O que é o Telescópio espacial Hubble?
O Telescópio Espacial Hubble (HST) é um satélite artificial não tripulado que carrega um grande telescópio para luz visível e infravermelha. Foi lançado pela NASA em 24 de abril de 1990 a bordo do Space Shuttle Discovery (em Portugal, Space Shuttle) (missão STS-31). O Hubble recebeu várias visitas da NASA em órbita para manter e substituir equipamentos desatualizados ou inoperantes.
O telescópio é a primeira missão da NASA a se enquadrar no programa Great Observatory, que consiste em quatro observatórios em órbita, cada um observando o universo em diferentes comprimentos de onda: luz visível, raios gama, raios X e infravermelho. Pela primeira vez, é possível observar e estudar com mais detalhes uma estrutura até então desconhecida ou raramente observada no universo fora da nossa galáxia. No geral, o Hubble oferece à civilização uma nova visão do universo e oferece o equivalente a um salto feito pelo telescópio Galileo Galilei no século XVII.
Desde a sua concepção original em 1946, os planos para construir um telescópio espacial encontraram vários atrasos e problemas orçamentários. Logo após o lançamento, o Hubble experimentou uma aberração esférica no espelho primário, o que parece ter comprometido todo o potencial do telescópio. No entanto, esta situação foi corrigida em 1993 por uma missão de Reparação de Equipamentos especialmente projetada, que continuou a operar conforme o planejado e se tornou uma ferramenta essencial para a astronomia. Imagine estar na década de 1940, projetado e construído entre as décadas de 1970 e 1980, e em operação desde 1990, o Telescópio Espacial Hubble recebeu esse nome em homenagem a Edwin Powell Hubble, que trabalhou determinando a velocidade em que as galáxias se separavam da sua distância.
A história do Telescópio Espacial Hubble remonta a 1923, quando Herman Obers (junto com Robert Goddard e Konstantin Tsiolkovsky considerado o pai do foguete moderno) publicou “Foguetes no Espaço Planetário” (Die Rakete zu den Planetenräumen), onde fala sobre como telescópios podem ser lançados na órbita da Terra por foguetes.
A astronomia baseada no espaço estava apenas começando nos anos após a Segunda Guerra Mundial, durante o qual os cientistas usaram tecnologia de foguete aprimorada. Em 1946, o astrônomo Lyman Spitzer escreveu “As vantagens astronômicas dos observatórios alienígenas”, no qual discutiu duas grandes vantagens dos observatórios espaciais sobre os telescópios terrestres: Primeiro, a resolução óptica (a distância mínima de separação entre os objetos em que estão) para manter uma distinção clara) será limitada apenas pela difração, não pela turbulência atmosférica que causa os fenômenos visuais. A resolução de telescópios terrestres é geralmente limitada a 0,5-1,0 segundos de arco, enquanto o valor teórico da resolução de difração é limitado a cerca de 0,1 segundos de arco para um telescópio com um espelho de 2,5 m de diâmetro. A segunda grande vantagem é a capacidade de observar os raios infravermelhos e ultravioletas que são fortemente absorvidos pela atmosfera. No mesmo ano, foi obtido o primeiro espectro ultravioleta do sol.
Vários eventos importantes ocorreram em 1962: a NASA lançou o Orbiting Solar Observatory para adquirir espectros de raios ultravioleta, raios X e gama; a Academia Nacional de Ciências publicou um relatório recomendando telescópios espaciais como parte integrante do programa espacial. O Reino Unido lançou um telescópio orbital como parte do programa espacial Ariel. [5] Em 1965, Spitzer, que dedicou grande parte de sua carreira a incentivar o desenvolvimento de observatórios espaciais, foi nomeado presidente do comitê que define os objetivos científicos dos grandes instrumentos.
Em 1966, foi lançado o primeiro Orbiting Observatory (OAO) da NASA, e três dias depois a bateria morreu e a missão terminou; mais tarde, o projeto de acompanhamento OAO-2 permitiu observações ultravioletas de estrelas e galáxias desde seu lançamento em 1968 a 1972, excedendo em muito a vida útil planejada de apenas um ano. Essas missões demonstram o importante papel que as observações espaciais podem desempenhar na astronomia. [5] Em 1968, a NASA começou a trabalhar em um telescópio espacial de 3 m de diâmetro, provisoriamente chamado de Large Orbiting Telescope ou Large Space Telescope (LST), programado para ser lançado em 1979.
Jornada de Financiamento
O sucesso contínuo do programa OAO encorajou um forte e crescente consenso na comunidade astronômica de que o LST deveria ser o objetivo principal. Em 1970, a NASA criou dois comitês, um para planejar os aspectos de engenharia do programa e outro para estabelecer metas científicas para a missão. Assim que esses comitês forem formados, o próximo desafio da NASA será obter financiamento para construir o instrumento, que será muito mais caro do que qualquer outro telescópio terrestre. O Congresso dos EUA questionou muitos aspectos do orçamento proposto do telescópio e implementou cortes orçamentários durante a fase de planejamento, que na época incluía um estudo muito detalhado de quais instrumentos e hardware o telescópio deveria incluir. Em 1974, os cortes no setor público iniciados por Gerald Ford forçaram o Congresso a cortar todo o financiamento do programa.
Em resposta, surgiu um esforço coordenado de lobby internacional entre os astrônomos. Muitos se encontraram pessoalmente com parlamentares e senadores e organizaram inúmeras petições. A Academia Nacional de Ciências publicou um relatório enfatizando a necessidade de telescópios espaciais, e o Senado finalmente aprovou um orçamento que seria metade do que o Congresso rejeitou.
As dificuldades de financiamento levaram a um downsizing do projeto, alterando o diâmetro do espelho de 3 m para 2,4 m para reduzir custos ou permitir uma configuração de hardware telescópico mais compacta. [10] Um protótipo menor (1,5 m) foi projetado para testar o sistema usado no satélite principal, mas foi descartado, e preocupações orçamentárias levaram a Agência Espacial Européia (ESA) a colaborar. A ESA concordou em fornecer alguns dos instrumentos para o telescópio, bem como as células solares para alimentá-lo, e ofereceu 15% do custo em troca de 15% do tempo de observação dos astrônomos europeus. [11] O Congresso aprovaria US$ 36 milhões em financiamento em 1978. O projeto do LST começou imediatamente, com um lançamento planejado em 1983. [9] Na década de 1980, o telescópio recebeu o nome de Edwin Hubble em reconhecimento às suas descobertas astronômicas revolucionárias, como a expansão do universo.
Uma vez aprovado o projeto, o trabalho na fase de construção é feito entre vários órgãos. O Marshall Space Flight Center é responsável pelo controle geral e controle de solo dos instrumentos científicos durante a missão. O Marshall Center contratou a empresa de óptica PerkinElmer para projetar o Optical Telescope Assembly (OTA) e o Fine Guidance Sensor. A Lockheed é responsável pela construção da espaçonave com o telescópio instalado.
A primeira etapa da construção do Telescópio Hubble.
O espelho primário do Hubble é polido pela PerkinElmer em Danbury, Connecticut, em maio de 1979.
Naves espaciais com telescópios e instrumentos instalados representam um grande desafio de engenharia. Ele deve suportar adequadamente as mudanças frequentes entre a luz solar direta e a escuridão sombria da Terra – que pode causar mudanças repentinas de temperatura – enquanto permanece estável o suficiente para permitir que o telescópio seja apontado com precisão. Uma manta isolante de várias camadas mantém a temperatura dentro do telescópio estável e envolve uma caixa de alumínio leve que abriga o telescópio e os instrumentos. Dentro desta blindagem, uma estrutura de grafite epóxi mantém as peças firmemente alinhadas.
Como os compostos de grafite são higroscópicos, o vapor de água absorvido pela estrutura durante a montagem pode ser liberado no vácuo do espaço; se isso acontecer, os instrumentos ficarão cobertos de cristais de gelo. Para reduzir esse risco, uma purga de nitrogênio foi realizada antes do lançamento.
Enquanto a construção da espaçonave estava progredindo bem, a Lockheed encontrou dificuldades de orçamento e cronograma e, no verão de 1985, a espaçonave foi construída 30% acima do orçamento, três meses atrasada. A Lockheed tende a seguir a liderança da NASA em vez de liderar a construção, disse um relatório.
Sistema óptico
Oticamente, o Hubble é um refletor do tipo Cassegrain com design Ritchey-Chrétien. Este design, com dois grandes espelhos hiperbolóides, é adequado para fotografar grandes campos de visão, mas a desvantagem é que é difícil de construir. Os sistemas relacionados à ótica e aos espelhos representam peças-chave e serão projetados com especificações muito rígidas. Em média, os telescópios usam polimentos de espelho com uma precisão de cerca de um décimo do comprimento de onda da luz visível. No entanto, como o Hubble será usado para observar na faixa de ultravioleta a infravermelho, com resolução dez vezes maior que a dos telescópios anteriores, os espelhos devem ser polidos com uma precisão de 10 nanômetros, cerca de 1/65 do comprimento de onda da luz vermelha.
A Perkin-Elmer planejava usar máquinas auxiliadas por computador extremamente sofisticadas para modelar os espelhos com as especificações desejadas, mas a Kodak também contratou a fabricação de espelhos sobressalentes usando a tecnologia da Perkin-Elmer se sua tecnologia se tornasse difícil. Polimento tradicional.
A construção do espelho começou em 1979 usando vidro de expansão ultrabaixa. Para minimizar o peso do espelho, ele é embalado em um sanduíche de duas folhas, com cerca de um centímetro de altura, com uma estrutura de favo de mel no meio. O polimento ocorreu de 1979 a maio de 1981. Mais tarde, relatórios da NASA questionaram a estrutura intermediária proposta pela PerkinElmer, o que gerou complicações na programação e no orçamento. Concluído no final de 1981, o espelho adicionou um revestimento refletivo de alumínio de 75 nm de espessura e um revestimento protetor de fluoreto de magnésio de 25 nm de espessura para aumentar a reflexão UV.
Em 24 de abril de 1990, o Hubble lançou a missão STS-31 a bordo do Discovery.
No entanto, com o aumento do orçamento e do cronograma para concluir a OTA, permanecem dúvidas sobre a capacidade da Perkin-Elmer de trabalhar em um projeto tão importante. Em resposta a esse cronograma, descrito como “desordenado e mudando diariamente”, a NASA atrasou o lançamento do telescópio até abril de 1985. A agenda de Perkin-Elmer continua a aumentar, aumentando a uma taxa de cerca de 1 mês a cada três meses, com atrasos ocasionais de um dia por dia de trabalho. Por causa disso, a NASA foi forçada a remarcar o lançamento para 1º de março de 1986. Neste ponto, o custo total do projeto atingiu US$ 1,175 bilhão. [23] Além disso, o software necessário para controlar o Hubble em terra não estava pronto em 1986 e não foi concluído até 1990. Para completar o quadro difícil, o acidente da nave Challenger ocorreu no mesmo ano, resultando em um procedimento de resfriamento do espaço. Eventualmente, depois que o ônibus espacial retomou o voo em 1988, o lançamento do telescópio foi remarcado para 1990. Finalmente, em 24 de abril de 1990, a missão STS-31 do Discovery lançou com sucesso o telescópio em sua órbita pretendida.
De uma estimativa de custo inicial de cerca de US$ 400 milhões, o telescópio custou mais de US$ 2,5 bilhões para ser construído. O custo acumulado do Hubble até hoje foi estimado entre 450 milhões e 6 bilhões de euros, com uma contribuição financeira adicional da Europa de 593 milhões de euros, até a estimativa de 1999.
O instrumento original
Missão Discovery STS-31 lança Hubble no espaço
No lançamento, o Hubble carregava cinco instrumentos científicos: a Wide Field and Planetary Camera (WF/PC), o Goddard High Resolution Spectrometer (GHRS), o High Speed Photometer (Photometer) (HSP), o Faint Object Camera (FOC) ) ) ) e o Espectrômetro de Objetos Fracos (FOS). O WF/PC é um dispositivo de imagem de alta resolução usado principalmente para observação óptica. Foi construído pelo Jet Propulsion Laboratory da NASA e contém um conjunto de 48 filtros para isolar linhas espectrais de significado astrofísico especial. O instrumento contém 8 chips CCD, divididos entre duas câmeras, cada câmera possui 4 CCDs. A câmera grande angular WF considera o campo grande angular em detrimento da resolução, enquanto a câmera planetária PC captura imagens em uma distância focal mais eficiente que o chip WF, proporcionando maior ampliação.
O GHRS é um espectrômetro projetado para operar no ultravioleta. Construído pelo Goddard Space Flight Center, tem uma resolução espectral de 90.000 e um FOC e FOS otimizados para observações ultravioleta, a resolução mais alta de qualquer instrumento Hubble. Em vez de usar um CCD, esses três instrumentos usam a contagem digital de fótons como detector. O FOC foi construído pela ESA, enquanto a Universidade da Califórnia, San Diego e a Martin Marietta Company construíram o FOS.
O instrumento final é o HSP projetado e construído pela Universidade de Wisconsin-Madison. Ele foi otimizado para observações de luz visível e ultravioleta de estrelas variáveis e outros objetos astronômicos de brilho variável. Pode levar até 100.000 medições por segundo com uma precisão fotométrica de cerca de 2% ou melhor. [29] O sistema de orientação HST também pode ser utilizado como instrumento científico. Seus três sensores de orientação fina (FGS) são usados principalmente para manter o telescópio apontado com precisão durante as observações, mas também podem ser usados para realizar astrometria extremamente precisa. Foi obtida uma medição de 0,0003 segundos de arco.
Nas semanas que se seguiram ao lançamento do telescópio, ficou claro pelas imagens retornadas que havia sérios problemas com a ótica. Embora as imagens inicialmente parecessem mais nítidas do que as tiradas no solo, o telescópio não conseguiu focar com a precisão esperada. A imagem de fonte pontual tem um raio de propagação de mais de 1 segundo de arco, em vez de ter uma função de dispersão de ponto (PSF) dentro de um círculo de diâmetro de 0,1 segundo de arco, conforme especificado na especificação do projeto.
Comparação de imagens antes e depois da correção de falhas no espelho
A análise da imagem borrada revelou que a causa do problema foi a forma errada de construção do espelho primário. Embora possa ser o espelho construído com mais precisão já construído, com um desvio de apenas 10 nanômetros da curva prevista, suas bordas são muito planas em cerca de 2.200 nanômetros (2,2 micrômetros). Esta diferença é catastrófica e produz graves aberrações esféricas.
A falha do espelho tem relativamente pouco efeito nas observações de alta resolução de objetos e espectros brilhantes; no entanto, a perda de luz no grande halo fora de foco ao seu redor reduz severamente a utilidade do telescópio para objetos de baixo brilho ou imagens de alto contraste. Isso significa que quase todos os projetos cosmológicos são praticamente inviáveis porque exigem olhar para objetos extremamente pálidos. A NASA e o telescópio têm sido alvo de muitas piadas, e o projeto é amplamente visto como um elefante branco. Por exemplo, na comédia de 1991 The Naked Gun 2 ½: The Smel of Fear, Hubble foi comparado ao Titanic, Hindenburg e Edsel. Ainda assim, durante os primeiros três anos da missão do Hubble, e mesmo antes das correções ópticas subsequentes, o telescópio conseguiu fazer uma série de observações produtivas. Este erro é bem caracterizado e estabilizado, permitindo que os astrônomos otimizem os resultados obtidos por meio de técnicas sofisticadas de processamento de imagens de compensação.
Para corrigir o problema de aberração esférica, foi estabelecido um sistema de substituição axial do telescópio espacial óptico corrigido (COSTAR), que consistia em dois espelhos de compensação de falhas.
Para ajustar o sistema COSTAR no telescópio, um dos outros instrumentos teve que ser desmontado, e os astrônomos optaram por sacrificar o fotômetro de alta velocidade. Várias missões de ônibus foram lançadas para reparos, substituições de instrumentos e outros ajustes.
