Menos luzes, mais estrelas: Como se mede a transparência do céu

12-10-2020

Uma das atividades mais importantes do homem em sua ascensão à cultura tem sido a contemplação do céu, e ele tem estudado a posição e o movimento das estrelas antes mesmo de se tornar sedentário. Aprenda em detalhes como a transparência do céu é medida e aumentada.

Entretanto, centenas de milhares de anos tiveram que passar, até 1609, quando Galileu Galilei construiu seu primeiro telescópio refrator e começou a revelar os segredos dos objetos brilhantes do céu noturno; depois disso, a astronomia e a tecnologia convergiram para desenvolver instrumentação cada vez mais especializada.

Isaac Newton, em 1668, projetou e construiu o primeiro telescópio refletor. Entre outras coisas, ele o usou para confirmar sua experiência em um laboratório fechado da decomposição da luz do sol nas cores do arco-íris. Naquela época era difícil fazer espelhos côncavos, de modo que apenas telescópios refratários com lentes cada vez maiores eram feitos.

Entretanto, quanto maiores as lentes do telescópio, mais complicado se tornou fazê-las, e ainda mais complicado operá-las. O maior telescópio refrator jamais construído foi em Paris em 1900, tinha uma lente de 1,25 metros de diâmetro e um comprimento focal de 57 metros; seu manuseio era tão complicado que só foi usado como uma exposição, que mais tarde foi desmontada. Atualmente no Observatório Yerkes em Wisconsin, EUA, um telescópio refrator de 19,4 metros de distância focal, com uma lente de 1,02 metros de diâmetro, ainda está em operação.

Com a evolução da astronomia, foram necessários melhores instrumentos, e a idéia de fabricar telescópios refletivos também foi retirada, pois eles são mais fáceis de usar do que os telescópios refratários. Foi possível aperfeiçoar os espelhos cada vez maiores. Mesmo assim, outro tipo de dificuldade surgiu ao observar o céu noturno, agora devido à atmosfera da Terra. Como o comportamento da luz e suas características foram melhor compreendidos, buscaram-se maneiras de resolver os problemas que os astrônomos enfrentam ao fazer suas observações.

A luz, como qualquer onda eletromagnética, tem várias propriedades que se manifestam principalmente pela mudança do meio de sua propagação; dependendo do meio, a luz é refletida, refratada, espalhada, absorvida e difratada; portanto, a luz proveniente das estrelas, ao penetrar na atmosfera terrestre, é afetada pelos gases de que é composta, de modo que quando a luz estelar atinge os telescópios, já perdeu parte de sua luminosidade, seu brilho e sofreu outras alterações.

A atmosfera da Terra, e as propriedades da luz mencionadas, dão origem a uma série de variáveis e parâmetros que devem ser considerados na construção de um observatório astronômico. A principal delas é o local de observação estelar. Variáveis atmosféricas como umidade, densidade, nebulosidade, temperatura e vento devem ser consideradas. Da mesma forma, a inclinação do eixo de rotação da Terra, que dá origem às estações, também causa importantes variações climáticas, que dão origem a variações atmosféricas.

O Sol, ao aquecer os gases que compõem a atmosfera, gera movimentos de convecção no ar; da mesma forma, ao aquecer a água nos oceanos, gera vapor de água que se transformará em turvação; estes fenômenos, vento e turvação, geram padrões em seus movimentos e variações no clima; graças a estes padrões de vento e umidade, forma-se uma faixa conhecida como a "faixa calma", que se encontra em torno de 30 graus de latitude norte e sul, que é usada para encontrar os lugares mais apropriados para a construção de observatórios astronômicos.

Os parâmetros que são gerados pelas variáveis mencionadas acima são

Transparência do céu

Ela se refere à clareza do céu e é medida como a capacidade de observar estrelas fracas de acordo com seu brilho ou magnitude. Os fatores que afetam a transparência do céu são vapor de água ou turvação e partículas em suspensão como poeira, pólen, vapores industriais e veiculares ou poluição ambiental em geral.

Obscuridade

Refere-se à quantidade de luz natural ou artificial presente no local de observação. Há dois tipos de fatores que afetam a escuridão do local de observação. Fatores naturais, como o sol e a lua, e fatores artificiais, como a poluição luminosa, que é a quantidade de luz artificial presente nos centros urbanos.

Extinção

Refere-se à absorção da luz que as estrelas, incluindo o Sol, a Lua e os planetas, sofrem ao passar ou passar por diferentes meios, como ar, água, etc. Quanto mais longo o caminho que a luz percorre, neste caso a atmosfera da Terra, maior a diminuição da luz ou o efeito sobre a cor da estrela; este efeito sobre a cor pode ser visto no Sol ao amanhecer ou ao entardecer, a luz do Sol muda do branco para o vermelho passando pelo amarelo e laranja à medida que a estrela desce em direção ao horizonte.

Ver ou distorcer a imagem

Refere-se à estabilidade do ar, quanto mais turbulência houver, menos estável será a imagem do objeto observado; o cintilar das estrelas é devido a este efeito da atmosfera terrestre; além disso, quanto maior for o telescópio, maior será a distorção da imagem. Os fatores que fazem este parâmetro variar ou aumentar são a temperatura e o vento.

No caso da "Transparência do Céu" e da "Escuridão", os pesquisadores pouco podem fazer para evitá-las. A única coisa a fazer é solicitar que seja aprovada legislação para deter o aumento da poluição luminosa e, se possível, reduzir a quantidade de partículas poluentes que são lançadas na atmosfera todos os dias.

Também não é possível evitar a "extinção" da luz estelar enquanto ela passa pela atmosfera terrestre. Entretanto, o que os pesquisadores fazem em seu trabalho é obter medições da magnitude ou do brilho das estrelas padrão (estrelas bem conhecidas) que estão próximas da estrela que está sendo estudada. Estas medições são feitas durante toda a noite de observação a fim de obter uma extinção de referência, que será utilizada para comparar com as medições obtidas das estrelas programadas para estudo e assim obter os dados necessários.

Por outro lado, para compensar o Ver também é muito interessante o que os astrônomos fazem. Desde o século XIX já havia uma consciência deste fenômeno. No entanto, as propostas para resolvê-lo foram apresentadas tardiamente. Na década de 1940, pensou-se como uma solução ter observatórios fora da atmosfera terrestre. O projeto do Telescópio Espacial Hubble, de 2,4 metros de diâmetro, foi feito entre os anos 70 e 80, colocando-o em órbita até 1990. Os resultados deste projeto foram magníficos, sobretudo porque não só se evitou Ver, mas também todos os problemas gerados pela atmosfera da Terra foram evitados. Mesmo assim, tem a desvantagem de que a manutenção é muito cara e complicada, além de que a durabilidade dos satélites artificiais é finita.

Outra solução para resolver o problema de Ver no caso dos telescópios terrestres, foi aproveitar os estudos e medições que são feitos deste parâmetro, de modo que se pensou numa solução científico-tecnológica e nos anos 50 foi proposta a "Óptica Ativa" e anos depois surgiu a "Óptica Adaptativa".

Um dos métodos para medir o Ver é conhecido como DIMM (Differential Image Motion Monitor). Consiste em detectar e medir os deslocamentos que são observados da imagem de uma estrela por meio de um telescópio de tamanho médio, mas com duas oculares separadas uma da outra a uma distância entre 10 e 20 cms. Este telescópio é montado a uma certa distância do observatório e é apontado para uma estrela conhecida. Várias medições são feitas a diferentes alturas (entre dois e vinte metros aproximadamente), já que as diferenças de temperatura que existem nas camadas superficiais da atmosfera também causam distorções de imagem.

Outro método utilizado para este fim é o SCIDAR (Scintillation Detection and Ranging), que consiste em medir os índices de refração da luz ao entrar na atmosfera da Terra.

Um terceiro método é usar como guia artificial (ou substituto de estrela), um feixe laser que quando atinge altas camadas atmosféricas, com mais ou menos 90 quilômetros de altura, excita átomos de sódio, criando assim artificialmente uma "estrela guia" para a qual a distorção da imagem sofrida ao se mover pela atmosfera terrestre pode ser facilmente medida.

Os dados obtidos por estes métodos são analisados em um computador conectado a um sistema de controle, que tem a finalidade de comandar uma série de atuadores pneumáticos que modificam a forma do telescópio ou os espelhos primários do telescópio ao qual estão conectados, esta tecnologia é chamada de "Óptica Ativa".

Por outro lado, em " Óptica Adaptativa", também é utilizado um sistema de software que controla e move (aproximadamente 2000 vezes por segundo) uma série de pequenas lentes conectadas a uma câmera CCD (dispositivo de acoplamento de carga), a fim de compensar a distorção da imagem causada por pequenas massas de ar e assim obter a melhor imagem possível.

Quatro locais privilegiados na Terra foram encontrados com as melhores condições de céu transparente para observações astronômicas: Ilha Mauna Kea, Havaí, EUA; vulcão Roque de los Muchachos, Ilhas Canárias, Espanha; Deserto do Atacama, Chile e Cordilheira de San Pedro Martir, Baja California, México.

Estes são locais de altitude considerável acima do nível do mar, condição necessária para diminuir a distância que a luz das estrelas percorre ao penetrar na atmosfera terrestre e alcançar os telescópios; da mesma forma, todos eles estão localizados na faixa da calma que foi mencionada anteriormente.

Dois desses locais são ilhas, os outros dois estão no início das cadeias montanhosas; o que é outro detalhe muito importante, assim que o vento atinge as primeiras elevações montanhosas ele é desviado sem chegar a formar correntes de ar acima do observatório, como aconteceria no interior. Estes locais também estão suficientemente afastados dos centros urbanos para evitar a poluição luminosa.

Como se pode ver, não é fácil resolver os problemas gerados pela atmosfera terrestre para se ter um céu transparente. Entretanto, é possível reduzir a quantidade de poluentes que são lançados continuamente no meio ambiente. Por outro lado, com relação à poluição luminosa, o que podemos fazer é substituir as luzes ou adaptá-las para que, em vez de iluminar o céu, elas direcionem sua energia para o solo. No estado da Baixa Califórnia já existe uma lei contra a poluição luminosa, que esperamos em breve se expandirá para todo o país.

Autor: Abraham Rubí Vázquez, chefe do Fisilab e coordenador das conferências El Universo Hoy, da Dirección General de Divulgación de la Ciencia, UNAM. Fonte: Noite das Estrelas