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Fotos do James Webb mostram estrelas sempre com seis pontas. Por que será?

Você já se perguntou por que as estrelas nas imagens do telescópio James Webb sempre aparecem com seis pontas enormes? Elas são resultado da difração da luz no instrumento e os cientistas estavam cientes que isso aconteceria. Na verdade, eles projetaram a melhor maneira de sobrepor algumas delas. Mas como elas surgem?

O James Webb é revolucionário desde a engenharia envolvida para colocar a ideia em prática. Para produzir um espelho primário de 6,5 metros de diâmetro — três vezes o tamanho do espelho do Hubble —, os engenheiros projetaram 18 seções (ou segmentos) hexagonais.

Esses segmentos são divididos em três grupos: A, B e C. Cada um deles reflete a luz do universo em direção ao espelho secundário, suspenso sobre o espelho primário por três hastes. Essas características são a causa das oito pontas nas estrelas.

Espelho primário do James Webb

Engenheiros trabalham no espelho primário do Webb (Imagem: Reprodução/NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett Given)
Engenheiros trabalham no espelho primário do Webb (Imagem: Reprodução/NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett Given)

Os 18 segmentos são dispostos de modo que o próprio espelho primário forme uma parabólica e também ganhe um formato hexagonal, se olharmos de longe. Eles são feitos de berílio, banhados a ouro, e montados de modo que todos ajam como um único espelho.

Como dito antes, eles são separados em três grupos:

  • Grupo A: são para os segmentos internos, onde cinco arestas hexagonais farão fronteira com outro segmento do espelho, e a mais interna está voltada para a lacuna central.

  • Grupo B: estão nos cantos externos do espelho primário, cada um com três arestas que fazem fronteira com outro segmento; as outras três arestas compõem a borda externa do espelho primário, ou seja, não fazem fronteira com outros hexagonos.

  • Grupo C: cada um deles está posicionado entre segmentos “B” e possuem quatro arestas na margem de algum segmento (três com segmentos B e um para segmentos A), enquanto outras duas arestas sobram para formar a borda externa do espelho primário.

Cada um dos 18 segmentos forma um pedaço de um espelho perfeito, enviando a luz cumulativa de um alvo distante até um único ponto nos instrumentos do telescópio. Para isso, foi necessário compensar não apenas a variação entre os segmentos, mas também o espaçamento entre cada um deles.

Cada grupo de segmentos e suas respectivas posições é ilustrado acima (Imagem: Reprodução/NASA/James Webb Space Telescope team)
Cada grupo de segmentos e suas respectivas posições é ilustrado acima (Imagem: Reprodução/NASA/James Webb Space Telescope team)

Uma parte das oito pontas nas estrelas está relacionada aos segmentos em forma hexagonal e outra parte ao próprio formado do espelho secundário como um todo.

Espelho secundário do James Webb

Ilustração da luz refletida no espelho primário e, em seguida, no espelho secundário em direção ao instrumento central (Imagem: Reprodução/NASA/Mike McClare)
Ilustração da luz refletida no espelho primário e, em seguida, no espelho secundário em direção ao instrumento central (Imagem: Reprodução/NASA/Mike McClare)

O espelho secundário do Webb, assim como de muitos outros telescópios, está posicionado acima da parabólica e tem como função refletir a luz espelhada por ela para os instrumentos ópticos. Ele está suspenso por três hastes, que também estão posicionadas de modo muito estratégicos.

São três eixos sobre os quais as hastes se apoiam, e eles também causam três conjuntos de picos nas imagens das estrelas. Outros telescópios refletores formado por um espelho primário e um secundário, onde a luz é refletida em um “buraco” localizado no espelho primário, precisam dessas hastes.

As hastes, independente das posições, costumam causar algum tipo de efeito refratário. A forma desses efeitos em forma de pontas é determinada pela posição das próprias hastes, ou melhor, pelos eixos nos quais elas se apoiam.

Comparação de pontas de difração em várias configurações de suporte em um telescópio refletor (Imagem: Reprodução/Cmglee/Wikimedia Commons)
Comparação de pontas de difração em várias configurações de suporte em um telescópio refletor (Imagem: Reprodução/Cmglee/Wikimedia Commons)

Os dois suportes inferiores formam um ângulo proposital de 150º em relação ao suporte superior. Como você pode ver na imagem acima, essa configuração forma um efeito que lembra bastante aquele que observamos nas imagens do Webb.

Entretanto, essa semelhança não é exatamente pelo motivo que parece. A ilustração não inclui a real configuração de hastes do Webb. Na verdade, elas estão posicionadas de modo que quatro das pontas resultantes das hastes coincidam com as pontas formadas pelos segmentos do espelho primário.

Como as pontas das estrelas surgem nas imagens

Imagem de março com detalhes das pontas de difração, antes do ajuste final realizado pela NASA (NASA/STScI; anotações de E. Siegel)
Imagem de março com detalhes das pontas de difração, antes do ajuste final realizado pela NASA (NASA/STScI; anotações de E. Siegel)

Cada um dos seis principais picos de difração tem um conjunto de grandes faixas, ou seja, essas luzes não estão exatamente alinhados em um único pico. Além disso, há raios de luz menores entre as pontas que atrapalham a visualização de objetos muito próximos.

As pontas formadas pelas hastes surgem da difração causada pelas duas bordas de cada um dos suportes. Assim, juntos, eles produzem seis picos de difração. Por outro lado, o espelho primário também forma seis pontas.

Isso ocorre porque, além de ser formado por 18 segmentos hexagonais, o espelho primário completo também tem formato hexagonal. Isso por si já resulta em seis pontas de refração (em um espelho redondo o resultado seria um efeito circular ligeiramente difuso nas bordas).

Como observamos na imagem abaixo, exibida em um documento de 2007 para prever os resultados do Webb, efeito fica ainda mais complexo quando são adicionados os espaçamentos de 4mm entre as seções e as hastes do espelho secundário.

Previsão do resultado da luz das estrelas no James Webb (à direita) em comparação com outras configurações (Imagem: Reprodução/RB Makidon/S. Casertano/C. Cox/R. van der Marel/STScI/NASA/AURA)
Previsão do resultado da luz das estrelas no James Webb (à direita) em comparação com outras configurações (Imagem: Reprodução/RB Makidon/S. Casertano/C. Cox/R. van der Marel/STScI/NASA/AURA)

Resumindo, à medida que a luz reunida pelos 18 segmentos hexagonais é refletida no espelho secundário à sua frente, ela “colide” com as hastes, criando os picos de difração perpendicular a cada suporte.

Por fim, o formato cuidadosamente planejado dos dois conjuntos de efeitos faz com que ambos se sobreponham, evitando ainda mais pontas. Note que ambos os grupos têm seis pontas, mas quatro delas estão sobrepostas, resultando em apenas oito pontas no final.

Apesar de tudo isso, nem todas as fotos do Webb têm estrelas com pontas. Na verdade, isso parece ocorrer apenas com as imagens tiradas pela Near-Infrared Camera (NIRCam), enquanto outras, feitas pelo Mid-Infrared Instrument (MIRI), os artefatos não aparecem.

As oito pontas de luz são formadas por dois grupos de seis pontas cada (Imagem: Reprodução/Pete Lawrence/Science Focus)
As oito pontas de luz são formadas por dois grupos de seis pontas cada (Imagem: Reprodução/Pete Lawrence/Science Focus)

O motivo é que a NIRCam observa a luz em comprimentos de onda no infravermelho próximo, onde as pontas de difração são muito brilhantes. Já o MIRI observa luz infravermelha média, onde os picos aparecem bem mais sutis.

Fonte: Canaltech

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