A tecnologia de sensores de luz infravermelho deu grandes passos em frente com o Webb. Os novos sensores são maiores, mais duradouros e produzem imagens com menos ruído.
Da astronomia para os telemóveis
Quase toda a gente anda com um telemóvel que tira fotografias. As fotografias são registos fidedignos da luz que entra por um buraquinho na parte de trás do aparelho. A luz passa por umas lentes e é registada num detector miniatura que transmite a informação ao “cérebro” do telefone para que este produza uma imagem que podemos admirar mais tarde.
Estes detectores de luz são um dos melhores exemplos de transferência de tecnologia da investigação pura e aplicada para o dia-a-dia. As primeiras versões nas décadas 1970 e 1980 eram tecnologia de ponta que sofreu grandes desenvolvimentos devidos à sua utilidade em astronomia e astrofísica para registar imagens do universo recolhidas nos telescópios. O esforço da indústria e engenharia em prol da investigação levou aos dias de hoje em que a tecnologia está vulgarizada em praticamente qualquer telemóvel.
Fotões
Embora luz se propague como uma onda, com frequência e comprimento de onda associados, ao embater num material a luz comporta-se como se viesse embalada em pacotinhos chamados fotões. Cada fotão transporta uma certa quantidade de energia, que é inversamente proporcional à frequência da luz. Quanto mais baixa a frequência, ou mais longo o comprimento de onda, menor a energia do fotão¹.
Detectores de luz
O típico detector de luz consiste num grelha, tipo jogo de batalha-naval, que regista quantos fotões chegam a cada quadradinho (chamado pixel). Ao aterrar numa determinada coordenada da grelha, um fotão dá um piparote num electrão que fica pronto para ser conduzido electricamente e contado na preparação da imagem. No final basta contar quantos fotões caíram em cada pixel. Num ponto onde caíram muitos aparecerá uma estrela ou uma galáxia, enquanto noutro onde caíram quase nenhuns permanecerá a escuridão do pano de fundo do universo.
Filtros e cores
Na descrição acima o detector produz uma imagem a preto e branco. Branco, onde aterram muitos fotões, e preto onde não aterram nenhuns. Para produzir imagens a cores utilizam-se filtros. Um filtro só deixa passar fotões num determinado intervalo de comprimentos de onda. Tirando, por exemplo, três imagens da mesma paisagem do universo com três filtros diferentes e atribuindo a cada uma das três imagens as cores vermelho, verde e azul e sobrepondo-as permite-nos obter uma imagem a cores.
Detectores do Webb
O Webb usa duas câmaras, a NIRCam para o infravermelho mais próximo do visível (comprimento de onda 0.6-5 μm) e a MIRI para comprimentos de onda no infravermelho mais distante (5-28 μm).
Os sensores da NIRCam são os HAWAII-2RG™ (H2RG) fabricados pela Teledyne. São 8 quadrados, cada um com 2048 pixels de lado, e feitos de Cádmio Mercúrio Telureto (abreviado HgCdTe), organizados em dois conjuntos de 2 por 2 cada. A área coberta pelo conjunto de 8 no céu é de 5.1 por 2.2 minutos de arco. Para se ter uma ideia, a Lua tem um diâmetro de 31 minutos de arco, portanto cabem 67 imagens da NIRCam na Lua cheia.
A MIRI usa 3 sensores de silício dopado com arsénio (abreviado Si:As), cada um com 1000 por 1000 pixels e cobrindo a mesma área que 4 H2RG (ver imagem acima). Os sensores são fabricados pela Raytheon Vision Systems.
Todos os sensores usam uma tecnologia tipo sandwich, com a camada de detecção e a camada de leitura a ensanduichar uma camada de irídio que liga as duas.
Leitura “contínua”
O registo de uma imagem em astronomia pode demorar muitos minutos, ou mesmo horas. Os objectos a observar são tão fraquinhos que é preciso esperar a chegada de fotões suficientes para se ver qualquer coisa. Ao contrário dos sensores tipicamente usados em astronomia, os do Webb podem ser lidos durante o registo de imagem. Por outras palavras, é possível ler “em andamento”.
A vantagem de tirar várias leituras durante uma observação é que se podem detectar variações grandes e inesperadas no brilho de um pixel. Em astronomia estes saltos são normalmente causados por raios cósmico, que “sujam” regiões importantes da imagem. A possibilidade de registar a chegada de raio cósmico durante uma observação permite aplicar estratégias de correcção de imagem.
O ruído de imagem é um dos principais inimigos da astronomia observacional. A subtileza dos sinais que se pretendem detectar requere imagens altamente estáveis e limpas. Outra vantagem da leitura “em andamento” é a possibilidade de usar estatística para reduzir o ruído e aumentar a qualidade da imagem.
Poderão estes sensores também ter aplicações na Terra?
Saber mais:
- https://webb.nasa.gov/content/about/innovations/infrared.html
- https://www.nasa.gov/feature/ames/webb
- https://www.azosensors.com/article.aspx?ArticleID=2640
- https://www.rmg.co.uk/stories/topics/james-webb-space-telescope-vs-hubble-space-telescope
- https://www.teledyneimaging.com/en/aerospace-and-defense/products/sensors-overview/infrared-hgcdte-mct/hawaii-2rg/
