cfq 7º ano

Telescópio Hubble

Um Universo de fantásticas imagens

Telescópio espacial Hubble

O Telescópio Espacial Hubble é um satélite astronómico, artificial, não tripulado que transporta um grande telescópio preparado para captar a luz visível e a infravermelha. Foi lançado pela agência espacial americana - NASA no dia 24 de abril de 1990, a bordo do Vaivém Espacial (No Brasil: Ônibus espacial) Discovery.

Este telescópio já recebeu várias visitas espaciais da NASA para operações de 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 quatro Observatórios Orbitais, cada um observando o Universo num comprimento de onda diferente: luz visível, raios gama, raios-X e o infravermelho.

Telescópio Espacial Hubble
Fig. 1 - Telescópio Espacial Hubble
lançado em 1990

Este telescópio foi imaginado nos anos 40, projetado e construído nos anos 70 e 80 e entrou em funcionamento em 1990, o Telescópio Espacial Hubble, que foi baptizado em homenagem a Edwin Powell Hubble, um astrónomo que revolucionou a Astronomia, devido à sua constatação de que o Universo se encontra em constante expansão.

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 conceção 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.

O telescópio Hubble irá manter-se em funcionamento, sendo possivelmente substituído pelo seu sucessor, o Telescópio Espacial James Webb, com data inicialmente prevista de lançamento para 2013. No entanto esta data deverá ser adiada, pois as últimas alterações feitas no telescópio Hubble, permitem que o mesmo possa funcionar para além do ano de 2014.

Construção montagem e lançamento

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 controlo geral dos instrumentos científicos e controlo terrestre durante a missão. O centro Marshall incumbiu a Perkin-Elmer, uma companhia do ramo da ótica, de conceber o mecanismo de montagem do telescópio (Optical Telescope Assembly - OTA) e os sensores de navegação (Fine Guidance Sensors) para o telescópio espacial. A Lockheed ficou responsável pela construção da nave espacial em que o telescópio ficaria alojado.

A nave espacial na qual seriam alojados o telescópio e os instrumentos representava um grande desafio para a engenharia. Teria que suportar adequadamente mudanças frequentes entre a luz direta do Sol e a escuridão da sombra da Terra — que provocam mudanças bruscas na temperatura — enquanto pudesse permanecer estável o suficiente para permitir o direcionamento extremamente preciso do telescópio. Um manto de isolamento em multi-camadas mantém a temperatura estável dentro do telescópio, e envolve um casco leve de alumínio dentro do qual o telescópio e os instrumentos são instalados. Dentro deste escudo, uma armação de grafite-epóxi mantém as peças de funcionamento do telescópio firmemente alinhadas. Uma vez que os compostos de grafite são higroscópicos, havia um risco de que o vapor de água absorvido pela armação durante sua montagem viesse a ser libertado no vácuo do espaço; se isso ocorresse, os instrumentos do telescópio ficariam cobertos de cristais de gelo. Para reduzir esse risco, uma purga com azoto foi realizada antes do lançamento do telescópio para o espaço.

Oticamente o Hubble é um refletor tipo Cassegrain com um projetor Ritchey-Chrétien. Este projetor, com dois grandes espelhos hiperbólicos, é bom para fotografar um largo campo de vista, mas tem a desvantagem de ser de difícil construção. Os sistemas relacionados com a ótica 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 do ultravioleta ao infravermelho com uma resolução dez vezes superior aos telescópios antecessores, o espelho deste teria que ser polido para uma precisão de 10 nanómetros, cerca de 1/65 do comprimento de onda da luz vermelha.

A Perkin-Elmer planeava utilizar maquinaria assistida por computador extremamente sofisticada para modelar 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 acondicionado numa espécie de sanduíche com duas placas de cerca de uma polegada de altura e uma estrutura em forma de colmeia no meio. O polimento prolongou-se de 1979 até maio de 1981. Mais tarde, relatórios da NASA questionaram 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 acréscimo de um revestimento refletivo 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. Os atrasos continuaram. Face a isto, a NASA foi forçada a reagendar o lançamento para 1 de março de 1986. Por esta altura, o custo total do projeto tinha atingido 1,175 biliões de dólares. Além disso, o software necessário para controlar o Hubble em terra não ficou pronto em 1986, e de fato estaria inacabado até 1990. Para completar o quadro de dificuldades, no mesmo ano aconteceu o acidente com a nave Challenger, o que decretou um atraso no programa espacial. Eventualmente, após a retoma dos voos dos vaivéns espaciais em 1988, o lançamento do telescópio foi reagendado para 1990. Por fim, em 24 de abril de 1990, a missão STS-31 do Discovery fez o lançamento do telescópio com sucesso na sua órbita prevista.

Desde a estimativa de um custo inicial de cerca de 400 milhões, o telescópio chegou a custar mais de 2,5 biliões de dólares para a sua construção. Os custos cumulativos do Hubble até hoje são estimados entre 4,5 e 6 biliões, com uma contribuição financeira adicional da Europa de 593 milhões de euros.

Quando lançado, o Hubble transportava cinco instrumentos científicos: a Wide Field and Planetary Camera (câmera de campo largo e planetário - WF/PC), o Goddard High Resolution Spectrograph (espectrógrafo de alta resolução Goddard - GHRS), o High Speed Photometer (fotómetro de alta velocidade - HSP), a Faint Object Camera (câmera de objetos pálidos - FOC) e o Faint Object Spectrograph (espectrógrafo de objetos pálidos - FOS).

A WF/PC era um dispositivo de imagem de alta resolução destinado principalmente para observações óticas. Foi construído pelo Jet Propulsion Laboratory da NASA, e incorporou um conjunto de 48 filtros de isolamento das linhas espectrais de particular interesse astrofísico. O instrumento continha oito chips CCD divididos entre duas câmeras, cada uma com quatro CCDs. A câmera de campo largo WF abrangeu um campo de grande angular em detrimento da resolução, enquanto a câmera planetária PC tomava imagens num comprimento focal mais eficaz do que os chips WF, dando-lhe uma maior ampliação.

O GHRS foi um espectrógrafo projetado para operar no ultravioleta. Foi construído pelo Goddard Space Flight Center, e pode alcançar uma resolução espectral de 90.000. Também otimizadas para observações ultravioletas eram a FOC e a FOS, que conseguiram a mais alta resolução de todos os instrumentos no Hubble. Ao invés de CCDs, estes três instrumentos utilizaram a contagem digital de fotões como detetor. A FOC foi construído pela ESA, enquanto a Universidade da Califórnia em San Diego e a Martin Marietta Corporation construiu o FOS.

O instrumento final era o HSP, projetado e construído na Universidade de Wisconsin-Madison. Foi otimizado para observações em luz visível e ultravioleta de estrelas variáveis e outros objetos astronómicos variando de brilho. Poderia fazer até 100 000 medições por segundo com uma precisão fotométrica de cerca de 2% ou melhor. O sistema de orientação HST também pode ser usado como um instrumento científico. Os seus três Fine Guidance Sensors (sensores de orientação fina - FGS) são utilizados principalmente para manter o telescópio apontado com precisão durante a observação, mas também pode ser usado para realizar astrometria extremamente precisa. Já foram obtidas medições de 0,0003 arcsecs.

Algumas semanas após o lançamento do telescópio, pelas imagens recebidas, ficou evidente que havia um sério problema com o sistema ótico. Embora as imagens parecessem de início ser mais nítidas do que as imagens obtidas em terra, o telescópio falhou em obter um foco tão exato como esperado.

A análise das imagens borradas mostrou que a causa do problema era que o espelho principal tinha sido construído com uma forma errada. Apesar de ter sido provavelmente o espelho mais preciso alguma vez construído, com variações de apenas 10 nanómetros a partir da curva prevista, era demasiado plano nas bordas em cerca de 2.200 nanómetros (2,2 mícrons). Esta diferença foi catastrófica, produzindo uma aberração esférica grave.

A falha do espelho afetou relativamente pouco a observação em alta resolução de objetos brilhantes e a espectroscopia; no entanto, a perda de luz no grande halo desfocado em redor reduzia severamente a utilidade do telescópio para objetos de brilho fraco ou para imagens de alto contraste. Isto significava que quase todos os programas cosmológicos ficavam praticamente inviabilizados, uma vez que exigem a observação de objetos extremamente pálidos. A NASA e o telescópio passaram a ser alvo de muitas piadas, e o projeto foi considerado popularmente como um elefante branco. Por exemplo, na comédia de 1991 The Naked Gun 2 ½: The Smell of Fear, o Hubble foi comparado ao Titanic, ao Hindenburg e ao Edsel. Não obstante, durante os primeiros três anos da missão Hubble, mesmo antes das correções óticas posteriores, o telescópio conseguiu realizar um grande número de observações produtivas. O erro foi bem caracterizado e era estável, permitindo aos astrónomos otimizar os resultados obtidos através de técnicas compensatórias sofisticadas de processamento de imagem.

Para se corrigir o problema da aberração esférica foi estabelecido o sistema Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement (COSTAR), constituído por dois espelhos de compensação da falha. Para ajustar o sistema COSTAR no telescópio, um dos outros instrumentos teve de ser removido, e os astrónomos selecionaram o High Speed Photometer para ser sacrificado.

Várias missões do vaivém espacial foram lançadas para consertos, substituição de instrumentos e outros ajustes.

Missões de reparação no Hubble

Missão 1

O telescópio havia sido concebido de modo que pudesse sofrer manutenção regular, mas depois que o problema com o espelho veio à tona, a primeira missão de manutenção assumiu uma importância muito maior, e os astronautas teriam que realizar um extenso trabalho no telescópio para instalar a ótica corretiva. Os sete astronautas escolhidos para a missão foram treinados intensivamente no uso das cem ou mais ferramentas especializadas que seriam necessárias. O vaivém espacial Endeavour, na sua missão STS-61, lançada em dezembro de 1993, instalou vários instrumentos e outros equipamentos ao longo de um total de 10 dias.

Mais importante, o High Speed Photometer (fotómetro de alta velocidade) foi substituído pelo pacote de lentes corretivas COSTAR e a WFPC foi substituída pela Wide Field and Planetary Camera 2 (WFPC2), com o seu sistema interno de correção ótica. Além disso, os painéis solares foram substituídos, bem como quatro dos giroscópios utilizados no sistema de direcionamento do telescópio, duas unidades de controle elétrico e outros componentes elétricos, e dois magnetómetros. Os computadores de bordo foram atualizados e, finalmente, a órbita do telescópio foi retificada, para compensar o decaimento orbital de 3 anos de arrasto pela atmosfera superior. Em 13 janeiro de 1994 a NASA declarou que a missão fora um sucesso e mostrou a primeira imagem nítida obtida com a correção do sistema óptico.

Missão 2

A Missão de Serviço 2, conduzida pelo Discovery (STS-82) em fevereiro de 1997, substituiu o GHRS e o FOS do Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) e o Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS), substituiu um Engineering and Science Tape Recorder por um Solid State Recorder, reparou o isolamento térmico e novamente retificou a órbita do Hubble. O NICMOS continha um dissipador de calor de azoto sólido para reduzir o ruído térmico do instrumento, mas logo depois da instalação, uma expansão térmica inesperada resultou que parte do dissipador de calor entrou em contato com um defletor óptico. Isto levou a um aumento da taxa de aquecimento no instrumento, reduzindo sua vida útil esperada de 4,5 anos para cerca de dois anos.

Missão 3A

A Missão de Serviço 3A (STS-103), conduzida pela Discovery, teve lugar em dezembro de 1999, e foi uma adaptação da Missão de Serviço 3 depois que três dos seis giroscópios a bordo falharam. Um outro falhou poucas semanas antes da missão, tornando o telescópio incapaz de realizar observações científicas. A missão substituiu todos os seis giroscópios, um Fine Guidance Sensor e o computador, instalou um kit de melhoramento de tensão/temperatura (VIK) para impedir que a bateria sobreaquecesse, e substituiu cobertores de isolamento térmico. Embora o novo computador não fosse propriamente uma potência (processador Intel 486 de 25 MHz com dois megabytes de RAM), ainda é 20 vezes mais rápido e tem seis vezes mais memória que o DF-224 substituído. O novo computador aumentou o rendimento transferindo algumas tarefas de computação feitas no solo para a sonda, e economizou dinheiro permitindo o uso de linguagens de programação modernas.

Missão 3B

A Missão de Serviço 3B (STS-109), levada pelo Columbia em março de 2002, instalou um novo instrumento, com a FOC (o último instrumento original) sendo substituída pela Advanced Camera for Surveys (ACS). Isso significava que o COSTAR já não era necessário, uma vez que todos os instrumentos novos foram construídos para compensarem a aberração do espelho principal. A missão também viu o renascimento do NICMOS, que tinha perdido a refrigeração em 1999. Um novo sistema de refrigeração foi instalado, que reduziu a temperatura do instrumento o suficiente para que pudesse ser útil novamente. Embora não tão fria quanto o seu projeto original previa, a temperatura tornou-se mais estável, o que em muitos aspetos representou uma vantagem. O ACS em particular reforçou as capacidades do Hubble; ele e o NICMOS realizaram as imagens do Hubble Ultra Deep Field.

A missão substituiu os painéis solares pela segunda vez. Os painéis novos foram produzidos a partir dos criados para o sistema comsat de irídio e eram menores em dois terços do que os antigos, resultando em menos arrasto contra a ténue atmosfera superior e fornecendo 30% mais energia. A energia adicional permitiu que todos os instrumentos a bordo do Hubble pudessem ser executados em simultâneo, e reduziu um problema de vibração que ocorria quando os painéis antigos, mais rígidos, se expunham ao Sol ou dele se ocultavam. A Power Distribution Unit foi também substituída, a fim de corrigir um problema com relés endurecidos.

Missão 4

A Missão de Serviço 4, que teve lugar em maio de 2009, foi a última missão do vaivém regular (STS-125) para o Telescópio Espacial Hubble. A missão fora planeada para 14 de outubro de 2008. No entanto, em 27 setembro de 2008 o Science Instrument Command and Data Handling (SIC&DH) do Hubble falhou. Todos os dados científicos passam por esta unidade antes que possam ser transmitidos para a Terra. Embora tivesse uma unidade de backup, se o backup falhasse a vida útil do Hubble estaria encerrada. Por conseguinte, em 29 de setembro de 2008, a NASA anunciou que o lançamento da SM4 seria adiado até 2009 para que a unidade SIC&DH pudesse ser substituída. A SM4, com uma unidade de substituição do SIC&DH, foi lançada a bordo do vaivém Atlantis em 11 de maio de 2009.

Na SM4 os astronautas, ao longo de cinco caminhadas espaciais, instalaram dois novos instrumentos, a Wide Field Camera 3 (câmera de campo largo - WFC3), e o Cosmic Origins Spectrograph (espectrógrafo de origens cósmicas - COS). A WFC3 vai aumentar as capacidades de observação do Hubble no ultravioleta e na luz visível em até 35 vezes devido à sua maior sensibilidade e maior campo de visão. A missão reparou dois instrumentos que haviam falhado, a Advanced Camera for Surveys (câmara avançada para pesquisas - ACS) e o Space Telescope Imaging Spectrograph (espectrógrafo de imagens telescópicas espaciais - STIS). Os astronautas também realizaram substituições de outros componentes, incluindo três Rate Sensor Units, um dos três Fine Guidance Sensors (FGS), a unidade SIC&DH; todas as seis baterias de níquel-hidrogénio, e três mantas de isolamento térmico de proteção. As baterias nunca tinham sido substituídas e duraram mais de 13 anos além da sua vida prevista.

O Atlantis libertou o Hubble para o espaço em 19 de maio de 2009, depois de todos as reparações serem feitas com sucesso. Depois de testes e calibração, o Hubble retomou a operação de rotina em setembro de 2009. Estes esforços devem manter o telescópio em pleno funcionamento durante alguns anos.

O Hubble foi originalmente concebido para ser devolvido à Terra a bordo de um vaivém espacial. Com a aposentação da frota em 2011, isso não será possível. Os engenheiros da NASA desenvolveram o Soft Capture and Rendezvous System (SCRS), um dispositivo em forma de anel que foi anexado à antepara de ré do Hubble durante a SM4, o que permitirá o encontro, captura e descarte seguro do Hubble por uma missão tripulada ou robótica no futuro.

Referências:

Wikipédia - Telescópio Hubble