Óptica Ativa

Inventando algo que mude o jogo

O tamanho e a forma são realmente importantes, mais ainda quando se trata de construir telescópios muito poderosos. Espelhos primários maiores permitem aos astrónomos capturar mais luz e um espelho com uma forma perfeita é necessário para evitar distorções nas imagens; a combinação eficaz destes dois aspectos permite-nos observar objetos muito ténues. Infelizmente, nunca foi fácil manter uma forma perfeita à medida que os espelhos de telescópio se tornam cada vez maiores.

Este desafio tornou-se importante nos anos sessenta e setenta do século XX. A tecnologia disponível nessa altura não permitia que astrónomos e engenheiros construíssem telescópios com espelhos primários de diâmetro maior que 5 metros. Para lá deste valor a qualidade da imagem diminuia muito, uma vez que a enorme força da gravidade (devido ao grande peso dos espelhos) os distorcia, alterando-lhes a forma. Com a tecnologia da época, a construção de espelhos com mais de 5 metros de diâmetro teria necessitado de enormes estruturas de suporte e elevados preços de fabrico, o que teria resultado numa estrutura demasiadamente pesada sem, no entanto, a promessa de imagens melhores. Era preciso encontrar outra solução para garantir a precisão óptica.

Foi nesta altura que o engenheiro do ESO Raymond Wilson teve uma ideia brilhante e "simples" chamada óptica ativa. Um espelho primário fino e deformável que seria controlado por um sistema de suporte ativo que aplicaria a força necessária para corrigir as deformações induzidas pela gravidade, à medida que o telescópio mudava de orientação (leia mais sobre este assunto no livro gratuito Jewel on the Mountaintop de Claus Madsen).

Quando o telescópio de 3,6 metros do ESO foi inaugurado em 1976, a óptica ativa era ainda uma ideia na cabeça de Wilson. É por isso que o seu espelho primário tem meio metro de espessura e pesa umas incríveis 11 toneladas.

O novo conceito foi testado na Sede do ESO com um espelho fino de 1 metro num suporte ativo constituído por 75 atuadores. Os atuadores são motores que se deslocam de modo muito preciso e podem ser perfeitamente controlados: ao empurrar o espelho, corrigem-lhe a forma e compensam a distorção produzida pela gravidade. À medida que o telescópio se move, este sistema ativo consegue manter a forma correta do espelho. As correções aplicadas pelos atuadores são calculadas em tempo real graças a um computador com um analisador de imagens que detecta os mais pequenos desvios relativos à forma ideal do espelho. A óptica ativa foi desenvolvida pelo ESO e depois deste teste bem sucedido tornou-se a caraterística principal do New Technology Telescope (NTT). Graças à óptica ativa, o espelho primário de 3,58 metros do NTT tem apenas 24 centímetros de espessura e pesa 6 toneladas.

1-metre telescope supports for the active optics experiment at the ESO headquarters in Garching in 1987
Os suportes do telescópio de 1 metro na experiência de óptica ativa na Sede do ESO em Garching, em 1987. Crédito: ESO
The New Technology Telescope (NTT) pioneered the Active Optics.
O New Technology Telescope (NTT) foi pioneiro da Óptica Ativa.
Crédito: ESO/C.Madsen. Bacon

Desde que o NTT começou a operar em 1990, a óptica ativa tem sido aplicada a todos os telescópios grandes, incluindo o Very Large Telescope (VLT) do ESO. Wilson foi agraciado com vários prémios pela sua invenção, que acabou por ser algo que mudou completamente as "regras no jogo" da astronomia.

Cada um dos quatro Telescópios Principais do VLT (da sigla em inglês, UTs) encontra-se equipado com o melhor sistema de óptica ativa construído até à data. O sistema controla o espelho primário de 8,2 metros de Zerodur assim como o espelho secundário mais leve de berílio, de 1,1 metros, que está colocado no topo da estrutura do telescópio. Baseando-se nos sinais enviados por este instrumento, os espelhos do telescópio são automaticamente ajustados a intervalos regulares.

Graças a esta tecnologia, os espelhos primários dos quatro UTs pesam cada um 22 toneladas, medem 8,2 metros de diâmetro e no entanto só têm 17 centímetros de espessura — a forma de uma panqueca gigante! Cada um dos espelhos está apoiado em 150 suportes controlados por computador (os atuadores) que se encontram instalados numa célula extremamente rígida que pesa cerca de 11 toneladas. O sistema de óptica ativa do VLT faz com que estes espelhos enormes tenham sempre a forma ideal, fornecendo assim imagens extraordinárias do Universo.

VLT Active Optics System
O Sistema de Óptica Ativa do VLT
Crédito: ESO
The prestigious Kavli Prize in Astrophysics for 2010 was awarded to Jerry Nelson, Raymond Wilson and Roger Angel for their contribution to the development of giant telescopes.
O prestigiado Prémio Kavli de Astrofísica de 2010 foi atribuído a Jerry Nelson, Raymond Wilson e Roger Angel pelo seu contributo no desenvolvimento de telescópios gigantes. Crédito: ESO. Bacon

Atualmente, a técnica de óptica ativa enfrenta um enorme desafio com o espelho primário de 39 metros planeado para o European Extremely Large Telescope (E-ELT). O espelho primário do E-ELT será composto por 798 segmentos individuais. Cada segmento pode ser movido através de um pistão e de um mecanismo de inclinação, fazendo com que todo o mosaico se comporte com um único espelho gigante, ao compensar os efeitos de flutuações de temperatura e gravidade.

Veja este episódio do ESOcast sobre óptica ativa, entre outros: Vendo Nítido — Especial do 50º aniversário: 3º episódio.

Destaques Científicos

Os sistemas de óptica ativa instalados em vários telescópios do ESO ajudaram a fazer descobertas importantes: