Colocar um CCD no foco principal de um telescópio ou observatório é uma ótima maneira de obter excelentes imagens; Tecnologia semelhante é usada há mais de 100 anos. Mas é possível usar um CCD sozinho, sem espelhos ou lentes?Por centenas de anos, o princípio de usar um telescópio foi o mais simples dos mais simples: criar uma lente ou espelho para coletar uma grande quantidade de luz, focalizá-lo em um detector (olho, placa fotográfica, dispositivo eletrônico) e ver algo que está muito além das capacidades do olho nu. Com o tempo, as lentes e os espelhos se tornaram maiores em diâmetro e foram fabricados com precisão cada vez maior, e os detectores atingiram um nível em que foram capazes de coletar e usar cada fóton recebido. A qualidade dos detectores pode fazer você se perguntar por que precisamos de lentes! Isto é o que nosso leitor pergunta:
Por que precisamos de lentes e espelhos para criar um telescópio se temos sensores CCD? Por que, em vez de criar um espelho ou lente de 10 metros que focaliza a luz em um sensor pequeno, não faça um sensor de 10 metros?
A questão é muito complicada, porque se eles pudessem fazer isso, revolucionaria.
Comparação de tamanhos de espelho de vários telescópios existentes e propostos. Quando o telescópio gigante de Magalhães começar a funcionar, ele se tornará o maior do mundo e o primeiro da classe de telescópios ópticos com um diâmetro superior a 25 m; posteriormente, terá que ser superado pelo telescópio extremamente grande da Europa . Mas todos esses telescópios têm espelhos.Não importa quão bem nossa superfície reflita, com que precisão lixemos e polimos nossas lentes, com que uniformidade e cuidado apliquemos o revestimento e com que repelimos e destruamos a poeira - nenhum espelho ou lente será 100% opticamente perfeito. Uma certa fração da luz será perdida a cada passo e com cada reflexo. Dado que os maiores projetos de telescópios da atualidade exigem espelhos de vários estágios, incluindo um grande orifício no espelho principal, que fornece uma boa localização para refletir a luz, existem limitações inerentes ao esquema para coletar informações sobre o universo usando espelhos e lentes.
O objetivo é claro e bonito: remova etapas desnecessárias, elimine qualquer perda de luz. Essa ideia pode parecer simples e, como os sensores CCD estão se tornando mais comuns e mais baratos, pode ser aplicada na astronomia do futuro. Mas a realização de um sonho desse tipo não será muito simples, pois existem obstáculos muito importantes a serem superados para que um telescópio fique sem espelhos ou lentes. Vamos examiná-los.
A imagem de 1887 da nebulosa de Andrômeda primeiro demonstrou a estrutura dos braços espirais da galáxia grande mais próxima da Via Láctea. É completamente branco devido ao fato de a foto ter sido tirada sem o uso de filtros - em vez de tirar uma foto através de um filtro vermelho, verde e azul, e depois combinar essas cores.1) Os CCDs medem perfeitamente a luz, mas não classificam ou filtram os comprimentos de onda. Você não pensou por que todas as fotos antigas de estrelas e galáxias são feitas em preto e branco, apesar do fato de que as próprias estrelas e galáxias têm certas cores? Isso ocorre porque eles não coletam luz com filtros separados em diferentes comprimentos de onda. Até os telescópios modernos colocam um filtro entre a luz que entra e o CCD / câmera para mirar em um comprimento de onda ou conjunto de comprimentos de onda específico, tirar várias imagens com vários filtros e depois recriar a imagem em cores verdadeiras ou falsas.
Galáxia de Andrômeda (M31), tirada do telescópio terrestre através de vários filtros, após o qual um retrato colorido foi criado a partir dessas fotosIsso pode ser evitado através da criação de um conjunto completo de filtros para cada elemento CCD individual, mas o design será complicado, caro e exige que esses filtros estejam localizados em algum lugar atrás dos elementos CCD, pois é necessário preservar a integridade da área de coleta de luz, que normalmente ocuparia um espelho ou lentes olhando para o céu. Este não é um obstáculo intransponível, mas, atualmente, não temos soluções para esse problema.
Os CCDs de grandes áreas são extremamente úteis para coletar e detectar luz e maximizar os benefícios de cada fóton de entrada individual. Mas sem um espelho ou lentes pré-focando a luz, a natureza omnidirecional do CCD não será capaz de produzir uma imagem significativa do objeto observado.2) O CCD não mede a direção da luz que entra. Para obter imagens significativas que combinam tão bem com os telescópios, eles precisam medir não apenas a intensidade e o comprimento de onda da luz que entra, mas também sua direção. As lentes e os espelhos têm uma propriedade maravilhosa - a luz proveniente de uma fonte extremamente distante, perpendicular ao plano do espelho, é focada de forma a entrar na câmera / placa fotográfica / CCD e a luz de outras direções não chega lá devido a reflexões e refrações. Para um CCD separado, não é assim: ele registra a luz de qualquer direção. Se você não colocar os raios em um feixe, não focalize a luz com antecedência, você verá um céu branco brilhante em todas as direções - nenhuma informação sobre a direção da luz será salva lá.
O esquema de operação do equipamento do telescópio solar McMas-Pierce , um telescópio com o maior túnel óptico do mundo. Até ele precisa de um espelho para obter imagens de alta qualidade.Você pode pensar que uma solução para esse problema seria construir um tubo opaco extremamente longo e perpendicular ao plano da matriz do CCD, mas isso também é um problema: sem lentes e espelho, a luz de tudo o que está no campo de visão cairá em cada pixel da sua matriz. Mesmo o eixo mais longo já construído para esse fim, o telescópio solar McMas-Pierce [comprimento do eixo 220 m / aprox. trans.], você ainda precisa de um espelho ou lentes para focalizar a luz. Esse é o maior problema no uso de uma matriz CCD sozinha para medir a luz e a principal razão pela qual você precisa equipá-la com um espelho ou lente.
A foto tirada na fábrica da Astrium em Toulouse mostra um conjunto de 106 CCDs que compõem o plano focal do telescópio espacial Gaia . Os CCDs são parafusados à sua estrutura de suporte (CSS). O CSS (uma placa cinza para CCD) pesa cerca de 20 kg e é feito de carboneto de silício (SiC), um material com notável estabilidade térmica e mecânica. Dimensões do avião: 1 × 0,5 m3) Os CCDs são muito caros para cobrir um círculo com um diâmetro de 10 metros. CCDs sozinhos são caros; um avançado CCD de 12 megapixels, com pixels (e micro-lentes cobrindo-os) medindo 3,1 mícrons de diâmetro, é
vendido por US $ 3.700 . Para cobrir uma área equivalente a um espelho de 10 metros, seriam necessárias 700.000 matrizes: esse custo está se aproximando de US $ 3 bilhões inaceitáveis.Para comparação, o telescópio extremamente grande europeu com um espelho principal com um diâmetro de 39 metros, juntamente com todo o observatório e equipamento,
é estimado em 1.083 milhões de euros - menos da metade da primeira quantia.
O diagrama mostra o mais recente sistema de cinco espelhos do telescópio extremamente grande da Europa. Antes de chegar aos instrumentos científicos, a luz é refletida primeiro por um espelho composto côncavo gigante com 39 m de diâmetro (M1), depois refletido por dois espelhos de 4 metros, convexo (M2) e côncavo (M3). Os dois últimos espelhos (M4 e M5) formam o sistema óptico adaptável embutido para obter imagens extremamente nítidas no plano focal final.A quantidade adicional de luz que entra no CCD sem espelhos seria pequena, porque a cada reflexão perdemos cerca de 5 a 10% da luz, mas ao mesmo tempo, alternando de 10 a 39 metros de diâmetro do espelho, aumentamos a quantidade de luz em 1500% ( mil e quinhentos por cento)! Simplificando, você pode gastar muito melhor dinheiro se seu objetivo é coletar mais luz e aumentar a resolução.
Na Terra, telescópios grandes e maciços geralmente não são um problema, desde que a forma dos espelhos seja mantida ideal para refletir a luz. Mas no espaço, o custo do lançamento é determinado pelo tamanho e peso, de modo que cada pequena economia vale muito4) Se você deseja economizar peso, existe uma solução melhor. O Telescópio Espacial Hubble era incrivelmente difícil de lançar e implantar, não apenas pelo tamanho, mas também pelo peso. A severidade do espelho principal foi um dos maiores obstáculos à missão. Mas no
telescópio James Webb, a área que coleciona luz será sete vezes maior que a do Hubble e pesará ainda menos da metade do seu antecessor maior. Qual é o segredo? Lance o espelho, modele-o, pola-o - e depois
perfure o material por trás .
Instalação do último, 18º segmento do espelho principal do telescópio James Webb. Capas escuras protegem os segmentos dourados dos espelhos, enquanto 92% do material original já foi removido pela parte traseira.No espaço, não há necessidade de combater a gravidade; portanto, não é necessária força estrutural especial para apoiar o telescópio. Depois de fabricar cada um dos 18 segmentos do telescópio James Webb, 92% da massa original foi perfurada do lado oposto do telescópio - isso tornou possível manter a forma da frente do espelho e economizar dramaticamente em peso.
Os interiores e o espelho principal do telescópio Grand Canary, proprietário do maior espelho do mundo (10,4 m)Há muitas razões pelas quais seria possível construir um telescópio sem lentes ou espelhos - a otimização em peso, custo, materiais, potência de coleta de luz, qualidade da imagem, resolução, em qualquer caso, exigirá alguns compromissos. Mas o fato de os CCDs sozinhos não poderem medir a direção da luz que entra é um grande problema para a criação de um telescópio sem espelho. Embora cada superfície do espelho a partir da qual a luz seja refletida leve à sua perda parcial, os espelhos continuam sendo a melhor maneira de obter imagens do Universo com alta resolução, excelente qualidade, com uma grande área de coleta de luz e custo relativamente baixo. Se o custo do CCD cair, se for possível construir uma grade do tamanho de um espelho de telescópio, e também será possível medir a direção da luz que entra em tempo real, será possível falar sobre algo. Mas até agora nenhum substituto está previsto para a ciência óptica. Mais de 300 anos após a primeira publicação do tratado revolucionário sobre a natureza da luz, as regras de Newton ao criar telescópios individuais ainda não foram derrotadas!
Ethan Siegel - astrofísico, popularizador da ciência, autor de Starts With A Bang! Ele escreveu os livros "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ] e "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].FAQ: se o Universo está se expandindo, por que não estamos expandindo ? por que a idade do universo não coincide com o raio de sua parte observada