Por que o telescópio James Webb mostra as estrelas com oito pontas:app estrelabet

Vamos responder a essas perguntas abordandoapp estrelabetdetalhes a ótica deste incrível telescópio espacial.

Os instrumentos ópticos do James Webb

A formaçãoapp estrelabetuma imagem pode ser entendida como um processo simples no qual a luz que vemapp estrelabetum objeto é projetadaapp estrelabetum plano.

Para fazer a correspondência entre o objeto e o plano, é necessário um sistema óptico, que, no caso dos telescópios mais simples, é composto por dois elementos: ocular e objetiva. Sua finalidade é permitir uma focalização correta do objeto.

No caso da imagem digital (como as que fazemos com nossos celulares), essa luz é captada por um sensor cujo objetivo é transformar a energia luminosaapp estrelabetuma imagem digital. Geralmente, distinguimos entre sensores tradicionais baseadosapp estrelabetdispositivosapp estrelabetcarga acoplada (CCD, na siglaapp estrelabetinglês) e os formados por semicondutoresapp estrelabetóxido metálico (CMOS).

Nesse sentido, o Telescópio Espacial James Webb incorpora quatro instrumentos-chave baseadosapp estrelabetsensores ópticos para observar o cosmos no infravermelho:

1. MIRI (instrumento para observaçãoapp estrelabetinfravermelho médio): abrange uma faixaapp estrelabetcomprimentoapp estrelabetondaapp estrelabetcinco a 28 mícrons. Permitirá a observaçãoapp estrelabetgaláxias distantes e estrelasapp estrelabetformação.

2. NIRCam (câmeraapp estrelabetobservaçãoapp estrelabetinfravermelho próximo): esta câmera permitirá a observação dos objetos mais distantes no espaço, na faixaapp estrelabetespectroapp estrelabet0,6 a 5 mícrons.

3. NIRSpec (espectrômetroapp estrelabetinfravermelho próximo): é o único instrumento que não contém uma câmera e será capazapp estrelabetanalisar os diferentes comprimentosapp estrelabetondaapp estrelabetfontesapp estrelabetemissão muito distantes. Você pode observar 100 objetos ao mesmo tempo.

4. FGS/NIRISS (sensoresapp estrelabetalinhamento e imagensapp estrelabetinfravermelho próximo): permitirá que o telescópio seja alinhado corretamente para obter imagensapp estrelabetalta qualidade, especialmente a detecção e caracterizaçãoapp estrelabetexoplanetas na faixaapp estrelabet0,8 a 5 mícrons.

A resposta está na difração

Quando o James Webb registra a imagemapp estrelabetuma estrela, a difração da luz (devido à geometria hexagonal do espelho primário do telescópio) é a causaapp estrelabetum padrão típicoapp estrelabetformaapp estrelabet"estrelaapp estrelabetoito pontas".

Masapp estrelabetque consiste exatamente esse fenômeno ópticoapp estrelabetdifração?

A definição é simples, embora seu tratamento matemático possa ser bastante complexo. A difração é o desvio na propagação retilínea das ondas (no nosso caso, ondasapp estrelabetluz) quando passam por uma abertura ou pelas bordasapp estrelabetum obstáculo.

Como exemplo geral, nesta animação você pode ver como as oscilações da água (vindas da direita) são difratadas por uma pequena abertura, mudandoapp estrelabetdireçãoapp estrelabetpropagação.

Este fenômeno é mais evidente quando as dimensões do objeto difratado são menores ou iguais ao comprimentoapp estrelabetonda das oscilações.

Inicialmente observada e descrita no século 17 pelo astrônomo italiano Francesco María Grimaldi, a difração da luz é uma clara manifestação da teoria ondulatória das ondas luminosas defendida, entre outros, por Christian Huygens, Thomas Young e Agustin Fresnel (em oposição à teoria corpuscular da luzapp estrelabetIsaac Newton).

Na vida cotidiana, muitos fenômenosapp estrelabetdifração podem ser observados: se olharmos para um poste à noite atravésapp estrelabetum mosquiteiro (formado por uma malha quadrada), podemos ver uma espécieapp estrelabetcruz. Quando iluminamos um disco compacto com luz branca, apreciamos uma ampla gamaapp estrelabetcores.

A difração não depende apenas do tamanho da abertura ou obstáculoapp estrelabetdifração, mas também tem uma influência significativa da geometria. No casoapp estrelabetum telescópio espacial do tipo refletor, a maior carga difrativa é devida ao espelho primário.

Nesses espelhosapp estrelabetgeometria circular, o padrão difrativo consisteapp estrelabetuma sérieapp estrelabetcírculos concêntricos, sendo o central oapp estrelabetmáxima intensidade (também chamadoapp estrelabet"discoapp estrelabetAiry").

Para geometrias quadradas, a imagemapp estrelabetdifração é formada por uma cruz. No casoapp estrelabetquestão, a geometria hexagonal do espelho primário do telescópio gera uma imagemapp estrelabetdifraçãoapp estrelabetestrelaapp estrelabetseis pontas.

O que acontece então com a imagem estreladaapp estrelabetoito pontas gravada pelo James Webb?

A chave está nos suportes do espelho primário (struts,app estrelabetinglês) que também contribuem para a difração do telescópio. Como consequência, dois pontos horizontais aparecem cruzando os 6 mencionados anteriormente.

Por isso, as imagens estelares registradas por seu antecessor, o Telescópio Espacial Hubble (com um espelho primário quase circular), apresentam imagens estreladas com quatro pontos (levandoapp estrelabetcontaapp estrelabetgeometria e seus suportes) e não oito, como o James Webb.

Relevância dessas novas imagens

Observar o universo mais profundo equivale a estudar o universo mais antigo e primitivo, exatamente quando as primeiras galáxias estavam se formando.

Não é apenas o fatoapp estrelabetque olhando para a imagem do aglomeradoapp estrelabetgaláxias SMACS 0723 encontramos galáxias novas e desconhecidas - estamos entrando nos primeiros momentos do universo.

A luz infravermelha detectada pelo James Webb levou 13 bilhõesapp estrelabetanos para alcançá-lo (a idade do universo éapp estrelabetcercaapp estrelabet13,7 bilhõesapp estrelabetanos).

Sabe-se que os cientistas da NASA que tiveram acesso a essas primeiras imagens se emocionaram com a qualidade e beleza delas. Será apenas um primeiro passo no progresso da observação do cosmos.

Sem dúvida, as próximas capturasapp estrelabetJames Webb continuarão a nos emocionar, pelo menos tanto quanto a primeira.

*Este artigo foi publicado originalmente no The Conversation. Você pode ler a versão original (em espanhol) aqui.

Oscar del Barco Novillo é professor associado na áreaapp estrelabetÓptica da Universidadeapp estrelabetMúrcia (Espanha).

Francisco Javier Ávila Gómez é professor assistente, doutorapp estrelabetfísica aplicada (áreaapp estrelabetóptica) na Universidadeapp estrelabetZaragoza (Espanha).

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