Pergunte a Ethan: Por que não construímos um telescópio sem espelhos ou lentes?
Colocar uma matriz CCD no foco principal de um telescópio ou observatório é uma maneira infalível de obter uma imagem excelente; uma técnica que está em uso há mais de 100 anos. Mas é possível usar CCDs no lugar de um espelho ou lente inteiramente? Crédito da imagem: Large Area Imager for Calar Alto (LAICA) / J.W. Frito.
Por que não colocar seus detectores no lugar de um espelho gigante?
Olhe e pense antes de abrir o obturador. O coração e a mente são as verdadeiras lentes da câmera. – Yousuf Karsh
Por centenas de anos, o princípio por trás do telescópio tem sido tão simples quanto possível: construir uma lente ou espelho para coletar uma grande quantidade de luz, focar essa luz em um detector (como um olho, uma chapa fotográfica ou um dispositivo eletrônico ) e veja muito além das capacidades de sua visão sem ajuda. Com o tempo, lentes e espelhos ficaram maiores em diâmetro e foram criados com maior precisão, enquanto os detectores avançaram até o ponto em que podem coletar e fazer bom uso de cada fóton recebido. A qualidade dos detectores pode fazer você se perguntar por que nos preocupamos com espelhos! É isso que Pedro Teixeira quer saber:
Por que precisamos de uma lente e um espelho para fazer um telescópio agora que temos sensores CCD? Em vez de ter um espelho de 10m e uma lente que foca a luz em um sensor pequeno, por que não ter um sensor de 10m?
É uma pergunta muito astuta, porque se pudéssemos fazer isso, seria revolucionário.
Uma comparação dos tamanhos dos espelhos de vários telescópios existentes e propostos. Quando o GMT estiver online, será o maior do mundo e será o primeiro telescópio óptico da classe de 25 metros+ da história, sendo posteriormente superado pelo ELT. Mas todos esses telescópios têm espelhos. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Cmglee.
Não importa o quão refletivas façamos nossas superfícies, não importa quão finamente lixemos e polimos nossas lentes, não importa quão uniforme e cuidadosamente revestimos as camadas superiores, e não importa quão bem repelamos e eliminemos a poeira, nenhum espelho ou lente jamais será 100% opticamente perfeito. Alguma fração da luz será perdida a cada passo e com cada reflexão. Dado que os designs maiores e modernos exigem vários estágios de espelhos, incluindo um grande orifício no espelho primário para ter uma boa localização para refletir a luz, há uma limitação inerente ao design de usar espelhos e lentes para coletar informações sobre o Universo.
O objetivo é claro e admirável: cortar todas as etapas desnecessárias e eliminar quaisquer perdas quando se trata de sua luz. Pode parecer uma ideia simples e, à medida que os sensores CCD se tornam mais difundidos e diminuem o custo, talvez um dia isso esteja envolvido no futuro da astronomia. Mas realizar um sonho como esse não será muito simples, pois existem alguns obstáculos muito importantes que precisam ser superados para ter um telescópio sem espelho ou lente. Vamos ver exatamente o que eles são.
Esta imagem de 1887 da Grande Nebulosa em Andrômeda foi a primeira a mostrar a estrutura armada em espiral da grande galáxia mais próxima da Via Láctea. O fato de parecer tão completamente branco é porque isso foi simplesmente tirado de luz não filtrada, em vez de olhar em vermelho, verde e azul, e depois adicionar essas cores. Crédito da imagem: Isaac Roberts.
1.) CCDs são excelentes na medição de luz, mas eles não classificam ou filtram por comprimento de onda . Você já se perguntou por que as velhas fotografias que você vê de estrelas e galáxias são todas monocromáticas, mesmo que as próprias estrelas e galáxias tenham cores definidas? É porque eles não coletaram luz em vários filtros de comprimento de onda separados. Mesmo os telescópios modernos colocam um filtro entre a luz recebida e os CCDs/câmeras para aprimorar um determinado comprimento de onda ou conjunto de comprimentos de onda, de modo que várias imagens com vários filtros possam ser obtidas, reconstruindo uma imagem de cor verdadeira ou de cor falsa em o fim.
A galáxia de Andrômeda (M31), fotografada por um telescópio terrestre com vários filtros e reconstruída para mostrar um retrato colorido. Crédito da imagem: Adam Evans / cc-by-2.0.
Isso pode ser superado criando um conjunto completo de filtros para cada elemento CCD individual, mas isso seria complicado, caro e exigiria que esses filtros fossem colocados em algum lugar atras do os próprios elementos CCD, pois você deseja manter a área de coleta completa, onde normalmente ficaria um espelho ou lente, aberta para o céu. Não é um problema, mas é um elemento para o qual não temos solução no momento.
CCDs de grande área são incrivelmente úteis para coletar e detectar luz e para maximizar cada fóton individual que entra. Mas sem um espelho ou lente para focalizar previamente a luz, a natureza omnidirecional dos CCDs não produzirá uma imagem significativa do objeto sendo observado. Crédito da imagem: Large Area Imager for Calar Alto (LAICA) / J.W. Frito.
2.) CCDs não medem a direção da luz recebida . Para produzir essas imagens significativas que eles criam tão bem, os telescópios não precisam apenas medir a intensidade e o comprimento de onda da luz recebida, mas também sua direção. Lentes e espelhos têm a maravilhosa propriedade de que a luz que vem de uma fonte ultradistante perpendicular ao plano do espelho fica focada de tal forma que atinge sua câmera/placa fotográfica/olho/CCD, enquanto a luz de outras direções é refletido para longe. Não é assim apenas para um CCD: se a luz vier de qualquer direção, ela será registrada. A menos que você possa colimar/focar a luz com antecedência, você simplesmente verá um céu branco e brilhante em todos os lugares, porque não terá informações baseadas em direção lá.
Um diagrama esquemático do McMath-Pierce Solar Telescope Facility, o maior túnel de telescópio/túnel óptico do mundo. Mesmo isso requer um espelho no final para fazer imagens de alta qualidade. Crédito da imagem: NOAO/AURA/NSF.
Você pode pensar que uma possível solução para isso é construir um tubo extremamente longo e opaco que seja perpendicular ao plano de sua matriz CCD, mas mesmo isso tem um problema: sem uma lente ou espelho, a luz de qualquer coisa em seu campo de visão view ainda pode atingir todos os pixels em sua matriz. Mesmo o poço de túnel mais longo já construído para esses propósitos, o Telescópio Solar McMath-Pierce , ainda requer um espelho real ou uma lente para focar a luz. Este é o maior problema em usar um CCD sozinho para medir a luz e a maior razão pela qual você precisa de um espelho ou lente.
Esta foto, tirada nas instalações da Astrium France em Toulouse, mostra o conjunto completo de 106 CCDs que compõem o plano focal de Gaia. Os CCDs são aparafusados à estrutura de suporte do CCD (CSS). O CSS (a placa cinza embaixo dos CCDs nesta foto) pesa cerca de 20 kg e é feito de carbeto de silício (SiC), um material que proporciona notável estabilidade térmica e mecânica. O plano focal mede 1 × 0,5 metros. Crédito da imagem: Gaia/Astrium da ESA.
3.) CCDs são muito caros para cobrir uma matriz de 10 metros de diâmetro . Os próprios CCDs são um equipamento muito caro; um CCD de 12 megapixels de última geração, com cada pixel (e uma microlente que o cobre) de apenas 3,1 mícrons, é vendido por cerca de US $ 3.700 hoje . Cobrir uma área equivalente a um espelho de 10 metros de diâmetro exigiria cerca de 700.000 deles: um custo próximo a proibitivos 3 bilhões de dólares. Para efeito de comparação, o European Extremely Large Telescope (ELT), com um diâmetro de espelho primário de 39 metros, tem um custo estimado para todas as instalações e equipamentos de menos da metade disso, em apenas 1083 milhões de euros .
Este diagrama mostra o novo sistema óptico de 5 espelhos do Extremely Large Telescope (ELT) do ESO. Antes de chegar aos instrumentos científicos, a luz é refletida primeiro do espelho primário segmentado côncavo gigante de 39 metros do telescópio (M1), depois reflete em mais dois espelhos de classe de 4 metros, um convexo (M2) e um côncavo (M3). Os dois espelhos finais (M4 e M5) formam um sistema de óptica adaptativa integrado para permitir que imagens extremamente nítidas sejam formadas no plano focal final. Crédito da imagem: ESO.
A quantidade extra de luz que você ganharia usando CCDs sem espelhos é pequena, pois você perde apenas cerca de 5 a 10% de sua luz por reflexão, mas ganha 1500% extra (isso não é um erro de digitação!) metros de diâmetro para um telescópio de 39 metros de diâmetro. Simplificando, existem maneiras melhores de gastar seu dinheiro se seu objetivo for coletar mais luz e obter uma resolução mais alta.
No solo, telescópios grandes e maciços não representam um problema, desde que a forma do espelho permaneça ideal para refletir a luz. Mas no espaço, seus custos de lançamento são determinados pelo tamanho e peso, então cada bit que você pode economizar faz toda a diferença. Crédito da imagem: The Observatories of the Carnegie Institution for Science Collection na Huntington Library, San Marino, Califórnia.
4.) Se seu objetivo é economizar peso, há uma solução melhor . O Telescópio Espacial Hubble foi um desafio incrível para lançar e implantar, não apenas por causa de seu tamanho, mas por causa de seu peso. O peso do espelho primário foi um dos maiores obstáculos enfrentados pela missão. Por outro lado, James Webb terá mais de sete vezes a área de coleta de luz do Hubble, mas pesará apenas metade do seu antecessor muito menor. O segredo? Molde seu espelho, molde-o, poli-lo e então fure o material na parte de trás .
A instalação do 18º e último segmento do espelho primário do JWST. As tampas pretas protegem os segmentos dos retrovisores revestidos a ouro, enquanto a parte traseira dos retrovisores já teve 92% de seu material original removido. Crédito da imagem: NASA / Chris Gunn.
Quando você está no espaço e não precisa lutar contra a gravidade, não precisa de tanta estrutura para sustentar o telescópio. Depois que cada um dos 18 segmentos foi fabricado para James Webb, a parte traseira teve 92% da massa original perfurada, mantendo a forma frontal do espelho e economizando tremendamente em peso.
O interior e o espelho primário do GTC, o maior telescópio óptico único do mundo hoje. Crédito da imagem: Miguel Briganti (SMM/IAC).
Há muitas razões pelas quais você pode querer construir um telescópio sem lente ou espelho, pois otimizar peso, custo, materiais, poder de captação de luz, qualidade de imagem e resolução sempre exigirá uma troca. Mas o fato de os CCDs, por si só, não poderem medir a direção da luz incidente é um problema difícil para um telescópio sem espelho. Embora cada superfície espelhada da qual você reflita exija alguma perda de sinal, os espelhos ainda são a melhor maneira de obter uma visão de alta resolução, qualidade pura, grande área de coleta e (relativamente) baixo custo no Universo. Se os custos dos CCDs caírem, se uma matriz tão grande quanto um espelho de telescópio puder ser construída e se a direção dos fótons recebidos puder ser medida em tempo real também, talvez tenhamos algo para conversar. Mas, por enquanto, não há substituto para a ciência da óptica. Mais de 300 anos depois que ele publicou seu tratado inovador sobre a ciência da luz, as regras de Newton ainda estão invictas quando se trata de telescópios únicos!
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Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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