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LASERS QUE APONTAM PARA O ESPAÇO

Atualizado: 28 de jun. de 2021

Por Mauricio Caldas

Coordenador da Divisão de Equipamentos Astronômicos da A.A.P.


Quando navegamos pela internet em busca de informações sobre grandes telescópios, frequentemente nos deparamos com imagens como a apresentada na figura 1 abaixo. Ou seja, instalações de observatórios astronômicos com um feixe (ou feixes), de laser apontados para o espaço.

Figura 1 - Um dos quatro Unit Telescopes que compõem o VLT - Very Large Telescope


Provavelmente você já deve ter se perguntado; para que serve este laser? Com certeza não é para dar um ar de batalha estelar como no filme “Guerra nas Estrelas”, mas sim, aperfeiçoar, em muito, as imagens captadas pelos telescópios a eles associados. Mas como isso é possível? Apontar um raio laser para o espaço e melhorar a imagem captada pelo espelho do telescópio?

Isso é possível, graças a uma tecnologia chamada “óptica adaptativa” (OA). A óptica adaptativa foi desenvolvida para minimizar, em muito, as distorções causadas pelas turbulências naturais da atmosfera, na passagem da luz oriunda do espaço (para o nosso caso, pois existem outras aplicações). E o papel do raio laser é fundamental para criação de um “ponto de luz artificial” que irá servir de referência para calibragem dos sensores e atuadores de um espelho especial desenvolvido especificamente para telescópios ópticos que trabalham com esta tecnologia. Esse ponto de luz artificial surge no céu, quando um potente laser de 22 Watts, ao atingir a camada de sódio, localizada no entorno de 90 km de altitude, na Mesosfera, eleva os níveis de energia dos átomos de sódio, produzindo luz e formando a chamada “estrela guia de laser”, a partir da qual, ocorre a calibragem do sistema da óptica adaptativa. Vide figura 2, abaixo;

Figura 2 – Localização da formação de uma estrela guia artificial na atmosfera - Esboço criado pelo autor. Uso permitido se mencionada a fonte.


A estrela guia de referência já era utilizada antes do surgimento da técnica do uso do raio laser. Nesse caso, os astrônomos se valiam de uma estrela natural, com brilho suficiente para criar a referência de calibração do sistema da óptica adaptativa e essa estrela, obviamente, estava nas proximidades do objeto celeste a ser estudado pelo astrônomo e dentro do campo de visão do telescópio. Contudo, nem sempre existe uma estrela natural (com brilho satisfatório), no entorno da área a ser observada e com isso, a óptica adaptativa não pode ser aplicada. O uso do raio laser na criação da estrela guia artificial, revolucionou essa técnica, pois ele acompanha a direção e aponta sempre para o campo de visão do telescópio que é a área que os astrônomos desejam observar.

Mas como funciona a óptica adaptativa? A figura 3 abaixo, apresenta uma macro visão do sistema.

Figura 3 - Macro visão da estrutura de um sistema de óptica adaptativa - Figura original disponível em: http://leigui.blogspot.com/2015/08/em-breve.html


A frente de onda oriunda dos espelhos primário e seus subsequentes, incidem em um espelho especial deformável que reflete a frente de onda que segue para uma câmera. Entre o espelho e a câmera, existe um divisor de feixe que reflete a frente de onda para os sensores responsáveis pela percepção das perturbações causadas pela atmosfera na luz captada. Estes sensores estão conectados ao sistema de controle formado por um poderoso computador responsável pela análise dos dados recebidos pelos sensores e o correto funcionamento dos atuadores. Esses atuadores são construídos a partir da tecnologia micro eletromecânica (MENS). No caso do espelho deformável que será usado no VLT (Very Large Telescope do ESO - European Southern Observatory), apresentado na figura 4, abaixo;

Figura 4 - Espelho deformável utilizado no Unit Telescope 4 do Very Large Telescope (VLT) do ESO. Disponível em; https://www.eso.org/public/images/ann14010a/

Esse espelho possui 1.170 atuadores magnéticos que funcionam usando princípio semelhante ao dos alto falantes, transformando a energia elétrica, oriunda do sistema de controle, em mecânica. Como eles estão fixados na parte posterior do espelho, ver figura 5, abaixo;

Figura 5 - Espelho deformável de oito atuadores - Esboço criado pelo autor. Uso permitido se mencionada a fonte.


Eles deformam a superfície frontal espelhada (que possui 2 mm de espessura), refletindo a frente de onda de luz incidente, devidamente corrigida e produzindo imagens como a apresentada na figura 6, semelhantes às geradas por telescópios espaciais como o histórico Hubble.

Figura 6 – Comparação entre imagens registradas sem e com o uso da óptica adaptativa. Disponível em: http://leigui.blogspot.com/2015/08/em-breve.html


Cabe esclarecer:


1. O princípio de funcionamento do alto falante é bastante simples; uma bobina com núcleo de ar envolve um imã permanente que, ao ser percorrida por uma corrente elétrica, gera um campo magnético que movimenta a bobina para frente ou para trás, a depender do sentido da corrente. Como está acoplada mecanicamente a um cone de papelão (ou polipropileno), a movimentação faz a área dessa estrutura, colidir com o ar a sua frente, gerando o som.

2. Como referência, uma caneta laser vermelha utilizada em apresentações de multimidias presenciais, possui 5mW de potência. Ou seja, o laser da estrela guia é 4.400 vezes mais potente.


Para um maior aprofundamento nos assuntos abordados, seguem as referências consultadas;


Referências:

Vídeo timelapse de uso de laser nos observatórios de Mauna Kea, Havai, USA. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=zclfWUvbiCg

Óptica adaptativa e estrelas laser - http://www.astronoo.com/pt/artigos/optica-adaptativa.html

Óptica adaptativa - Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=gDGvNyVApgg

Dispositivos micro eletromecânicos – Disponível em: https://pt.wikiqube.net/wiki/Microelectromechanical_systems

Atuador magnético – Disponível em; https://pt.wikiqube.net/wiki/MEMS_magnetic_actuator

Camadas da atmosfera - Mesosfera – Disponível em: https://pt.wikipedia.org/wiki/Mesosfera



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