento após sua nomeação em 2005 e expressou seu apoio para outra missão. Em 31 de outubro de 2006, ele anunciou que o Hubble seria atendido novamente. A  Missão 4 de Manutenção teve lugar em Maio de 2009. Os astronautas atualizou o telescópio com a Wide Field Camera 3, o espectrógrafo Cosmic Origins, consertou a Advanced Camera for Surveys e o Space Telescope Imaging Spectrograph. Eles substituíram baterias do Hubble com novas versões, e um sensor de orientação fina com um renovado; instalaram seis novos giroscópios, e acrescentou novos painéis isolantes para áreas onde os cobertores do Hubble tinham sido discriminados. Eles substituíram o Comando de Instrumento de Ciência e a unidade de tratamento de dados (SIC & DH), que ajuda a comandar os instrumentos científicos e controlar o fluxo de dados dentro do telescópio, e que tinha sofrido um problema elétrico em 2008. Finalmente, eles ligaram  uma estrutura em forma de anel que irá permitir um módulo robótico ligar-se ao Hubble no futuro, a fim de guiar o telescópio através da mesma órbita. Os astronautas voltaram à Terra com um pedaço especial de tecnologia removido: COSTAR. Todos os instrumentos do Hubble desde seu lançamento inicial foram concebidos com correções para o espelho defeituoso, fazendo eventualmente o COSTAR desnecessário. A Missão 4 de Manutenção deverá estender a vida do Hubble até 2013. Um telescópio rejuvenescido continuará a enviar as imagens de feixe dos céus para a Terra, transferindo cerca de 120 gigabytes de dados a cada semana. O sucessor do Hubble, o James Webb Space Telescope (JWST), está atualmente em obras. JWST vai estudar objetos desde o mais tenro universo, objetos cuja luz é "desviada para o vermelho", ou esticada em luz infravermelha. De sua órbita a 940.000 milhas (1,5 milhões de km) de distância da Terra, o JWST irá desvendar segredos sobre o nascimento de estrelas, sistemas solares e galáxias ao observar através da poeira que bloqueia a luz visível. O telescópio tem lançamento agendado para esta década.

O fim do Hubble

Eventualmente, o tempo de funcionamento do Hubble vai acabar. À medida que o tempo passa, os componentes do Hubble irão se degradar lentamente até o ponto em que o telescópio deixe de funcionar. Quando isso acontece, o Hubble vai continuar a orbitar a Terra até que decaia sua órbita, caindo em espiral em direção à Terra. Embora a NASA originalmente esperasse trazer o Hubble de volta à Terra para exposição em museu, a vida útil prolongada do telescópio o colocou para além da data de reforma do programa de ônibus espaciais. O Hubble foi projetado especificamente para funcionar com o ônibus espacial, de modo que o veículo de substituição, provavelmente não será capaz de devolvê-lo ao chão. A missão robótica é esperada ajudar a re-entrada em órbita do Hubble, orientando seus restos mortais por meio de um mergulho através da atmosfera e no oceano. Mas o legado do Hubble - suas descobertas, a sua concepção vanguardista, o seu sucesso em nos mostrar o universo com um detalhe sem precedentes – vai continuar. Os cientistas vão contar com revelações do Hubble durante anos, enquanto eles continuam em sua busca para entender o cosmos - uma busca que alcançou clareza, foco e triunfou pela existência rica do Hubble.