Guia de apoio ao professor - if

Roteiro da Aula 4.
A imagem astronômica e o processo de sua obtenção.
Objetivos:
Apresentar a importância da utilização de instrumentos ópticos para observação das fontes
astronômicas, discutindo também a necessidade da obtenção da imagem como dado astronômico.
Discorrer sobre o processo de obtenção da imagem astronômica, apresentando os tipos de telescópios, os
dispositivos CCD e os processos físicos envolvidos no imageamento. Discutir a importância e a influência
da atmosfera terrestre para a Astronomia, explorando a necessidade de se enviar telescópios para o
espaço.
Instrumentos:
Apresentação de computador, animações em flash, computadores com acesso à internet, roteiro
impresso.
Desenvolvimento:.
Esta aula se inicia com a discussão da necessidade de se observar o céu com auxílio de
instrumento, pois o nosso instrumento nato – o olho – capta uma quantidade de luz (informação)
limitada que penetra pela pupila. Os telescópios podem ter seus diferentes desenhos ópticos abordados
pelo professor, dependendo – entre outras coisas – do nível da turma. O imprescindível é mencionar que
há dois tipos – refrator e refletor – sendo que o sistema óptico do primeiro é composto exclusivamente
por lentes e o do segundo por lentes e espelhos.
Uma maneira satisfatória de explicar como o telescópio amplia o sinal recebido do objeto é
comparar a quantidade de luz que o telescópio é capaz de captar com relação ao olho humano. Nesse
momento vale lembrar que a quantidade de luz captada é proporcional à área da abertura por onde a luz
entra. No telescópio, o dispositivo principal – a lente objetiva ou o espelho primário – é responsável pela
coleta da luz. A luz captada é direcionada para um ponto dentro do tubo do telescópio e é um outro
dispositivo – a lente ocular – quem amplia a imagem do objeto a partir da luz coletada.
As animações em flash disponíveis na apresentação são bastante claras, mostrando o
comportamento dos raios luminosos ao incidirem sobre a abertura do telescópio. No caso do sistema
refrator, consideramos relevante levantar a questão da aberração cromática. Este defeito inerente aos
telescópios refratores se deve ao fato de que o índice de refração de uma lente é diferente para cada
comprimento de onda da luz. É interessante comentar que a aberração cromática está relacionada com a
dispersão da luz – fenômeno estudado no Ensino Médio. Então, novamente, essa aula abrange uma
fração substancial do conteúdo de Óptica ensinado na disciplina de Física.
Acerca do esquema óptico do sistema refletor, mostramos dois tipos de foco – o newtoniano e o
Cassegrain, mas não discutimos as vantagens e desvantagens de cada um.
Depois de abordada a necessidade dos instrumentos ópticos, sua vantagem ante a vista
desarmada e os tipos de telescópios, discute-se a magnificação, infelizmente de forma pragmática, pois o
tempo disponível é escasso e o mais importante do ponto de vista conceitual já foi tratado. No entanto,
apresentar a ideia da magnificação é necessário, expondo que o aumento de um telescópio dependerá da
relação entre o dispositivo principal – que tem a função de captar a luz – e a lente ocular.
Nesse aspecto, é necessário definir o conceito de distância focal de uma lente ou de um espelho,
que é a distância entre a lente ou o espelho e o ponto onde os raios luminosos convergentes se
encontram.
O professor deve mencionar que o aumento é dado pela razão entre a distância focal da lente
objetiva ou do espelho primário (F) e a distância focal da lente ocular (f).
Aumento=
F
f
E que, sendo assim, quanto maior for a distância focal da objetiva ou do espelho primário de um
telescópio, maior será sua capacidade de magnificação, fixada a distância focal da lente ocular.
Naturalmente deve se levantar a questão de que a abertura do telescópio (D) também interfere
na qualidade da imagem que será formada pelo instrumento. Dá-se o nome de razão focal (F/n) à
n=
F
D
grandeza que relaciona a abertura do telescópio com a distância focal do mesmo.
Uma vez explorada essa questão inicial da necessidade do telescópio e de seu funcionamento,
entra a questão do detector. Para a obtenção da imagem astronômica como dado científico é necessário
um detector: o dispositivo chamado CCD (dispositivo de carga acoplada) funciona convertendo um sinal
luminoso em um sinal de corrente elétrica. O CCD é feito de um material semicondutor, o Silício, que
apresenta elétrons que só conduzem corrente elétrica quando estão excitados. No caso do detector que
se acopla ao telescópio, quem excita os elétrons do Silício são os fótons provenientes da fonte
astronômica. Assim, o CCD é um placa de Silício composta por pixeis que indicam um sinal de corrente
quando atingidos por fótons. Esse sinal de corrente é interpretado por um computador que produzirá a
imagem final.
Sobre esse processo de produção da imagem, é interessante salientar a necessidade de se obter
imagens de calibração que garantam que a sensibilização dos pixeis é fidedigna à fonte astronômica.
Sabemos que os elétrons do Silício podem ser excitados recebendo energia térmica e mesmo sabendo
que o CCD é mantido a baixíssimas temperaturas é preciso obter uma imagem de calibração que
carregue informação sobre como a excitação térmica está ocorrendo no dispositivo, para saber a
influência dela no imagem obtida. Além do ruído térmico, há que se considerar que nem todos os pixeis
do CCD respondem da mesma maneira à incidência de fótons, portanto uma das imagens de calibração
deve ser feita com o CCD uniformemente iluminado para que se leve em consideração a resposta de cada
pixel à incidência de luz.
O passo seguinte desta aula é apresentar um pouco dos grandes instrumentos construídos pelo
homem e essa é uma etapa que gera um grande interesse por parte dos alunos. Além de apresentar
simplesmente os principais telescópios, incluímos na apresentação imagens obtidas com os mesmos e
características físicas tais como diâmetro do equipamento e altitude a que se encontra. Cabe frisar a
necessidade de locais com clima seco e a grandes altitudes para a localização dos instrumentos.
Após a exposição sobre os grandes telescópios vem a discussão sobre a atmosfera terrestre.
Apresentamos a atmosfera como um filtro gigante que bloqueia alguns comprimentos de onda da luz de
fontes astronômicas, entre eles o ultravioleta, os raios-X e os raios-gama. Apresentamos figuras que
mostram quais são as janelas de baixa transmissão pela atmosfera e que justificam a necessidade de se
enviar telescópios para fora da atmosfera para que seja possível a obtenção de informações das fontes
astronômicas nessas janelas do espectro. Daí vem a apresentação dos telescópios espaciais. Da mesma
maneira que abordou-se os instrumentos que ficam na superfície, mostra-se algumas imagens obtidas
com cada telescópio espacial e apresenta-se algumas características dos mesmos.
Uma questão que é importante discutir é o fato de o Telescópio Espacial Hubble ser um
equipamento que opera majoritariamente no domínio óptico e mesmo assim estar além da atmosfera
terrestre. Esse fato se justifica pela distorção que a atmosfera causa no caminho a ser percorrido pela luz
a partir do momento que penetra na atmosfera. Telescópios localizados a grandes altitudes têm esse
problema minimizado, mas não totalmente resolvido.
Como atividade de encerramento da aula, sugerimos a simulação de observação remota através
do Red Mountain Simulated Observatory, site de observação remota simulada do programa Share Your
Sky de acordo com o roteiro integrante da aula. Nessa atividade, apesar das imagens obtidas serem
apenas simuladas, pode-se abordar a relação entre a razão sinal-ruído e o tempo de exposição em uma
imagem astronômica. Além do mais, o simulador permite salvar as imagens cuja obtenção foi simulada
no formato FITS, sendo possível utilizá-las com o software SalsaJ.
Referências:
Para saber um pouco mais sobre os tópicos do curso, recomendamos a visita aos seguintes sítios
internet:
•
How Stuff Works – como funcionam os telescópios
•
Telescópios Astronômicos - site de um construtor de telescópios
•
Razão Focal – site sobre óptica de telescópios
•
Observatório Gemini
•
Observatório Interamericano de Cerro Tololo
•
NASA – Agência Espacial Americana
•
Programa Share Your Sky – observatório online