Telescópio espacial Hubble

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Telescópio espacial Hubble

O Telescópio Espacial Hubble, visto do Ônibus Espacial Atlantis durante a Missão de Serviço 4 (STS-125).
Descrição
Nomes alternativos HST, Space Telescope
Tipo Satélite
Missão Observatório espacial
Operador(es) Estados Unidos NASA
Estados Unidos STScI
União Europeia ESA
Identificação NSSDC 1990-037B
Identificação SATCAT 20580
Website NASA - Hubble Space Telescope
HUBBLESITE
ESA/Hubble
Duração da missão 34 anos e 28 dias
Propriedades
Fabricante Satélite:
Estados Unidos Lockheed MSC
Instrumentos óticos:
Estados Unidos PerkinElmer
Massa de lançamento 11 110 kg
Comprimento 13,2 m
Diâmetro 4,2 m
Potência elétrica 2 800 watts
Geração de energia Painéis solares fotovoltaicos
Tipo de telescópio Ritchey–Chrétien, refletor
Diâmetro do espelho 2,4 m
Distância focal 57,6 m
Comprimento de onda Luz visível, raios gama, raios-X, infravermelho
Missão
Data de lançamento 24 de abril de 1990, 12:33:51 UTC
Veículo de lançamento Estados Unidos Discovery (STS-31)
Local de lançamento Estados Unidos Centro Espacial John F. Kennedy, LC-39B
Destino Órbita terrestre baixa
Decaimento Estima-se entre 2030-2040
Especificações orbitais
Referência orbital Geocêntrica
Regime orbital Terrestre-baixa
Semi-eixo maior 6 917,5 quilômetros (4 298 milhas)
Excentricidade orbital 0,0002657
Periastro 537,4 quilômetros (333,9 milhas)
Apoastro 541,4 quilômetros (336,4 milhas)
Inclinação orbital 28,47°
Período orbital 95,47 minutos
Argumento de periastro 6,6007°
Anomalia média 105,1828°
Época 21 de janeiro de 2018, 08:41:08 UTC[1]
Instrumentos
  • Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS)
  • Advanced Camera for Surveys (ACS)
  • Wide Field Camera 3 (WFC3)
  • Cosmic Origins Spectrograph (COS)
  • Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS)
  • Fine Guidance Sensor (FGS)
Notas
Este artigo ou seção contém material sobre uma missão espacial atual, portanto as informações podem mudar durante o andamento da missão.
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O Telescópio Espacial Hubble (em inglês Hubble Space Telescope, HST) é um satélite artificial não tripulado que transporta um grande telescópio para luz visível e infravermelha. Foi lançado pela NASA, a agência espacial dos Estados Unidos, em 24 de abril de 1990, a bordo do ônibus espacial (em Portugal, vaivém espacial) Discovery (missão STS-31). O Hubble já recebeu várias visitas da NASA, em órbita, para manutenção e substituição de equipamentos obsoletos ou inoperantes.

O telescópio é a primeira missão da NASA pertencente aos Grandes Observatórios Espaciais (Great Observatories Program), que consistem numa família de quatro observatórios orbitais, cada um observando o Universo num comprimento diferente de onda: luz visível, raios gama, raios-X e infravermelho. Pela primeira vez se tornou possível ver e estudar, com muito mais detalhe, estruturas do Universo até então desconhecidas, ou pouco observadas, além da nossa galáxia. O Hubble, de uma forma geral, deu à civilização uma nova visão do universo e proporcionou um salto equivalente ao dado pela luneta de Galileu Galilei no século XVII.

Desde a concepção original, em 1946, a iniciativa de se construir um telescópio espacial sofreu inúmeros atrasos e problemas orçamentais. Logo após o lançamento, o Hubble apresentou uma aberração esférica no espelho principal que parecia comprometer todas as potencialidades do telescópio. A situação, porém, foi corrigida numa missão especialmente concebida para a reparação do equipamento, em 1993, que passou a operar como planejado, tornando-se uma ferramenta vital para a astronomia. Imaginado nos anos 1940, projetado e construído nos anos 1970-80, e em funcionamento desde 1990, o Telescópio Espacial Hubble recebeu esse nome em homenagem a Edwin Powell Hubble, que revolucionou a Astronomia ao identificar que a velocidade de afastamento das galáxias é proporcional à sua distância.

Hubble é o telescópio de luz visível no programa Grandes Observatórios Astronômicos da NASA; outras partes do espectro são cobertas pelo Observatório de Raios Gama Compton, o Observatório de raios-X Chandra e o Telescópio espacial Spitzer (que cobre as bandas de infravermelho).[2] O sucessor da banda do infravermelho médio para o visível do telescópio Hubble é o Telescópio Espacial James Webb (JWST), que foi lançado em 25 de dezembro de 2021, com o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman esperado para ser colocado em ação em 2027.[3][4][5]

História

Concepção e objetivos

A história do Telescópio Espacial Hubble pode ser rastreada até 1923, quando Hermann Oberth (considerado junto com Robert Goddard e Konstantin Tsiolkovsky os pais dos foguetes modernos) publicou Die Rakete zu den Planetenräumen (O Foguete no Espaço Planetário), onde mencionou como um telescópio poderia ser lançado em órbita da Terra por um foguete.[6]

A astronomia baseada no espaço estava apenas no início nos anos seguintes à Segunda Guerra Mundial, período em que os cientistas utilizaram a tecnologia melhorada dos foguetes. Em 1946 o astrônomo Lyman Spitzer escreveu o artigo Astronomical advantages of an extraterrestrial observatory (Vantagens Astronômicas de um Observatório Extraterrestre), onde discutiu as duas principais vantagens que um observatório baseado no espaço teria a mais do que os telescópios terrestres: primeiro, a resolução óptica (distância mínima de separação entre objetos na qual eles permaneçam claramente distintos) estaria limitada apenas pela difração, em oposição aos efeitos da turbulência da atmosfera que provocam o fenômeno do seeing. Os telescópios terrestres estão tipicamente limitados a resoluções de 0,5–1,0 segundos de arco (arcsec), comparativamente aos valores teóricos de resolução de difração, limitada de cerca de 0,1 arc para um telescópio com um espelho de 2,5 m em diâmetro. A segunda maior vantagem seria a possibilidade de observar luz infravermelha e ultravioleta, que são fortemente absorvidas pela atmosfera.[7] No mesmo ano, foram obtidos os primeiros espectros ultravioleta do Sol.[8]

Em 1962 ocorreram vários eventos importantes: a NASA lançou o Orbiting Solar Observatory para obter espectros de UV, raio-X e raios gama; a Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos publicou um relatório recomendando o desenvolvimento de um telescópio espacial como parte integrante do programa espacial, e o Reino Unido lançou um telescópio em órbita como parte do programa espacial Ariel.[9] Em 1965 Spitzer, que dedicou grande parte de sua carreira para estimular o desenvolvimento de um observatório espacial, foi indicado como dirigente de um comitê para a definição de objetivos científicos para um instrumento de grandes dimensões.[10]

Em 1966 foi lançado o primeiro Observatório Astronômico Orbital (OAO), da NASA, cujas baterias apresentariam falhas após três dias, terminando a missão; mais tarde, o OAO-2, o projeto sucessor, permitiu fazer observações em ultravioleta das estrelas e galáxias desde o seu lançamento em 1968 até 1972, prazo muito além do tempo de vida planejado de apenas um ano. As missões demonstraram o papel importante que as observações baseadas no espaço poderiam desempenhar na astronomia.[9] Em 1968 a NASA iniciou a elaboração de planos para um telescópio espacial com um espelho de 3 m de diâmetro, conhecido provisoriamente como Grande Telescópio Orbital ou Grande Telescópio Espacial (LST), com lançamento previsto para 1979. Os planos enfatizavam a necessidade de missões tripuladas para a manutenção do telescópio, de forma a justificar um investimento tão caro ao longo de um tempo de vida extenso, e os projetos de pesquisa da tecnologia reutilizável do ônibus espacial (vaivém espacial) indicavam que isso seria possível em pouco tempo.[11]

A odisseia pelo financiamento

O continuado sucesso do programa OAO encorajava um forte e cada vez maior consenso entre a comunidade astronômica de que o LST devia ser a meta principal. Em 1970 a NASA estabeleceu dois comitês, um para planejar os aspectos de engenharia do projeto, e o outro para estabelecer metas científicas para a missão. Uma vez estabelecidos esses comitês, o desafio seguinte da NASA seria obter financiamento para a construção deste instrumento que seria, de longe, muito mais caro que qualquer outro telescópio terrestre. O Congresso dos Estados Unidos questionou muitos aspectos do orçamento proposto para o telescópio e impôs cortes orçamentais nas fases de planejamento que, na altura, consistiam em estudos muito detalhados sobre quais instrumentos e hardware deveriam ser incluídos no telescópio. Em 1974, cortes no setor público instigados por Gerald Ford forçaram o Congresso a cortar todo o financiamento para o projeto.[12]

Vista explodida do telescópio (em inglês)

Em resposta, surgiu um esforço internacional de pressão coordenado entre astrônomos. Muitos se encontraram pessoalmente com congressistas e senadores, e muitas campanhas de abaixo-assinado foram organizadas. A Academia Nacional de Ciências publicou um relatório enfatizando a necessidade de um telescópio espacial, e eventualmente o Senado concordou com um orçamento que seria metade daquele que o Congresso recusara.[13]

As dificuldades em obter o financiamento levaram à redução da escala do projeto, passando o diâmetro do espelho de 3 m para 2,4 m, quer para reduzir custos, quer para permitir uma configuração mais compacta do hardware do telescópico.[14] Foi descartado um protótipo de menores dimensões (1,5 m), que seria concebido para testar os sistemas a utilizar no satélite principal, e as preocupações com o orçamento despertaram a colaboração da Agência Espacial Europeia (ESA). A ESA concordou em fornecer alguns dos instrumentos para o telescópio, bem como as células solares que iriam fornecer-lhe energia, financiando também 15% dos custos, em troca da garantia de 15% do tempo de observação para astrônomos europeus.[15] O Congresso aprovaria um financiamento de 36 milhões de dólares em 1978. O desenho do LST iniciou-se de imediato, agendando o lançamento para 1983.[13] Durante a década de 1980 o telescópio foi batizado em homenagem a Edwin Hubble, pelas suas descobertas astronômicas revolucionárias, como a expansão do universo.[16]

Construção, montagem e lançamento

Assim que foi dada luz verde ao projeto, os trabalhos da fase de construção foram divididos entre diversas instituições. O Marshall Space Flight Center ficou responsável pelo controle geral dos instrumentos científicos e controle terrestre durante a missão. O centro Marshall incumbiu a PerkinElmer, uma companhia do ramo da óptica, de conceber o mecanismo de montagem do telescópio (Optical Telescope Assembly - OTA) e os sensores de navegação (Fine Guidance Sensors). A Lockheed ficou responsável pela construção da nave espacial em que o telescópio ficaria alojado.[17]

A nave

Primeiros estágios da construção do Hubble
Polimento do espelho primário do Hubble feito pela PerkinElmer Corporation, Danbury, Connecticut, maio de 1979

A nave espacial na qual seriam alojados o telescópio e os instrumentos representava um grande desafio para a engenharia. Teria que suportar adequadamente mudanças frequentes entre a luz direta do Sol e a escuridão da sombra da Terra — que provocam mudanças bruscas na temperatura — enquanto devia permanecer estável o suficiente para permitir o direcionamento preciso do telescópio. Um manto de isolamento de várias camadas mantém a temperatura estável dentro do telescópio, e envolve um casco leve de alumínio dentro do qual o telescópio e os instrumentos são instalados. Dentro deste escudo, uma armação de grafite-epóxi mantém as peças firmemente alinhadas.[18] Uma vez que os compostos de grafite são higroscópicos, havia um risco de que o vapor de água absorvido pela armação durante sua montagem viesse a ser liberado no vácuo do espaço; se isso ocorresse, os instrumentos ficariam cobertos de cristais de gelo. Para reduzir esse risco, foi realizada uma limpeza com gás nitrogênio antes do lançamento.[19]

Enquanto a construção da nave espacial andava bem, a Lockheed ainda experimentava dificuldades com o orçamento e o cronograma, e, no verão de 1985, a construção da nave havia ultrapassado em 30% o orçamento e estava com três meses de atraso. Um relatório disse que a Lockheed tendia a seguir as indicações da NASA, em vez de tomar a iniciativa na construção.[20]

Sistema óptico

Opticamente o Hubble é um refletor tipo Cassegrain com um projeto Ritchey-Chrétien. Este projeto, com dois grandes espelhos hiperbólicos, é bom para fotografar um largo campo de vista, mas tem a desvantagem de ser de difícil construção. Os sistemas relacionados com a óptica e os espelhos representavam a parte crucial, e seriam concebidos segundo especificações muito rígidas. Em média, os telescópios usam espelhos polidos para uma precisão de cerca de um décimo do comprimento de onda da luz visível; porém, uma vez que o Hubble seria utilizado para observações na gama do ultravioleta ao infravermelho com uma resolução dez vezes superior aos telescópios antecessores, o espelho teria que ser polido para uma precisão de 10 nanómetros, cerca de 1/65 do comprimento de onda da luz vermelha.[21]

A Perkin-Elmer planejava utilizar maquinaria assistida por computador extremamente sofisticada para modelar o espelho segundo as especificações impostas,[22] mas para o caso da sua tecnologia apresentar dificuldades, a Kodak também foi contratada para construir um espelho de reserva, utilizando as técnicas de polimento tradicionais.[23] A construção do espelho foi iniciada em 1979, utilizando vidro de expansão ultra-reduzida. Para reduzir ao máximo o peso do espelho, este foi acondicionado numa espécie de sanduíche de duas placas de cerca de uma polegada de altura e uma estrutura em forma de colmeia no meio. O polimento prolongou-se de 1979 até maio de 1981. Mais tarde, relatórios da NASA questionaram a estrutura intermédia proposta pela PerkinElmer, o que acarretou complicações de agenda e de orçamento. O espelho foi concluído nos finais de 1981, com o acréscimo de um revestimento reflectivo em alumínio, de espessura de 75 nm, e outro revestimento protetor de fluoreto de magnésio, de 25 nm de espessura, o que permitia aumentar a reflexão da luz ultravioleta.[24][25][26]

Lançamento

Lançamento do Hubble na missão STS-31 a bordo da Discovery em 24 de abril de 1990

Subsistiam, porém, dúvidas sobre a competência da Perkin-Elmer num projeto desta importância, já que o orçamento e agenda para concluir o OTA continuavam a aumentar. Em resposta a esta agenda, descrita como "não delineada e diariamente alterada", a NASA adiou o lançamento do telescópio para abril de 1985. A agenda da Perkin-Elmer continuou a inflar, a uma taxa de cerca de um mês a cada três meses, tendo-se mesmo verificado, esporadicamente, atrasos de um dia por cada dia de trabalho. Face a isto, a NASA foi forçada a reagendar o lançamento para 1 de março de 1986. Por esta altura, o custo total do projeto tinha atingido 1,175 bilhões de dólares.[27] Além disso, o software necessário para controlar o Hubble em terra não ficou pronto em 1986, e de fato permaneceria inacabado até 1990. Para completar o quadro de dificuldades, no mesmo ano aconteceu o acidente com a nave Challenger, o que provocou um esfriamento no programa espacial. Eventualmente, após a retomada dos voos dos ônibus espaciais em 1988, o lançamento do telescópio foi reagendado para 1990. Por fim, em 24 de abril de 1990, a missão STS-31 do Discovery fez o lançamento do telescópio com sucesso em sua órbita prevista.[28][29]

Desde a estimativa de custo inicial de cerca de 400 milhões, o telescópio chegou a custar mais de 2,5 bilhões de dólares para construir. Custos cumulativos do Hubble até hoje são estimados entre 4,5 e 6 bilhões, com uma contribuição financeira adicional da Europa de 593 milhões de euros, até a estimativa de 1999.[30]

Instrumentos originais

Hubble sendo lançado ao espaço pela Discovery na Missão STS-31

Quando lançado, o Hubble transportava cinco instrumentos científicos: a Wide Field and Planetary Camera (câmera de campo largo e planetário - WF/PC), o Goddard High Resolution Spectrogra