Como o Telescópio Espacial James Webb criará imagens do universo antigo

Em dezembro de 1995, O Telescópio Espacial Hubble passou 10 dias consecutivos observando uma pequena região do céu.

Com mais de 100 horas de tempo de exposição e 342 exposições separadas, o telescópio capturou uma de suas imagens mais famosas e importantes: uma imagem do espaço profundo que revelou cerca de 3.000 galáxias antigas que datam do início do universo.

O Northern Deep Field do Hubble foi uma grande conquista na fotografia do espaço profundo. Desde então, as coisas melhoraram.

Com o recente lançamento de Telescópio Espacial James Webbe (JWST), os astrônomos poderão observar regiões ocultas no espaço. O JWST foi projetado para detectar luz fora do alcance visível, produzindo imagens dos objetos mais fracos e distantes. Mas isso apresenta seus próprios desafios: como ele representa o que o olho humano não pode ver? Como você transforma vários instantâneos em uma imagem coesa?

Enquanto esperamos lançar as primeiras imagens JWST neste verão, inverso falar com Jonathan McDowell, um astrofísico do Centro de Astrofísica e do Centro de Raios-X Chandra que trabalhou extensivamente em Observatório de Raios-X Chandra uma tarefa.

O Chandra, lançado em 1999, olha para o universo em raios-X, que está longe do que nossos olhos podem ver, mas é onde coisas como buracos negros e outros objetos altamente energéticos brilham. Como o Chandra, o JWST observará o universo em comprimentos de onda além do que o olho humano pode ver. No caso do JWST, é infravermelho, que mostra objetos quentes. Embora os comprimentos de onda estejam muito distantes, eles apresentam desafios semelhantes ao coletar esses dados e criar uma imagem cientificamente útil – e que pode ser manipulada para apresentação ao público.

McDowell nos ajudou a analisar como uma imagem espacial foi capturada, desenvolvida e processada para produzir o resultado incrível que vemos.

Passo 1: Aponte o telescópio

O primeiro corpo celeste fotografado foi a Lua.

Em 1840, o físico britânico John William Draper capturou a superfície da lua de seu observatório de superfície na Universidade de Nova York. A Lua está a apenas 238.855 milhas da Terra. Mas hoje, os telescópios espaciais são capazes de tirar fotos de objetos a milhões de anos-luz de distância.

“A primeira coisa que você precisa fazer é apontar o telescópio na direção certa”, diz McDowell. inverso.

Isso por si só pode ser enganador porque os telescópios espaciais seguem uma certa órbita e viajam em alta velocidade. Para saber para qual direção apontar, os astrônomos primeiro precisam saber onde estão atualmente.

Existem pequenos telescópios auxiliares que tiram fotos das estrelas e, usando essas informações sobre onde estão as estrelas familiares, eles podem descobrir em qual direção estão apontando no céu.

Então, usando as coordenadas do objeto alvo, os astrônomos apontarão o telescópio em sua direção.

Etapa 2: calibração

Antes que o telescópio capture a imagem, muito tempo é gasto na calibração. Quando a câmera é calibrada, diz McDowell, que trabalhou no Chandra X-ray Observatory, que fotografa alguns dos fenômenos mais energéticos do universo, existem algumas linhas de base importantes.

“Às vezes passamos metade do nosso tempo tirando fotos de coisas que já conhecemos”, diz McDowell. “Vamos tirar fotos para verificar a sensibilidade da câmera, garantir que a geometria da câmera esteja correta ou tirar uma foto da constelação onde você sabe a que distância as estrelas estão e que informa a escala de uma imagem.”

Diferentes comprimentos de onda permitem que os cientistas vejam diferentes partes do universo, revelando os intrincados detalhes do gás quente viajando de uma explosão de supernova.

Se os telescópios tivessem visto o universo apenas na luz visível, essa luz tem comprimentos de onda curtos, o que significa que é mais provável que salte das partículas circundantes e se espalhe. Mas ao observar o universo na luz infravermelha, os comprimentos de onda mais longos atravessam o gás e a poeira com mais eficiência e permitem que os astrônomos procurem mais no universo.

Passo 3: Agarre!

Depois de apontar corretamente o telescópio na direção correta, a luz incide no telescópio e na câmera. A tecnologia da câmera telescópica é semelhante à encontrada em nossos telefones ou em câmeras digitais, de acordo com McDowell.

“A luz incide na câmera e, se a luz for mais vermelha, ela tem mais energia”, diz McDowell. “E tira fotos vermelhas, verdes e azuis separadas e as combina para criar uma imagem colorida.”

Em vez de usar uma câmera convencional para esse fim, o Hubble registra os fótons de luz recebidos através de um Carregar o dispositivo para o lado (Convenção de Combate à Desertificação).

O CCD não mede a cor da luz recebida, mas os telescópios possuem filtros que podem ser aplicados para permitir que apenas uma certa faixa ou cor do comprimento de onda da luz entre. O Hubble irá então tirar fotos do mesmo objeto através de diferentes filtros, que serão combinados para criar uma imagem abrangente.

Etapa 4: editar

Para preparar uma imagem de satélite para o público em geral, os astrônomos precisam fazer algum processamento. A maioria dos objetos no espaço emite cores que são muito fracas para serem vistas pelo olho humano. Às vezes, os cientistas precisam atribuir cores a filtros que não podem ser vistos pelo olho humano.

Para uma imagem do Hubble de Nebulosa do olho de gatoNeste estudo, os cientistas mapearam a radiação vermelha, azul e verde de átomos de hidrogênio, átomos de oxigênio e íons de nitrogênio – nenhum dos quais aparece nos espectros visíveis. Em nossa opinião, a diferença entre os três tipos de radiação eram três comprimentos de onda estreitos de vermelho que são indistinguíveis ao olho humano.

Etapa 5: dê contexto

Uma imagem de satélite sem nenhum dado é apenas uma imagem. Mas os cientistas usam essas imagens para coletar dados sobre objetos cósmicos.

“Então agora você tem um quadro que é apenas uma imagem, mas sem contexto”, diz McDowell. “Você tem que aplicar para onde a espaçonave estava apontando, qual é o tamanho da espaçonave e quais correções você precisa fazer na sensibilidade dos dados dependendo de talvez hoje, quando a câmera está um grau mais fria do que ontem.”

Isso é feito para fornecer contexto para a imagem que você vê.

“Todas essas informações contextuais devem ser aplicadas para fornecer uma imagem cientificamente útil em vez de qualquer imagem”, diz McDowell.

“Não é apenas uma foto bonita”, acrescenta. “É uma bela imagem da qual você pode medir números.”