Como as fotos do espaço são feitas?

Vivemos em uma época fantástica para astrônomos (profissionais ou amadores) e entusiastas da astronomia: a época em que as imagens dos objetos cósmicos ganharam uma riqueza de detalhes jamais vista antes. Essa evolução forneceu tanto dados sem precedentes para cientistas analisarem, quanto fotografias simplesmente fabulosas — na falta de adjetivo melhor para descrevê-las. Mas como são feitas as fotos do espaço?

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Instrumentos como os telescópios Hubble, Spitzer, VLT, Fermi, sondas como a Juno, Cassini e Planck, e observatórios como o ALMA, proporcionaram não apenas resolução e alcance incríveis, mas nos permitiram ver o invisível — eles revelam emissões cósmicas em luzes que não enxergamos, ou seja, em comprimentos de onda fora do espectro visível.

Com imagens em todas as ondas do espectro eletromagnético — micro-ondas, infravermelho, luz visível, ultravioleta, rádio, raios-X e raios gama — podemos ver objetos e fenômenos que seriam inimagináveis no início do século passado. Só para citar um exemplo, os cientistas nunca encontrariam evidências de buracos negros se alimentando de matéria, porque esse tipo de evento emite apenas radiação em comprimentos de onda que não fazem parte da luz visível.

Por isso, é fundamental que existam telescópios e observatórios “especialistas” em determinados tipos de emissão. Por exemplo, o Planck é um telescópio espacial equipado com instrumentos capazes de detectar radiação em micro-ondas, ou seja, objetos cujas partículas de luz viajam com o comprimento de ondas entre 300 mm a 1 mm. Isso permite a este telescópio detectar, mapear e estudar uma evidência do Big Bang chamada radiação cósmica de fundo.

Contudo, os telescópios normalmente não enviam as fotos prontas para fazer um download através da internet e publicar nas redes sociais, como se fossem câmeras fotográficas comuns. Os cientistas precisam antes baixar arquivos enormes e depois calibrar os softwares para a melhor análise. Nesse ponto, as imagens podem ainda não ser coloridas (dependendo do instrumento e o tipo de dados que ele gera).

No caso do Hubble, por exemplo, as imagens nunca serão originalmente coloridas, porque o telescópio faz uma “fotografia” em apenas um único comprimento de onda. Então, um tipo de arquivo é gerado com imagens em preto e branco, e só após editar em algum software de processamento de imagens elas finalmente se tornam esteticamente atraentes. Mas como tudo isso funciona? Como são esses dados e como eles “viram” uma imagem colorida?

Abaixo, resumimos os processos de captura de imagens astronômicas em diferentes comprimentos de onda, e como elas são processadas para ficarem atraentes sem que nada “enganoso” seja aplicado. Usaremos um telescópio como exemplo para cada tipo de foto, com preferência aos que permitem que qualquer pessoa use seus dados — sim, você também pode criar fotos do universo com dados de grandes telescópios!

Fotos do espaço na luz visível

Esse é o tipo de foto astronômica mais simples, pois só exige boas lentes no equipamento a ser utilizado. Se você tiver o conhecimento necessário, pode usar até mesmo máquinas digitais de médio porte, e nem precisa estar em uma região livre de poluição luminosa. Telescópios simples ou mais robustos também podem ajudar a obter fotos de planetas, luas e do espaço profundo — aglomerados, galáxias e nebulosas.

Alguns telescópios de grande porte, observatórios e sondas espaciais munidas de câmeras usam a luz visível para capturar imagens — é o caso da sonda Juno, que estuda Júpiter a partir da órbita, e dos rovers Perseverance e Curiosity, que ficam na superfície de Marte. Esses instrumentos são equipados com câmeras de resolução incrível, que permitem fotografar detalhes fabulosos, mas não conseguem “ver” muito longe.

O melhor dos instrumentos que usam apenas câmeras de luz visível é que suas imagens podem ser acessadas rapidamente, caso o proprietário do equipamento disponibilize os dados. A NASA, por exemplo, tem a política de sempre fornecer de modo acessível todas as imagens coletadas pelos seus instrumentos espaciais, e qualquer cientista cidadão (pessoas comuns que desejam ajudar em algum tipo de pesquisa sem ter muito conhecimento) pode baixar e processar essas imagens.

É por isso que temos fotos fantásticas de Marte e de Júpiter, como mosaicos dos panoramas montados. Normalmente, a NASA deixa que os próprios cientistas cidadãos cuidem dessa etapa — coisa que eles fazem com o maior prazer, aliás.

Fotos do espectro invisível

Existem muitos tipos de corpos no cosmos, sejam sólidos, gasosos ou mesmo plasma. Cada um deles se comporta de um modo, emitindo ou refletindo um tipo de luz específica. Por exemplo, estrelas brilham muito em luz visível (branca, que pode ser dividida nas cores do arco-iris) ou invisível (infravermelho, ultravioleta, rádio, raios-X, raios gama e micro ondas).

Galáxias são formadas por estrelas, então elas também brilham em luz visível. Contudo, elas possuem muitos outros tipos de objetos e formações além de estrelas, tais como nebulosas, nuvens de gás e poeira, estrelas de nêutrons, buracos negros — todos brilhando com luzes em diferentes comprimentos de onda. A soma de tudo isso resulta em um espetáculo vibrante e contínuo de todo o espectro eletromagnético.

Isso acontece porque tudo o que é feito de prótons, nêutrons e elétrons (ou seja, a matéria feita de átomos) interage com a luz. Ou melhor, com as partículas fundamentais “portadoras” das luz — os fótons. Essas partículas viajam pelo universo a uma velocidade constante (a velocidade da luz) até colidir com qualquer outra coisa — uma partícula de gás, por exemplo.

Quando isso acontece, o resultado pode ser a absorção daquele fóton e, quase ao mesmo tempo, a emissão de um novo fóton, que viajará de um jeito um pouco diferente do anterior, em outro comprimento de onda. Em outras palavras, será outro tipo de radiação, uma luz diferente. Em nebulosas, por exemplo, os fótons emitidos por alguma estrela será absorvido pelos átomos de hidrogênio, que por sua vez compensarão a energia envolvida nessa interação liberando um outro fóton, que terá outra energia.

Essa nova energia terá um comprimento de onda bastante específico, que os cientistas podem identificar facilmente e dizer que essa luz veio de uma nuvem de hidrogênio. O mesmo vale para todos os outros objetos e suas respectivas emissões. Buracos negros, por exemplo, ao se alimentar de matéria, deixam parte dela escapar na forma de jatos que emitem luz nos comprimentos de onda do rádio, raio-X e raios gama.

Existem diversos tipos de interação entre radiação (ou luz, ou fótons) e de matéria (átomos), cada qual gerando um tipo de radiação. Por exemplo, a excitação atômica ou molecular ocorre quanto elétrons são deslocados de suas “órbitas” ao redor do núcleo e, ao retornarem, emitem a energia excedente sob a forma de luz, ou raios-X. Já a ionização é quando elétrons são removidos dos orbitais pelas radiações, deixando para trás o que sobrou do átomo, que agora é chamado íon.

Infravermelho e Ultravioleta

Muitas áreas do espaço estão cheias de nuvens de gás e de poeira que bloqueiam a luz visível. Se dependêssemos apenas de lentes comuns, como as de uma câmera digital ou telescópios simples, jamais veríamos o que há atrás dessas nuvens, e deixaríamos de desvendar muitos mistérios do universo. Mas a radiação infravermelha consegue passar por esses obstáculos até chegar nós.

Com telescópios de luz infravermelha, essa radiação pode ser capturada e transformada em uma “imagem” em preto e branco. Na verdade, será um mapa, onde cada pixel representa uma emissão infravermelha, com um valor que determina a intensidade daquele pequeno ponto de luz. Junte isso em milhões de pixels, cada um carregando um valor númerico de intensidade, e temos um mapa do objeto por trás daquela nuvem de gás e poeira.

Com os softwares adequados (ainda falaremos deles nesta matéria), podemos converter esses mapas de dados científicos em imagens coloridas, que representam o objeto cósmico com bastante fidelidade e altíssima precisão. Graças a telescópios de infravermelho podermos ver estrelas em formação, o centro das galáxias, discos protoplanetários e a formação de novos sistemas solares.

Como o infravermelho é basicamente uma radiação de calor, o telescópio deve ser esfriado próximo ao zero absoluto, ou seja a -273º Celsius, para que os dados coletados não sofram a interferência do calor do próprio telescópio. Um dos mais conhecidos é o Spitzer, da NASA, que ficava na órbita terrestre, pois a atmosfera do nosso planeta absorve a parte cientificamente interessante ondas infravermelhas (aliás, o mesmo vale para telescópios de raios gama e ultravioleta, mas não para rádio e micro-ondas; ou seja, tanto telescópios espaciais quanto os terrestres são importantes).

Outros comprimentos de onda

Do mesmo modo, existem objetos e fenômenos cósmicos que só podem ser totalmente compreendidos se vistos em sinais de rádio — sim, eles também são uma “luz”, emitida através de fótons, mas em comprimentos de onda que podem ter de 1 m a 1 km. O rádio permite ver alguns eventos como a formação de novos planetas, quasares distantes e as misteriosas rajadas rápidas, que os astrônomos ainda tentam desvendar.

Os radiotelescópios são um pouco diferentes, por suas ondas serem capturadas por antenas, e não por lentes. Além disso, o tamanho dessas ondas exigem pratos gigantescos, se os cientistas quiserem cobrir uma área significativa do universo — por isso observatórios como o Arecibo são tão grandes. Uma solução eficiente é a interferometria, que usa vários pratos pequenos ou médios como se fosse um só.

Já as micro-ondas, são muito úteis para estudar a radiação cósmica de fundo (CMB, da sigla em inglês), algo que o já aposentado telescópio Planck fez com louvor. Ao contrário dos objetos que emitem/refletem luz visível, infravermelha ou mesmo rádio, a CMB não revela algo com forma definida, mas sim um mapa cheio de manchas, mas muito útil para os astrônomos.

Por fim, existem telescópios para raios X e raios gama, ambos muito importantes para observação de galáxias ativas, ou seja, que possuem buracos negros supermassivos que se alimentam de matéria e despejam jatos de plasma quase à velocidade da luz.

Tá, mas e as imagens?

O processo para se obter imagens coloridas e calibradas de cada um desses telescópios depende do tipo de tecnologia empregada. Como vimos antes, os instrumentos de luz visível são bastante simples: os fótons atingirem a lente do instrumento e os dados são enviados a um CCD (chips mais ou menos parecidos com os de câmeras digitais), que os transforma em sinais elétricos.

Esses sinais são enviados a uma base de processamento de dados que os cientistas podem acessar. Bem, é um pouco mais complicado que isso, principalmente quando se trata de telescópios espaciais que transmitem dados para a Terra, mas, basicamente, é assim que as informações do universo chegam aos computadores.

Porém, caso o telescópio não seja exclusivamente de luz visível, essa imagem não será colorida. Afinal, qual seria a cor ultravioleta? Como seria a cor do rádio? Os cientistas nem sequer precisam de imagens coloridas para trabalhar nestes dados. Mas ainda há esperança para nós, que queremos ver as nebulosas em toda a sua glória e esplendor: a paleta Hubble.

Quando um astrônomo consegue tempo para usar o telescópio Hubble (ou qualquer outro que utiliza luz infravermelha e ultravioleta), uma série de filtros estará à sua disposição. Cada filtro permite que apenas luzes de um único comprimento de onda alcancem o sensor. Isso significa que cada “foto” do Hubble será de apenas uma cor: azul, vermelho, verde, ou qualquer comprimento do infravermelho e ultravioleta (são muitos).

Para uma imagem colorida, é preciso ter pelo menos as cores verde, o azul e o vermelho — o famoso RGB. Por isso, o resultado de qualquer imagem única do Hubble é algo como o que vemos abaixo.

Essa foto é, na verdade, um arquivo digital no formado FITS, específico para armazenar dados científicos. O FITS não é exatamente uma imagem, mas sim um mapeamento digital, onde cada pixel carrega uma informação sobre a emissão de luz que ele representa, com um valor que determina a intensidade daquele pequeno pontinho. Junte isso em milhões de pixels, cada um carregando um valor numérico de intensidade, e temos um mapa do objeto por trás daquela nuvem de gás e poeira.

Mas ainda é uma imagem em preto e branco. Para nossa sorte, os astrônomos raramente usam o Hubble para fotografar apenas um comprimento de onda. Afinal, eles querem saber o máximo sobre o objeto alvo, por isso costumam capturar imagens em outras “cores” cientificamente interessantes. Aqui é preciso muita sabedoria: podemos ver a luz visível com telescópios mais simples, mas poucos oferecem o poder do Hubble de ver outros comprimentos de onda.

Por isso, as pesquisas com o Hubble costumam coletar imagens em pelo menos três comprimentos — infravermelho, ultravioleta e alguma luz visível. Às vezes, são muitas imagens em diversos tipos de luz, mas o importante é obter dados do máximo de coisas acontecendo naquele objeto. Se um determinado comprimento de onda infravermelho for ignorado, o astrônomo pode perder informações valiosas de algum elemento químido ali presente.

Se você tiver pelo menos 3 imagens do mesmo objeto coletadas através do Hubble em intervalos de tempo curtos (minutos, ou mesmo horas entre uma imagem e outra), cada uma delas pode ser transformada em uma das cores RGB — vermelho, azul e verde — e empilhadas em camadas. O resultado será uma imagem colorida bastante realista, com cores naturais, que imitam aquilo que talvez veríamos caso nossos olhos enxergassem tudo o que está acontecendo naquele objeto. O resultado você vê abaixo. Legal, né?

Para fazer imagens como esta com dados do Hubble, basta "garimpar" nos bancos de dados e solicitar os arquivos FITS referentes aos comprimentos de onda mais interessantes e abrangentes possível, e associar cada um deles a uma das três cores RGB. Também será necessário um software específico, como o FITS Liberator ou o DS9 (desenvolvidos com interface mais amigável para quem não está tão preocupado com a ciência “bruta”).

Nesses softwares, você pode transformar qualquer uma das imagens do Hubble em uma foto vermelha, verde ou azul. Em nosso exemplo acima, a galáxia NGC 1566, capturada pelo Hubble em 2013, foi selecionada e seus dados foram requisitados. Após receber os arquivos FITS, a “paleta Hubble” foi aplicada, associando os comprimentos de onda maiores ao vermelho, os menores ao azul e os médios ao verde.

Após realizar esse processo, a imagem colorida ainda é exportada no formato PNG e editada em algum software de edição de imagens para aprimorar ainda mais os detalhes, destacando o objeto de interesse, removendo iluminação indesejada e os ruídos. E pronto, a imagem astronômica está preparada para publicação na mídia e apreciação do público geral.

Claro, também é possível fazer o mesmo com dados de outros instrumentos, como a sonda Juno, os rovers Curiosity e Perseverance, entre outros. Cada um, no entanto, exigirá uma curva de aprendizado e fornecerá os dados de um modo diferente.

Caso esteja interessado em fazer parte da ciência cidadã de processamento de imagens, é recomendável estudar respeito dos arquivos FITS, para começar, disponível também para os dados do telescópios de raios-X Chandra. Confira também a documentação do FITS Liberator. Se preferir processar imagens de luz visível, a NASA convida qualquer um a "brincar" com os arquivos da sonda Juno. Há muito mais por aí, mas este é um ótimo começo!

Fonte: NASA