Como são feitas as fotos do espaço

A luz

Os físicos sabem desde o início do século 20 que a luz é feita de minúsculas partículas chamadas fótons. Então você pode imaginar um raio de sol como um montão de bolinhas de energia entrando nos seus olhos. Acontece que também dá para explicar o comportamento da luz usando equações em que ela age como uma onda – tipo uma onda sonora ou uma onda do mar. Neste caso, a luz é chamada de onda eletromagnética. Toda onda é uma oscilação em alguma coisa; o que oscila, então, é um campo eletromagnético. Era assim que os físicos explicavam a luz no século 19.

Vamos alternar entre a descrição da luz como onda e como partícula conforme seja mais didático para este texto. E, neste momento, a versão onda vem bem a calhar.

Uma onda tem comprimento (que é a distância entre duas oscilações) e frequência (que é o número de oscilações por segundo). As ondas de luz de baixa frequência são supercompridas e carregam pouca energia. Já as ondas de alta frequência são curtinhas e muito energéticas. Há diferentes aplicações práticas para as luzes de cada frequência e comprimento.

As luzes mais longas e preguiçosas são as ondas de rádio, usadas também para o wi-fi. Depois, um pouco mais curtas e energéticas, vêm as micro-ondas que esquentam sua comida. Continue aumentando a energia e entramos no campo do infravermelho – ondas eletromagnéticas que você sente na pele: elas são o calor. Os binóculos infravermelhos veem pessoas no escuro porque pessoas são quentinhas.

Vamos aumentar o quentinho. Quando você aquece o carvão na churrasqueira, ele perde a cor preta e vira brasa vermelha. É porque ele ficou tão quente que parou de emitir só infravermelho e passou a emitir uma onda ainda mais curta e energética: o próprio vermelho. Aqui entramos no campo da luz que podemos ver: as cores do arco-íris, que vão do vermelho ao violeta – passando por laranja, amarelo, verde e azul.

Acima do violeta há o ultravioleta, que entra novamente no campo das luzes invisíveis para nós. É contra ele que atua o protetor solar. Nessa altura, já estamos falando de ondas eletromagnéticas muito pequenas, com energias bastante altas.

Os próximos passos da escala são os raios X (a exposição prolongada é muito perigosa) e os raios gama (você vira o Hulk, rs). Existem telescópios, tanto em órbita quanto no chão, capazes de captar todos esses tipos de onda. E existem fenômenos cósmicos que emitem todos eles. O fato de que nós enxergamos um espectro tão limitado dentro dessa grande seleta de ondas é decorrência da seleção natural: as cores que conhecemos são justamente as ondas que o Sol produz em maior abundância. Se vivêssemos em torno de uma estrela maior, ela seria mais quente, emitiria mais ultravioleta. Provavelmente, teríamos evoluído para ver a cor ultravioleta, porque ela seria útil para nós.

“Os olhos humanos estão muito bem adaptados à vida na Terra, onde somos banhados pela luz do Sol todos os dias”, diz Joseph Depasquale, desenvolvedor de ciências visuais do Space Telescope Science Institute. “Mas, para ver os detalhes do espaço profundo, tivemos que inventar tecnologias que pudessem estender nossos poderes de visão.” Vamos entender como funciona o mundo das imagens do espaço. Começando com um telescópio que vê luz comum, e depois expandindo os horizontes eletromagnéticos.

O Hubble

O telescópio Hubble não vê raios X: é especialista em trabalhar com luz no mesmo comprimento de onda que é visível por nós. Com uma diferença: só fotografa em preto e branco. Gerar a cor são outros quinhentos – que explicaremos a seguir.

Quando a luz de uma paisagem cósmica atravessa as lentes do Hubble, ela atinge uma placa de silício chamada CCD, sigla em inglês para “dispositivo de carga acoplada”. O CCD é dividido em um montão de quadradinhos minúsculos. Cada quadradinho corresponde ao que será um pixel da foto quando ela estiver na tela do computador.

Cada vez que um fóton (uma partícula de luz) bate em um quadradinho da CCD, ele fornece energia a uma outra partícula, o elétron – que fica ouriçado e pula para fora. Quanto mais fótons batem em um quadrado, mais elétrons são ejetados. O nome desse fenômeno é bem literal: efeito fotoelétrico. Assim, o Hubble sabe exatamente quanta luz bateu em cada quadradinho da CCD: é só contar quantos elétrons cada um soltou.

Agora, imagine que o CCD no telescópio está enquadrando uma galáxia brilhante na frente de um fundo escuro. Os quadradinhos no centro vão captar muita luz e liberar muitos elétrons – sinal de que aquela região da foto é mais clara, com pixels esbranquiçados. Assim se forma a imagem da galáxia. Já os quadradinhos das pontas vão receber pouca ou nenhuma luz – liberando poucos elétrons e deixando o pixel preto ou cinza escuro. Esse é o vazio em torno da galáxia.

Toda foto em preto e branco é isso: um gráfico de quantos fótons – quantos pacotinhos de luz – contribuíram com cada pixel. Ele não leva em consideração a cor desses fótons. Para dar esse passo além, é preciso usar filtros.

Imagine que você passou papel celofane vermelho na frente da lente do Hubble. Agora, toda a luz de outras cores será barrada – só a vermelha vai passar. Se você tirar uma foto com o celofane na frente, ela sairá em preto e branco, claro.

Mas é um preto e branco diferente, porque dessa vez os astrônomos sabem que todos os fótons que entraram no Hubble são vermelhos. Mesmo que o próprio Hubble não saiba. Ou seja: a imagem, na verdade, é vermelha. Podemos pintá-la
artificialmente.

O próximo passo é repetir esse processo com outros dois filtros, o verde e o azul. É difícil entender o passo a passo explicando só com texto, então acompanhe o gráfico abaixo – que mostra a montagem de uma foto de Júpiter. Com três filtros, ficamos com três fotos do planetão: cada uma representa todos os fótons que ele emitiu em cada uma das três cores.

Por que azul, verde e vermelho? A razão é principalmente biológica. As células que diferenciam cor, nas nossas retinas, são chamadas cones. Existem três tipos de cones: um capta a luz visível de alta frequência (a região da cor azul), outro a luz de média frequência (a região da cor verde) e por fim um terceiro se dedica à luz de baixa frequência (a região da cor vermelha). Pense nelas como cores primárias: como elas englobam todo o espectro, ao misturar as três em diferentes doses você consegue obter quase todas as outras cores. De fato, sua TV e o seu celular usam pixels azuis, vermelhos e verdes. Se você aproximar suficientemente os olhos da tela, será capaz de vê-los. O nome disso é sistema RGB (red, green, blue).

Agora, é só empilhar as três fotos de Júpiter: a azul, a verde e a vermelha. Onde há só uma cor, a imagem fica só dessa cor. Mas nos pontos em que essas cores aparecem ao mesmo tempo, elas ficam sobrepostas, se misturam e dão origem a novas cores. Surge a imagem do gigante gasoso que você conhece, com faixas beges e marrons.

Vendo o invisível

Complicado mesmo é quando uma imagem só combina ondas de vários cantos do espectro eletromagnético. Ondas que não podemos ver: rádio, infravermelho, ultravioleta… Aí não tem jeito: os astrônomos precisam escolher cores para representar cada tipo de onda, porque não existem cores reais ali.

A imagem da Nebulosa de Caranguejo que você verá a seguir é o exemplo perfeito para observarmos esse método. Essa estrutura cósmica, resultado da implosão de uma estrela grande e idosa localizada a 6,5 mil anos-luz da Terra, emite radiação de todo tipo. Em vermelho, estão indicadas as ondas de rádio flagradas pelo observatório Very Large Array. A contribuição do Spitzer, telescópio que capta ondas na faixa do infravermelho, está em amarelo, enquanto o espectro visível, especialidade do Hubble, aparece em verde. Por fim, o ultravioleta, alvo do XMM-Newton, está em azul (ele foi o único que captou as estrelas) e os raios X, captados pelo do Chandra, aparecem em roxo. No gráfico abaixo, você vê cada contribuição isoladamente.

Há uma lógica na atribuição das cores: como os raios X são a radiação mais energética, eles ficam com o violeta, que é a cor de frequência mais alta que podemos ver. Vale o contrário para o rádio: por ser a onda mais preguiçosa, ele fica com o vermelho, que é a cor de onda mais longa.

É uma reação natural sentir-se enganado pelas imagens – como se os astrônomos fizessem o equivalente a tirar a celulite de uma modelo com o Photoshop.

Mas é o contrário: as luzes invisíveis são informação a mais, e não a menos. “Telescópios são uma janela para um mundo que não podemos ver com os olhos”, diz Joseph Depasquale. “Exatamente como um microscópio, que nos dá acesso ao mundo invisível, mas também real, das coisas muito pequenas.

Créditos das fotos: 1. Nasa, ESA, STScI, A. Simon (Centro de Voos Espaciais Goddard), M.H. Wong (Universidade da Califórnia, Berkeley) e time OPAL; 2. Nasa, ESA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA), A. Nota (ESA/STScI), e time científico da Westerlund 2; 3. Nasa, ESA, G. Dubner (IAFE, CONICET-Universidade de Buenos Aires) et al.; A. Loll et al.; T. Temim et al.; F. Seward et al.; VLA/NRAO/AUI/NSF; Chandra/CXC; Spitzer/JPL-Caltech; XMM-Newton/ESA; e Hubble/STScI.