Olhe para o espaço à noite de um local escuro e você poderá ver inúmeras estrelas. Por que, então, as fotos de coisas no espaço não contêm estrelas? Como é que os céus negros da Lua não contêm estrelas nas fotos de Chang'e?
A resposta: as estrelas estão lá, elas são muito fracas para aparecer.
Posso ilustrar com um exemplo da vida cotidiana. Tenho certeza de que todos que estão lendo este artigo cometeram o erro de tirar uma foto de um ente querido em pé na frente de uma janela bem iluminada. Em sua foto, tudo o que você pode ver é uma silhueta; o rosto do seu assunto é uma sombra quase inexpressiva. O rosto deles ainda existe, é claro! Só não é iluminado o suficiente para aparecer na foto.
Os mesmos problemas que podem fazer com que seus instantâneos casuais pareçam ruins também afetam as imagens espaciais. Vamos falar sobre três coisas que afetam os detalhes que você pode ver em qualquer foto, seja de uma estrela, um planeta ou uma pessoa: a sensibilidade da câmera, o tempo que sua câmera teve para coletar luz e o alcance dinâmico do seu Câmera.
Quão sensível é sua câmera?
Quanta luz sua câmera precisa ver? Câmeras sofisticadas podem ajustar a sensibilidade abrindo e fechando a abertura que deixa a luz entrar. Os olhos humanos fazem a mesma coisa, automaticamente, o tempo todo, dilatando e contraindo suas pupilas. Se você é uma pessoa com visão caminhando de uma área externa bem iluminada para uma escura, você também não verá estrelas no céu, pelo menos não imediatamente. À medida que seus olhos aumentam sua sensibilidade abrindo suas pupilas, você percebe lentamente estrelas cada vez mais fracas.
A maioria das câmeras espaciais não consegue ajustar sua abertura dessa maneira. Em vez disso, os cientistas prevêem os níveis de luz que uma câmera encontrará durante sua missão e projetam seus instrumentos para ter uma abertura de tamanho apropriado para o intervalo de alvos que esperam encontrar. Isso pode ser um desafio se sua espaçonave encontrar uma ampla gama de brilhos de alvos, mas você faz sua câmera funcionar nos alvos científicos pretendidos e não se preocupe se não for ideal para quaisquer extras divertidos que você possa fotografar ao longo do caminho . O OSIRIS-REx, cujo MapCam foi projetado para estudar as cores de um asteroide de tons muito escuros, não conseguia olhar para a Terra sem ficar sobrecarregado pela luz brilhante refletida de nuvens brilhantes, causando os artefatos que você vê no topo desta imagem .
Sobre a Imagem: TERRA DA OSIRIS-REX MAPCAM OSIRIS-REx passou pela Terra em 22 de setembro de 2017 e tirou esta foto logo depois. O Oceano Pacífico cobre quase todo o globo visível. O Sol está quase atrás da espaçonave, e uma área brilhante no oceano perto do centro da visão é o reflexo especular da superfície da água. A imagem é uma composição de três fotos tiradas através de filtros infravermelho, verde e azul com tempos de exposição de 1,5 milissegundos. O uso de um filtro infravermelho faz com que a terra que pareceria verde pareça vermelha. "Icicles" no topo são causados pelo bleed-through do registro de leitura do detector, que ocorre nos tempos de exposição muito curtos necessários para uma visão de perto de um planeta brilhante. Imagem: NASA / GSFC / UA / Björn Jónsson
Mas as imagens MapCam de Bennu parecem boas, porque é isso que MapCam foi projetado para fotografar. (Observe que em nenhuma dessas imagens você pode ver estrelas no espaço preto ao redor dos mundos.)
Sobre a Imagem: BENNU DO SUL, 17 DE DEZEMBRO DE 2018 Esta imagem foi capturada pelo imager MapCam da OSIRIS-REx em 17 de dezembro de 2018 enquanto a espaçonave voava sob o polo sul de Bennu durante o levantamento preliminar do asteroide da missão. A imagem tem um tempo de exposição de 9,3 milissegundos e foi tirada de uma distância de cerca de 12 quilômetros enquanto a espaçonave se afastava do asteroide. Imagem: NASA / GSFC / UA
Quanto tempo sua câmera tem para coletar luz?
Exposições mais longas coletam mais luz – ajudando a detectar coisas mais fracas – do que exposições mais curtas. Não há equivalente real para a configuração de exposição na visão humana - notamos mais quando olhamos para algo mais longo, mas isso não é exatamente a mesma coisa. Fotografias do céu noturno que estão cheias de estrelas são exposições longas, geralmente levando muitos minutos - leva tanto tempo para a câmera detectar fótons suficientes para uma visão bonita. Exposições curtas não pegam estrelas. A foto abaixo foi uma exposição de minutos de duração. O que parece ser a luz do sol nas montanhas é na verdade o luar.
Sobre a Imagem: A VIA LÁCTEA SOBRE GLACIER POINT, PARQUE NACIONAL DE YOSEMITE A Via Láctea de Glacier Point no Parque Nacional de Yosemite. O luar ainda ilumina Half Dome e as altas Sierras além. Embora as cores da Via Láctea sejam visíveis apenas em fotografias de longa exposição, a maioria dos detalhes é visível a olho nu se você dedicar um tempo para olhar. Imagem: Tyler Nordgren
As fotos dos astronautas da Apollo foram expostas para a superfície lunar iluminada pelo sol e trajes espaciais brancos. Essas exposições eram muito curtas para detectar estrelas no céu.
Sobre a Imagem: COMANDANTE DA APOLLO 15 DAVID SCOTT NA ESTAÇÃO ALSEP Comandante da Missão David Scott implantando instrumentação do Pacote de Experimentos de Superfície Lunar Apollo (ALSEP). Imagem: NASA
As câmeras espaciais podem permitir uma ampla variedade de configurações de exposição. A câmera LORRI da New Horizons, por exemplo, pode capturar imagens com exposições tão curtas quanto 1 milissegundo e até 30 segundos. Eles usaram a configuração de exposição mais curta quando estavam passando por Júpiter, que está muito mais próximo do Sol e muito mais brilhante que Plutão. Eles usam as exposições mais longas para os alvos mais fracos - mundos distantes no cinturão de Kuiper.
Como um aparte, isso responde a outra pergunta comum que recebemos sobre imagens espaciais: como as câmeras podem ver para tirar fotos tão longe do Sol, onde a luz é relativamente fraca? A resposta: enviamos câmeras sensíveis e, se necessário, fazemos longas exposições. A Voyager 2 at Neptune fornece bons exemplos do que acontece quando enviamos uma câmera que não é sensível o suficiente. Projetado para Júpiter e Saturno, teve dificuldade em enxergar no escuro relativo em Netuno.
Sobre a Imagem: A MELHOR IMAGEM DA LUA DE NETUNO PELA Voyager 2 As câmeras da Proteus Voyager 2 foram projetadas para níveis de luz em Júpiter e Saturno, então eles lutaram para reunir luz suficiente para ver Urano e Netuno, especialmente ao fotografar alvos escuros como pequenas luas. Estas são as melhores imagens que a Voyager 2 tirou de Proteus. A superior esquerda, tirada através de um filtro transparente, é uma exposição de 3,84 segundos. As outras três pequenas, tiradas através de filtros de cores (no sentido horário a partir do canto superior direito: violeta, verde e azul) exigiram exposições de 15,36 segundos, e duas delas são borradas pelo movimento da espaçonave durante esse longo tempo. A da direita, tirada através de um filtro transparente, é uma exposição de 1,92 segundo; não está borrado, mas os níveis de luz são tão baixos (e a corrente escura da câmera é relativamente brilhante) que é difícil ver os detalhes.Imagem: NASA/JPL
Qual é o alcance dinâmico da sua câmera?
Sua câmera é capaz de ver tanto coisas mal iluminadas quanto bem iluminadas na mesma imagem? Ou sua capacidade de coleta de luz é rapidamente sobrecarregada por coisas mais brilhantes antes que tenha tempo de detectar qualquer luz de coisas mais escuras? Aqui é onde nossos olhos geralmente se saem muito melhor do que nossas câmeras. Quando vejo um amigo sentado na frente de uma janela, posso ver seu rosto muito bem porque meus olhos são capazes de discernir detalhes tanto na sombra quanto na luz do sol. Isso ocorre em parte porque meus olhos não estão parados quando olho para uma cena. Meus olhos se movem constantemente, olhando pela janela, olhando para dentro de casa, olhando para o rosto do meu amigo, cada vez ajustando o foco e a abertura. Meu cérebro constrói um composto de todas essas informações, tornando a visão no olho da minha mente mais detalhada do que qualquer visão instantânea do meu olho físico.
Mas espere - as câmeras digitais modernas têm um truque que imita o que o olho e o cérebro humanos fazem. Com a câmera do meu telefone, posso ativar um recurso chamado “HDR”, que significa alto alcance dinâmico . Quando tiro uma foto no modo HDR, o telefone tira duas fotos (uma com exposição mais longa, outra mais curta) e mescla as partes mais expostas de ambas as imagens, para me mostrar detalhes fora da janela e nos recursos do meu amigo.
As câmeras espaciais normalmente têm um alcance dinâmico mais alto do que as câmeras de consumo, portanto, são capazes de gravar coisas relativamente fracas e brilhantes na mesma imagem. Pode ser difícil avaliar quantos detalhes existem nas sombras das imagens espaciais, porque nossos monitores digitais diários geralmente não são capazes de uma faixa dinâmica tão alta. Mas você pode brincar com o brilho e o contraste nas imagens espaciais para revelar detalhes ocultos nas sombras. Confira o que é visível em dois trechos de contraste diferentes de uma imagem Rosetta OSIRIS do cometa Churyumov-Gerasimenko. É a mesma foto, feita com os mesmos dados, acabei de dizer ao computador para exibir valores de pixels baixos com brilhos mais altos.
Sobre as Imagens: ANTES E DEPOIS: FRATURAS EM PENHASCOS SOMBREADOS DE CHURYUMOV-GERASIMENKO O aumento do brilho das imagens OSIRIS pode revelar detalhes nas sombras iluminadas apenas indiretamente. Aqui, alguns penhascos na cabeça do cometa revelam ter pelo menos dois conjuntos cruzados de fraturas. Imagem: ESA / Rosetta / DLR / MPS para OSIRIS Team MPS / UPD / LAM / IAA / SSO / INTA / UPM / DASP / IDA / Emily Lakdawalla
Exemplo: Novos Horizontes
Vamos explorar como as configurações de exposição e outros fatores tornam as estrelas visíveis algumas vezes e outras não. Vamos viajar juntos a bordo do New Horizons enquanto ele usa sua câmera LORRI para tirar fotos de alvos com brilhos intrínsecos variados, capturando algumas estrelas ao longo do caminho. Como mencionei anteriormente, o LORRI possui uma abertura fixa e alta faixa dinâmica e pode usar uma ampla variedade de configurações de exposição. Um dos alvos mais legais em Júpiter é a lua vulcânica Io. Aqui está uma foto LORRI de Io tirada quando a New Horizons se aproximou do sistema de Júpiter. A foto usou uma exposição de 4 milissegundos. Io está bem exposta e nenhuma estrela é visível.
Sobre a Imagem: IO DA NEW HORIZONS (TEMPO DE EXPOSIÇÃO: 4 MILISSEGUNDOS) A New Horizons tirou esta foto de Io com sua câmera LORRI a uma distância de 2,865 milhões de quilômetros em 26 de fevereiro de 2007. Imagem: NASA / JHUAPL / SwRI
Alguns segundos depois, LORRI tirou outra foto de Io, com uma exposição muito mais longa: 75 milissegundos. Io está severamente superexposto e os efeitos dessa superexposição estão causando algo chamado “mancha de leitura”, o efeito listrado na imagem. Por que eles fariam isso? Confira a borda do disco de Io. Você pode ver pelo menos três plumas vulcânicas em erupção na superfície de Io. Nesta configuração de exposição, há ricos detalhes visíveis nas plumas. Ainda assim, mesmo com uma exposição quase 20 vezes maior do que a imagem de Io acima, não estou convencido de que nenhuma estrela seja visível. (Não tenho certeza de qual é o ponto à direita de Io, mas é o único na foto e é muito brilhante; acho que provavelmente é um raio cósmico.)
Sobre a Imagem: IO DA NEW HORIZONS (TEMPO DE EXPOSIÇÃO: 75 MILISSEGUNDOS) Uma imagem de longa exposição de Io tirada em 26 de fevereiro de 2007 durante o sobrevoo de Júpiter da New Horizons. A luz do sol no lado diurno de Io saturou o detector da câmera LORRI da New Horizons, causando listras na foto. Mas a longa exposição revela estruturas encantadoras na pluma em forma de guarda-chuva do vulcão Tvashtar em erupção ativa. Duas ou mais outras plumas são visíveis no lado noturno de Io. Imagem: NASA / JHUAPL / SwRI
Aqui está um conjunto diferente de imagens de Io. A essa altura, 2 dias depois, Io havia se movido em torno de Júpiter e na sombra de Júpiter. Nenhuma luz solar está atingindo a superfície de Io. Você está vendo Io brilhando no escuro, iluminada por suas plumas vulcânicas quentes. (Você também está vendo muitos artefatos de câmera causados por luz difusa -- Io estava em eclipse, mas a New Horizons não; a luz de Júpiter está refletindo na câmera, causando respingos de luz e um fundo brilhante. Há também uma tonelada de fuzz causado por partículas energéticas que atingem o detector - Júpiter tem muitas dessas coisas voando ao redor.) Pense por um minuto sobre como é legal podermos ver o brilho quente dos vulcões de Io na escuridão total de um eclipse! Foi necessária uma exposição muito mais longa, quase 8 segundos, para tornar a luz própria de Io de seus vulcões visível para o LORRI. Finalmente, temos uma exposição longa o suficiente para ver estrelas ao fundo. Na verdade, usei essas estrelas para alinhar as imagens; nesta animação, as estrelas ficam paradas enquanto Io se move e a New Horizons ajusta seu apontamento.
Sobre a Imagem: IO EM ECLIPSE DA NEW HORIZONS Quando a New Horizons passou por Júpiter, viu Io se mover para a sombra de Júpiter. Com o Sol bloqueado da superfície de Io, a New Horizons pôde ver a luz emitida pelos vulcões de Io. Cada imagem nesta animação de 28 quadros exigia uma exposição de 8 segundos para tornar visível o brilho fraco dos vulcões quentes. As longas exposições também tornam as estrelas de fundo visíveis. Há uma série de artefatos nessas imagens. Grandes listras na foto e o fundo geralmente brilhante resultam da luz difusa que entra no barril do LORRI - Júpiter iluminado pelo sol não está muito fora do campo de visão do LORRI, e suas nuvens brilhantes estão refletindo a luz na ótica da câmera. Há também muita "neve" de partículas energéticas que atingem o detector. Imagem:
Aqui: para ajudá-lo, selecionei algumas das estrelas. Concentre-se e você poderá ver um pouco mais; Tenho certeza de que há muitos mais fracos na parte superior da animação.
Sobre a Imagem: IO EM ECLIPSE DA NEW HORIZONS (ANOTADO) Quando a New Horizons passou por Júpiter, viu Io se mover para a sombra de Júpiter. Com o Sol bloqueado da superfície de Io, a New Horizons pôde ver a luz emitida pelos vulcões de Io. Cada imagem nesta animação de 28 quadros exigia uma exposição de 8 segundos para tornar visível o brilho fraco dos vulcões quentes. As longas exposições também tornam as estrelas de fundo visíveis. Nesta versão da animação, as estrelas mais brilhantes são marcadas com linhas brancas horizontais. Há uma série de artefatos nessas imagens. Grandes listras na foto e o fundo geralmente brilhante resultam da luz difusa que entra no barril do LORRI - Júpiter iluminado pelo sol não está muito fora do campo de visão do LORRI, e suas nuvens brilhantes estão refletindo a luz na ótica da câmera. Há também muita "neve" de partículas energéticas que atingem o detector.Imagem: NASA / JHUAPL / SwRI / Emily Lakdawalla
(Correndo o risco de tornar as coisas muito complicadas, vou mencionar que, na verdade, a New Horizons usou um segundo truque, além da longa exposição, para tornar as coisas fracas mais visíveis nessas imagens de eclipse. 4 grupos de pixels e, assim, retornando as imagens apenas 256 pixels quadrados em vez de 1024. Ao categorizar os dados, eles obtêm 16 vezes menos pixels, mas tornam a câmera muito mais sensível, menos afetada por ruído aleatório. impede que as imagens fiquem borradas devido ao movimento da espaçonave durante exposições longas.)
À medida que a New Horizons se aproximava de Plutão, as estrelas ainda eram visíveis em suas exposições relativamente longas. Você ainda pode ver estrelas nessas animações de aproximação; abaixo, o amador Matthew Earl usou as estrelas para alinhar as imagens e revelar a rotação de Plutão e Caronte com halteres.
Sobre a Imagem: AS IMAGENS DE NAVEGAÇÃO ÓPTICA DA NEW HORIZONS DE PLUTÃO E CARONTE ALINHADAS EM ESTRELAS DE FUNDO Matthew Earl criou esta animação usando um script Python para alinhar automaticamente as imagens de navegação óptica da New Horizons em estrelas de fundo. Imagem: NASA / JHUAPL / SwRI / Matthew Earl
Então, da próxima vez que você se perguntar por que as estrelas não são visíveis, pergunte: o que na imagem é tão brilhante que não consigo ver as estrelas?
Traduzido por Astronomia.terrortotalmais de Planetary.org