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Telescópio: 400 anos

Observatório Phoenix
Dúvidas e Perguntas?

Muitos dos iniciantes da astronomia montam lunetas usando lentes de óculos, como a mostrada em Construa uma luneta, nesta mesma seção.
Animados com os parcos resultados as primeiras perguntas são inevitáveis: Será que posso fazer uma maior? Posso usar uma lente de maior diâmetro? Posso conseguir mais aumentos?

Estas mesmas dúvidas surgiram há 400 anos! Apesar da existência de lentes desde a antiguidade (2000 AC), somente no início do século XVII elas foram montadas em um arranjo que permitia a aproximação de objetos distantes.
A descoberta casual de Hans Lippershey (1570-1619), um comerciante holandês, disparou uma corrida interminável neste sentido. Tendo tomado conhecimento da novidade, Galileu Galilei (1564-1642) construiu sua luneta e a apontou para o céu, revolucionando a astronomia.

Desde então os fenômenos ópticos envolvidos foram objeto de estudo de muitos astrônomos, físicos e matemáticos. Os astrônomos ávidos de descobertas buscavam instrumentos melhores, mas as leis da óptica ainda não eram suficientemente conhecidas. Sem o respaldo da teoria, várias experiências foram feitas, algumas quase absurdas, outras com algum sucesso.

As primeiras tentativas esbarraram nos problemas das aberrações esférica e cromática. Muitas alternativas foram tentadas no sentido de contornar estes problemas. Lentes de vários formatos foram polidas até que foi obtida uma plano convexa que minimizava estes problemas, desde que a distância focal fosse suficientemente grande. Uma razão focal de f/D=150 era tida como um bom número.
Em 1621 Willebrord Snel (1580-1626) demonstrou matematicamente que lentes esféricas não poderiam formar imagens pontuais; para isso as lentes deveriam ter superfícies como elipsóides de revolução ou hiperbolóides de revolução. Muitos fabricantes de lentes adotaram estes critérios e ficaram famosos pela qualidade das imagens obtidas com suas lentes de grande distância focal. Johannes Hevelius (1611-1687) chegou a construir telescópios com 46 metros de comprimento! Quanto maior a distância focal, maiores e mais escuras eram as imagens obtidas. Mas muitas descobertas foram feitas nestes gigantescos telescópios, de operação quase impossível.
Imagine uma maneira de construir um tubo deste comprimento, e mantê-lo alinhado enquanto era apontado para um planeta. Era uma parafernália de postes, roldanas, cabos e cordas, manobrados por várias pessoas.

Christian Huygens (1629-1695) abandonou os instáveis tubos de madeira de Hevelius e construiu em 1679 um telescópio de 37,5 metros com a objetiva montada no alto de um mastro. Um cabo era usado para alinhar a objetiva com a ocular e ajustar o foco. Ele era chamado de "telescópio aéreo". Apontar o telescópio era uma tarefa quase impossível.
Isaac Newton considerou o "telescópio aéreo" um grande avanço na época.

As mesmas restrições ópticas enfrentadas no polimento das objetivas eram encontradas na fabricação de oculares. Vários arranjos de lentes foram tentados na busca por oculares mais curtas. Nesta época surgiu a famosa ocular de Huygens, com duas lentes plano convexas, usadas até hoje.

Os telescópios longos dominaram os observatórios, mas a aberração cromática permanecia como um mistério.
Sir Isaac Newton (1642-1727) foi o primeiro a considerar que esta aberração era algo intrínseco à natureza da própria luz, e não à qualidade do material ou do polimento dos prismas usados para realizar a experiência de Grimaldi, que primeiro decompôs o espectro da luz solar. Pela primeira vez a aberração cromática foi atribuída à refração e desvinculada da forma da lente, ligada à aberração esférica. Na falta de uma solução, Newton propôs em 1668 a construção de um telescópio refletor, com um espelho parabolóide para corrigir a aberração esférica e um pequeno espelho diagonal que desviava a luz para fora do tubo. Um protótipo foi apresentado à Royal Society em 1671 e impressionou tanto pela qualidade e limpidez das imagens que Newton foi eleito membro da sociedade.

No início de 1721 John Hadley (1682-1744) apresentou um telescópio newtoniano de 6 polegadas de abertura que fornecia imagens melhores que o telescópio aéreo de Huygens, surpreendendo o próprio Newton, que na época era presidente da Royal Society. O segredo? Hadley testou seu espelho usando um ponto luminoso no centro de curvatura. Este teste foi mais tarde aperfeiçoado por Jean-Bernard-Léon Foucault (1819-1868) e é usado até hoje. Além da qualidade óptica, o manejo do instrumento era de extrema simplicidade. Os observatórios de todo o mundo adotaram este novo padrão.
Estes telescópios usavam espelhos de uma liga duríssima de cobre e estanho, o speculum, que tinham de ser constantemente polidos, já que se oxidavam rapidamente. A cada nova descoberta, telescópios maiores eram construídos. William Herschel (1738-1822) tornou-se um dos maiores construtores de grandes telescópios e ajudou a desenvolver técnicas de fundição e polimento e testou novas ligas metálicas para construção dos seus espelhos, o maior deles, com 1,2 metros de diâmetro, usado no grande telescópio de 40 pés. Usando seus instrumentos fez importantes descobertas, como a de Urano em 1881, e de vários satélites de Saturno.

Mas enquanto os astrônomos construíam refletores maiores, os ópticos teóricos e práticos não abandonaram a idéia de um refrator acromático. Uma idéia, atribuída a David Gregory, sobrinho do inventor do telescópio gregoriano, James Gregory (1638-1675), observou que os índices de refração do cristalino e do humor aquoso do olho humano são ligeiramente diferentes, e que a natureza, na sua infinita sabedoria, teria feito assim para evitar a dispersão da luz.
Em 1729, Chester Moor Hall (1703-1771), seguindo esta linha de pensamento, conseguiu uma combinação de lentes, feitas com vidros de diferentes índices de refração, que corrigiam a aberração cromática, mas manteve segredo. Em 1733 ele fabricou o primeiro telescópio acromático.
Em 1757 John Dollond (1706-1761), construtor de lentes e prismas, usando os mesmos princípios de Hall, conseguiu uma combinação de três lentes feitas com vidros especiais (crown e flint) que podiam corrigir simultaneamente as aberrações cromática e esférica.
A qualidade das imagens ganhou novos limites e soluções teóricas, com pesquisadores e ópticos desde Joseph von Fraunhofer (1787-1826) até Alvan Clark (1832-1897). No momento seguinte, os olhos do mundo se voltaram para os refratores. Eles agora poderiam ser mais curtos, mais claros, mais fáceis de construir e operar, além de fornecer imagens com um contraste inigualável. Uma nova corrida começou neste sentido, mas esbarrou em um ponto: como conseguir o vidro óptico?

A tecnologia de fabricação de vidro era propriedade de algumas famílias que guardavam seus segredos com a própria vida, se necessário. A técnica se misturava à magia da alquimia e os resultados não eram repetitivos. Algumas vezes o resultado era maravilhoso e blocos únicos foram criados e vendidos a preços exorbitantes. Aos poucos a tecnologia foi absorvida e os artesãos começaram a controlar alguns parâmetros misteriosos, como o índice de refração e a transparência das peças e conseguiram obter blocos de 50 mm de diâmetro. O alto preço do vidro impulsionou as pesquisas.
O problema agora era conseguir fabricar blocos de vidro óptico de maior diâmetro. As tensões internas rachavam as peças maiores e muitas continham impurezas que inutilizavam os blocos obtidos.
Desenvolvendo técnicas de resfriamento lento e novos materiais os blocos foram crescendo até os 102 centímetros, usados no famoso telescópio do Observatório de Yerkes, depois de polidos por Alvan Clark em 1897, o maior do mundo e que continua em operação.

A partir deste tamanho, o peso próprio dos blocos de vidro tornou inviável a construção de lentes maiores.

Em 1856 Léon Foucault desenvolveu um procedimento de prateamento dos espelhos de vidro para telescópios que é usada até hoje. Apesar da camada de prata ser muito delicada e sofrer com a oxidação, é muito mais fácil refazer o prateamento periodicamente que polir os espelhos metálicos. Desta maneira o perfil dos espelhos é preservado, dispensando todo o procedimento de novos testes. Esta técnica permitiu que os pesados espelhos metálicos fossem abandonados e em seu lugar fossem usados blocos de vidro, mais leves e mais estáveis termicamente. Além disso eles poderiam ser apoiados na estrutura do telescópio, já que a luz não atravessa o bloco. A inexistência de aberração cromática na reflexão permitiu também que fossem construídos telescópios cada vez mais curtos. A adoção do arranjo de Cassegraim permitiu a construção de telescópios compactos, de manuseio mais simples e o uso de cúpulas menores para os abrigar.

A descoberta de novos materiais, como o borosilicato permitiram a fundição de blocos cada vez maiores e os refletores novamente ultrapassaram os refratores. Durante o final do século XIX e na primeira metade do século XX os telescópios refletores cresceram assustadoramente de tamanho, culminando com a construção do telescópio Hale, de 5 metros e do Grande Telescópio Altazimutal russo, com 6 metros de abertura.

Novamente foram encontradas barreiras, desta vez ligadas ao tamanho e peso dos espelhos e das estruturas. Técnicas alternativas foram criadas. Espelhos finos e flexíveis foram desenvolvidos e montados sobre atuadores eletrônicos.

No final dos anos 70 uma nova tecnologia foi entregue aos astrônomos, um telescópio de espelhos múltiplos. Trabalhando neste sentido foram construídos os dois maiores telescópios da atualidade: os gêmeos Keck de 10 metros de diâmetro.

Nos 400 anos que se passaram desde a descoberta de Lippershey, a engenhosidade do homem tem sido posta à prova, no sentido de saber mais sobre o universo. Somente a astronomia teria tanta força para manter vivo este sonho.

Hoje, no início do século XXI, já estão em projeto telescópios com 30 metros de abertura, com um ganho de luz um milhão de vezes maior que o de Galileu. Mas os astrônomos continuam sonhando alto e até meados do século esperam contar com instrumentos de 100 metros de diâmetro.

Bibliografia: The history of telescope - Henry C. King

01-jan-2004

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