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quarta-feira, 12 de setembro de 2012

Um Espelho para o Cosmo - Astronomia



UM ESPELHO PARA O COSMO - Astronomia



A saga da construção do Telescópio Espacial Hubble, o mais perfeito instrumento ótico já construído, é um prodígio de rigor e criatividade.

Há três anos os astrônomos esperam por esse dia. Finalmente, se não surgirem novos problemas, em março 1990 o Telescópio Espacial Hubble foi despachado ao espaço, embalado na nave tripulada Discovery; para ficar em órbita da Terra, a 550 mil metros de altitude. Com o lançamento prejudicado pelos sucessivos atrasos no programa espacial americano, o telescópio repousou num galpão esterilizado na Califórnia. Quase tão fascinante quanto as descobertas que graças a ele será possível realizar foi sua construção, que levou cinco anos. A começar pela  manufatura do seu espelho principal, cuja superfície refletirá e focalizará a luz dos astros, que será depois transmitida à Terra como uma emissão de TV. O jornalista americano Terry Dunkle acompanhou a aventura. Seu relato:
Em 1981, quando foi escolhida pela NASA para executar o projeto do espelho do Hubble, a Perkin-Elmer Corporation, empresa americana especializada em instrumentos óticos e eletrônicos, teve que deixar de lado todas as outras encomendas. Um exército de engenheiros desenhou então um tubo de 13 metros de comprimento , dotado de sensores capazes de focalizar um vaga-lume a milhares de quilômetros.  Esse tubo serviu de abrigo ao espelho de 2m47 metros de diâmetro, no formato de uma rodela de abacaxi com um furo no centro. Quando o telescópio ficou pronto, cinco anos e 1,5 bilhão de dólares depois, estava preparado para enxergar o espaço com uma nitidez sete vezes maior do que qualquer outro equipamento semelhante já construído pelo homem.
Mas a manufatura do espelho- um trabalho caro e artesanal - havia começado alguns anos antes, em 1977, quando foi feita a moldagem do vidro. Para que o conjunto do Hubble, um engenho de 11 toneladas, não ficasse ainda mais pesado, o que causaria problemas no espaço, o espelho não foi projetado como um corpo sólido, mas como duas finas fatias de silicato de titânio - material de pouca dilatação térmica -, feito um sanduíche recheado de ar. Como as duas fatias não poderiam encostar uma na outra, foram colocados ali tubos de vidro, que deram ao conjunto a aparência de uma sofisticada embalagem de ovos. Assim, o espelho é 90 por cento ar. Até a curva quase hiperbólica do vidro foi obtida aquecendo-se e moldando-se o ar na forma de um telhado de cogumelo.
Até o momento em que se começou a construir o Hubble, ninguém havia pensado em fazer algo semelhante. Por isso, a NASA se cercou de todos os lados: além de encomendar a peça à Perkin-Elmer, pediu outra à empresa rival, Eastman-Kodak, reservando-se o direito de ficar com aquela que fosse de qualidade superior. Pode-se portanto imaginar o nervosismo do engenheiro Jack Kurdock, da Perkin-Elmer, quando num dia cinzento de novembro de 1981, junto com três companheiros de equipe, se preparava para cobrir o espelho com uma camada refletora de alumínio. Se o trabalho apresentasse qualquer defeito, estaria prejudicado o sonho daqueles técnicos de ajudar os astrônomos a ver mais longe no espaço e no tempo, quem sabe até o início do Universo.
Para que o telescópio funcionasse direito, isto é, transformasse em estrelas e galáxias os brilhos captados a milhares de anos-luz de distância, o espelho principal deveria aproveitar o máximo da luz coletada. E o máximo de aproveitamento só poderia ser obtido se o espelho fosse um bom refletor, algo que o desempenho do engenheiro Kurdock precisaria garantir. "Ele teria de refletir pelo menos 70 por cento da luz no ultravioleta", lembra o engenheiro. "Mas essa porcentagem é maior do que aquela obtida em qualquer telescópio feito anteriormente".
A fim de vencer esse desafio, as especificações da cobertura eram as mais exigentes que Kurdock, um homem calmo, com pelo menos vinte anos de experiência nesse tipo de serviço, já tinha enfrentado. Para começar, a Perkin-Elmer necessitou construir uma câmara de vácuo espacial, de quase dois andares, com paredes de aço de 2 centímetros de espessura e uma grande janela no teto. "Era nessa fenda que o espelho entrava", explica Kurdock. Ele mostrou como o grande disco, a rodela de abacaxi, era colocado num anel gigantesco de metal, capaz de transportá-lo feito um elevador até a base da câmara. Ali ficavam oito recipientes cheios de alumínio, ligados a canhões de elétrons.
Se a superfície do espelho contivesse qualquer traço de poeira, esta se vaporizaria na câmara de vácuo e cobriria o espelho com uma fina camada de moléculas de hidrocarbonetos. Por isso, o disco teria de ser lavado com água destilada e colocado para secar como um lençol no varal. Mas havia um problema: sendo ele muito pesado para ficar de pé, corria o risco de se espatifar depois do banho. Daí, foi necessário desenhar uma espécie de fôrma de bolo feita de aço, que, ajustada nas costas do espelho (que não receberia cobertura), ajudaria a distribuir o peso e a eliminar a tensão. Todos os passos da operação limpeza foram cuidadosamente planejados. "Existia o perigo real de deixar cair o espelho nessa fase", comenta Kurdock, lembrando-se de um incidente infeliz ocorrido no passado.
Alguns anos antes, com efeito, a Perkin-Elmer fora escolhida para fazer o espelho de quase 1 metro do telescópio Copernicus, também da NASA. Em dado momento do processo, quatro operários tiveram de transportá-lo. Um deles tropeçou e o espelho caiu, espalhando vidro para todos os lados. "Quando se trabalha com um material tão delicado, você tem de estar pronto para problemas desse tipo", diz o resignado Kurdock. O próprio espelho do Hubble já tinha pregado algumas peças. Numa primeira fase, que durou dois anos, ele foi polido, para perder qualquer rugosidade. Certa vez, durante uma inspeção de rotina, um dos operários percebeu logo abaixo da superfície gelada do vidro um risco finíssimo que refletia a luz de uma forma que lembrava uma xícara de chá.
"Foi um momento de pânico", recorda Ronald Rigby, engenheiro-chefe encarregado dessa parte da operação. Num grande pedaço de vidro, até o risco mais fino significa um desastre. Uma mudança de temperatura, por exemplo, pode abalar a estrutura do espelho e provocar uma rachadura monstruosa. Assim, se a xícara de chá não fosse removida e a ferida isolada, o risco poderia crescer. O problema era tão sério que quase provocou uma briga entre as pessoas que trabalhavam no projeto. Rigby queria atacar o vidro com uma broca e fazer um buraco que isolasse totalmente a área. Outro engenheiro, cujo trabalho era prever se o Hubble poderia sobreviver ao lançamento na Atlantis, temia os prejuízos que essa abertura traria ao espelho.
Por isso, ele preferia não abrir buraco algum, mas usar a broca em volta da fatia do espelho atingida, e somente ao redor do risco. Embora causasse menos estrago, essa solução representava outro sério perigo, pois a pressão da ferramenta em volta da xícara de chá poderia provocar uma grande rachadura. Mesmo assim, foi a técnica escolhida. Isso porque o buraco que Rigby pretendia fazer poderia poluir com poeira de vidro o interior praticamente oco do espelho. No espaço, a poeira flutuaria pelo telescópio, prejudicando irremediavelmente seu foco. Assim, após três semanas de discussão e pânico, eles arriscaram a operação limpeza por cima. Em seguida, fazendo figa, esperaram pelo crack da rachadura - que, afinal, não aconteceu.
Apesar disso, muita gente na Perkin-Elmer ficou irritada com a alteração. Deixem para lá, disse Rigby, com a experiência de 25 anos na manufatura de espelhos de telescópios. "Quando terminarmos, vocês se lembrarão dela como de uma verruga no ombro de uma mulher bonita". Ele se referia à fase final do polimento, para a qual foi construída uma espécie de cama de faquir, feita de barras de titânio, tendo em cada ponta uma safira, ajustada nas costas do espelho. Custo da peça: 2 milhões de dólares. Apoiado confortavelmente por baixo nessa cara armação, que permitia que a pressão exercida sobre o disco obedecesse à curvatura da superfície, o espelho foi esfregado dia e noite durante meses.
Foi uma tarefa exaustiva e irritante. O polimento exige uma técnica curiosa, que consiste em esfregar milímetro por milímetro do disco de vidro, coberto com uma substância abrasiva, no caso um pouco de piche. Para que o piche não risque o vidro, usa-se sobre ele um pó que pode ser - por incrível que pareça - rouge. Utilizando um dispositivo de laser que, ao bater na superfície do vidro, produzia uma série de padrões de interferência, os engenheiros foram capazes de descobrir irregularidades de bilionésimos de milímetro. Fazendo uma comparação, eles calcularam que se o espelho tivesse o tamanho do golfo do México suas ondas não teriam mais de 1 milímetro de altura. Diante de tamanha perfeição, a responsabilidade final de todos ficou ainda maior. Quando chegou o grande dia da cobertura, em novembro de 1981, o disco, impecavelmente limpo e polido, foi instalado na câmara de vácuo.
Durante uma semana, bombas tiraram todo o ar interno, até que a pressão ficou mil vezes menor do que aquela que o telescópio encontrará a 550 mil metros da Terra. Em seguida, a equipe de Kurdock começou a rodar o espelho devagar, a fim de obter uma cobertura uniforme. Foram ligados os canhões de elétrons para que os raios de alta energia vaporizassem o alumínio. Este, tornando-se mais leve, se elevaria, agarrando-se ao vidro. A camada de alumínio não deveria ter mais de 80 nanômetros - cada nanômetro vale um milionésimo de milímetro - e seria protegida por uma camada de fluoreto de magnésio.
Três minutos depois de iniciada a operação, tudo estava terminado. Aberta a câmara, os técnicos entraram para ver o resultado da obra. Por um instante, pensaram que alguém havia roubado o espelho. Nada ali era visível, apenas um teto inexplicavelmente alto. "Percebi depois que estava olhando para um reflexo num espelho com um brilho fantástico", conta Kurdock. Mais tarde, os testes mostraram que a cobertura tinha 80 por cento de reflexão, dez a mais do que a NASA havia exigido. Os astrônomos sonhavam com um aproveitamento de 47 por cento da luz coletada pelo telescópio. Conseguiram 57 por cento.
É claro que, depois de uma obra dessas, Rigby e Kurdock foram promovidos. O primeiro está supervisionando para a NASA a construção do futuro telescópio espacial de raios X. Mas, quando se lembra do grande espelho do Hubble, nem ele consegue acreditar que tenha sido capaz de executar tamanha maravilha. "Nunca verei outro espelho como aquele", afirma Rigby, nostálgico. Ao que Kurdock responde com uma risada, lembrando os anos de agonia para construí-lo: "Eu também espero que nunca mais". O engenheiro William Fastie, da NASA, que acompanhou o trabalho, dá o veredicto final: "O Telescópio Espacial Hubble tem o espelho mais perfeito já construído. Não tenho dúvidas de que com ele enxergaremos centenas de milhões de anos-luz além do que esperávamos". 

A odisséia do Hipparcos

No jogo arriscado das expedições ao espaço, muitas vezes a euforia e a decepção viajam de mãos dadas. Euforia era o que não faltava, por exemplo na noite de 8 de agosto, na base de Kourou, na Guiana Francesa. Era o lançamento do foguete Ariane-4, levando a bordo o satélite Hipparcos, a estrela do programa da agência espacial européia (ESA). O lançamento prometia colocar em órbita a 36 mil quilômetros da Terra o Hipparcos, um projeto de dez anos e 390 milhões de dólares. Seu grandioso objetivo: elaborar um catálogo da posição das estrelas no céu, com precisão 50 vezes maior do que a obtida pelos melhores observadores.
Mas as semanas que se seguiram à euforia do lançamento foram de decepção. Uma falha no seu motor principal obrigou o Hipparcos a habitar uma órbita elíptica a meros 200 quilômetros da Terra na sua passagem mais próxima. As tentativas para reativar o engenho fracassaram e o motor auxiliar só poderia elevar o satélite a 800 quilômetros. A essa altura, ele seria obrigado a atravessar o cinturão de Van Allen - zona carregada de partículas que envolve a Terra e que poderia prejudicar seus painéis solares.
O Hipparcos, sigla em inglês de Satélite de Coleta de Paralaxe de Alta Precisão, também presta uma homenagem ao astrônomo grego Hiparco, que, dois séculos antes da era cristã, foi o primeiro a determinar a posição das estrelas. Hiparco ainda calculou a distância da Terra à Lua, medindo o paralaxe lunar, o ângulo formado pelo seu deslocamento aparente como resultado do movimento da Terra em relação ao Sol. O satélite europeu foi concebido para usar os mesmos métodos a fim de localizar 120 mil estrelas num raio de 3 mil anos luz do sistema solar.
O Hipparcos deveria observar cada estrela de dois pontos opostos na rotação da Terra em volta do Sol. A cada vez, a estrela estará situada em posição diferente em relação aos astros mais afastados. Calculando-se o ângulo formado por essa variação, obtém-se sua distância real. O telescópio é um monumento à precisão: instalado na Torre Eiffel, em Paris, enxergaria uma moeda na mão de uma pessoa no topo do Empire State Building, em Nova York, a 7 mil quilômetros. Se ele sobreviver pelo menos seis meses na órbita em que o mau motor o deixou, cumprirá a missão pela metade. Para a astrônoma Ana Stefanovitch, do Observatório de Medon, em Paris, "ainda assim seu catálogo será duas vezes melhor do que os que temos agora".

O que é o quê no Hubble

O Telescópio Espacial é um grande tubo de 13 metros de comprimento. A luz que entra pela abertura bate no espelho principal e se reflete num outro menor, o secundário. Depois volta e atravessa o orifício do espelho principal para se concentrar nas câmaras e outros instrumentos científicos. Controladores da Terra mandam instruções por rádio aos computadores de bordo. Por sua vez, as imagens do Hubble, traduzidas em sinais digitais, são transmitidas para as antenas da NASA.
1 - Abertura
Fecha automaticamente para proteger os instrumentos sensíveis, caso o espelho focalize o Sol por acidente.
2 - Painéis solares
Abastecem o telescópio da energia necessária à operação dos equipamentos.
3 - Espelho principal
A cobertura permite detectar, além da luz visível, a luz ultravioleta.
4 - Antena de rádio
Faz ligação com a Terra: o Hubble é capaz de transmitir 1 milhão de unidades de informação por segundo.
5 - Espelho secundário
Colocado 5 metros à frente do principal, ajuda a focalizar a luz nos instrumentos de bordo.
6 - Câmaras
A primeira câmara obtém as imagens mais vistosas. A segunda capta o brilho de objetos pouco luminosos e distantes.
7 - Fotômetro
Permite medidas precisas da intensidade da luz dos astros - um dado importante para determinar sua posição no espaço.
8 - Espectrógrafos
Medem a composição química dos astros. Podem assim obter informações sobre seus movimentos, temperatura e características físicas.

Câmaras, ação, luzes

No fim da década de 20, o astrônomo americano Edwin Hubble (1889-1953) comprovou que o Universo conhecido não é estático, mas continua a se expandir desde que teria surgido de uma explosão inicial que espalhou partículas elementares por todos os lados. Ele sustentou também que a Via Láctea é apenas uma entre milhares de galáxias em expansão. Agora, a expectativa dos cientistas que deram o nome de Hubble ao mais importante instrumento astronômico da atualidade é utilizá-lo para viajar ao passado e chegar o mais rápido possível ao momento do tão falado Big Bang, há cerca de 15 bilhões de anos. Como isso será possível?
Livre do embaçamento da atmosfera da Terra, que bloqueia uma parte da luz visível e quase toda a radiação ultravioleta, o Hubble poderá multiplicar por cinqüenta o número de corpos celestes ao alcance dos dois maiores telescópios do mundo - o de Palomar, na Califórnia, Estados Unidos, com lentes de 5 metros de diâmetro, e o de Zelenchukskaya, no Cáucaso, União Soviética, com lentes de 6 metros. Desse modo, os quasares, os mais remotos pontos luminosos já observados, a pelo menos 12 bilhões de anos-luz da Terra, podem aparecer como galáxia no auge da juventude.
Ao enxergar mais longe no espaço, os astrônomos estarão flagrando os objetos celestes como eram em épocas anteriores, por causa do tempo que a luz demora para atravessar distâncias cósmicas. "É impossível prever todas as maravilhas ao alcance do Hubble", entusiasma-se Lyman Spitzer, astrônomo da Universidade de Princeton, nos Estados Unidos, considerado o idealizador do Telescópio espacial. Spitzer lembra que, "antes das observações feitas com o telescópio Monte Palomar, há menos de trinta anos, os próprios quasares eram desconhecidos".
Apesar disso, a anatomia do Hubble nada tem de especial. Trata-se de um telescópio refletor comum, conhecido como Cassegrain, em homenagem ao físico francês do século XVII, inventor do modelo, que usa a combinação ótica de dois espelhos. Os raios luminosos vindos dos astros focalizados batem no espelho principal de 2,4 metros, côncavo, e se refletem em outro menor, de 30 centímetros, convexo, colocado num tubo 5 metros à frente. Em seguida voltam e atravessam um orifício central de 60 centímetros do espelho maior para enfim se concentrar no compartimento dos aparelhos. Ali, um fotômetro e dois espectrômetros analisam a luz para determinar a composição química e a velocidade dos corpos observados, enquanto duas câmaras fotografam os astros na luz visível, no ultravioleta e no infravermelho.
A primeira câmara, de grande alcance, capta todos os raios luminosos. A segunda, mais seletiva, capta brilhos muito fracos. Como acontece nos melhores telescópios terrestres, as câmaras do Hubble usarão dispositivos do tipo CCD, semelhantes a câmaras de vídeo e cuja sensibilidade é cinqüenta vezes superior à dos filmes fotográficos. Painéis solares com 2,4 quilowatts de capacidade serão responsáveis pelo abastecimento de energia. Além desses equipamentos, o Hubble terá um sensor estelar e um giroscópio, que permitirão a sua extraordinária pontaria. Assim, durante os quinze anos de vida útil do engenho, galáxias hoje indistintas nos telescópios comuns se revelarão como uma multidão de estrelas. E, se existirem, até sistemas planetários desconhecidos poderão aparecer em torno de estrelas próximas do Sol.
Se o Hubble estivesse na Terra, bastaria aos astrônomos apontá-lo para o ponto desejado, na ocasião e hora propícias, a fim de fazerem as suas observações. Mas, estando ele a 550 mil metros do planeta, as operações de manobra do instrumento,. como se pode imaginar, serão um pouco complicadas. Segundo o astrônomo brasileiro Francisco Jablonski, do Instituto de Pesquisas Espaciais (INPE), "vão exigir paciência, planejamento exaustivo e um complexo programa de computador para tratamento e análise de dados". Por esses motivos, a NASA criou o Instituto de Ciências do Telescópio Espacial, em Baltimore, Maryland.
Ali, centenas de astrônomos já estudam as propostas de utilização do Hubble, apresentadas por cientistas do mundo todo, e planejam a sua movimentada agenda de trabalho. O astrônomo Ivo Busko, também do INPE, é o único brasileiro a participar dessa fase da operação. Ele está ajudando a criar um catálogo de referência das estrelas, uma espécie de enciclopédia do espaço, guardada em discos óticos. Com os dados desse catálogo, os astrônomos poderão ter em mãos um mapa tridimensional das vizinhanças dos astros que pretendem observar. Esperava-se que outras informações igualmente inéditas fossem fornecidas pelo satélite francês Hipparcos, lançado no mês de agosto último.
Quem quiser o auxílio do Telescópio Espacial para suas observações terá de entrar numa extensa fila de espera: uma primeira triagem selecionou 162 projetos de pesquisa. Os cinco instrumentos de Hubble têm dezenas de modos de operação que envolvem diferentes combinações de filtros, aberturas e foco. Todas as comunicações com o telescópio serão feitas via rádio pela antena rastreadora de satélites da NASA no Novo México e controladas pelo Centro Espacial Goddard em Maryland. Ou seja, tanto as instruções da Terra como a transmissão de imagens do espaço se darão nos moldes habituais dos satélites de comunicação.

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