Primeiras observações do SPHERE – o dispositivo que fotografa exoplanetas

Esta imagem no faixa do infravermelho mostra o anel de poeira em torno da estrela próxima HR 4796A, na constelação meridional do Centauro. Trata-se de uma das primeiras imagens obtidas pelo instrumento SPHERE, pouco depois da sua instalação no Very Large Telescope do ESO em maio de 2014. A imagem mostra não apenas o anel com uma nitidez excepcional mas ilustra também como o SPHERE consegue suprimir tão bem o brilho intenso da estrela, ação chave para encontrar e estudar exoplanetas no futuro. Créditos: ESO/J.-L. Beuzit et al./SPHERE Consortium

O SPHERE (Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch instrument), instalado recentemente no Very Large Telescope do ESO (VLT), Monte Paranal, Chile, executou com sucesso suas primeiras observações científicas. Este novo e poderoso dispositivo concebido para estudar exoplanetas utiliza várias técnicas avançadas simultaneamente, proporcionando um desempenho drasticamente melhorado relativamente aos dispositivos já existentes. O SPHERE forneceu já imagens impressionantes dos discos de poeira em torno de estrelas próximas e outros alvos durante os primeiros dias de observações. O SPHERE foi desenvolvido e construído por um consórcio de várias instituições europeias, lideradas pelo Institut de Planétologie et d´Astrophysique de Grenoble, França, em parceria com o ESO. Espera-se que o dispositivo revolucione o estudo detalhado de exoplanetas e discos circunstelares.

O SPHERE passou nos testes de aceitação na Europa em dezembro de 2013, tendo seguidamente sido enviado para o Paranal. No Paranal voltou a ser cuidadosamente montado e terminado em maio de 2014, altura em que o dispositivo foi instalado no Telescópio Principal número 3 do VLT. O SPHERE trata-se de um dispositivo de segunda geração para o VLT (os primeiros três foram o X-shooter, o KMOS e o MUSE).

Esta imagem infravermelha da maior lua de Saturno, Titã, foi uma das primeiras capturadas pelo instrumento SPHERE, pouco depois da sua instalação no Very Large Telescope do ESO em maio de 2014. A imagem mostra quão eficiente é o sistema de ótica adaptativa, que permite revelar detalhes extremos neste disco minúsculo. Titã foi também um alvo pensado para testar as capacidades polarimétricas do SPHERE, as quais serão cruciais no estudo de alguns exoplanetas. Esta imagem foi obtida pelo SPHERE a um comprimento de onda de 1,59 micrômetros. Titã é o maior satélite do Saturno (com cerca de 1,5 vezes o diâmetro da nossa Lua). Encontra-se coberto por uma extensa atmosfera constituída essencialmente por nitrogênio com traços (cerca de 1,5 %) de metano. Quando observado no visível, a superfície do satélite encontra-se escondida por espessas nuvens, no entanto estas imagens no infravermelho próximo penetram a atmosfera, conseguindo-se assim observar a superfície. Crédito: ESO/J.-L. Beuzit et al./SPHERE Consortium

O SPHERE combina várias técnicas avançadas para obter o melhor contraste possível em imagens diretas de exoplanetas – com resultados muito superiores aos obtidos pelo NACO, o dispositivo que obteve a primeira imagem direta de um exoplaneta. Para conseguir um tal desempenho o SPHERE necessitou do desenvolvimento de técnicas inovadoras, em particular nas áreas de ótica adaptativa, detectores especiais e componentes de coronógrafo.

Jean-Luc Beuzit, Institut de Planétologie et d´Astrophysique de Grenoble, França, investigador líder do SPHERE, afirmou:

O SPHERE é um dispositivo muito complexo. Graças ao trabalho árduo das muitas pessoas envolvidas na sua concepção, construção e instalação, conseguimos já superar todas as nossas expectativas. Fantástico!

A estrela HR 7581 (Iota Sgr) foi observada pelo SPHERE em modo de rastreamento (observação em paralelo com a câmara de imagens dupla no próximo infravermelho [à esquerda] e com o espectrógrafo de campo integral [à direita]). Foi descoberta uma estrela de massa muito baixa, com uma luminosidade de menos de 400 vezes a da sua estrela companheira, em órbita da estrela Iota Sgr, com uma separação de apenas 0,24″ entre as duas. Trata-se de uma demonstração exemplar do poder do SPHERE em obter imagens de objetos muito ténues situados muito perto de outros muito mais brilhantes. A estrela brilhante propriamente dita foi quase completamente suprimida pelo SPHERE, permitindo assim que a estrela mais fraca apareça como um brilhante ponto nítido um pouco em cima e à direita do centro. Esta imagem demonstra bem o enorme potencial do SPHERE para detectar exoplanetas. Créditos: ESO/J.-L. Beuzit et al./SPHERE Consortium

Os objetivos principais do SPHERE serão encontrar e caracterizar, através de imagens diretas [1], exoplanetas gigantes que orbitam estrela próximas. Trata-se um de grande desafio, uma vez que estes planetas, para além de estarem muito próximo das suas estrelas progenitoras, são muito menos brilhantes do que estas. Numa imagem normal, mesmo com as melhores condições de observação, a forte luz da estrela ofusca completamente o fraco brilho do planeta. Toda a concepção do SPHERE está portanto focada em conseguir atingir o maior contraste possível na pequena região do céu em torno da estrela brilhante.

A primeira das três técnicas inovadoras exploradas pelo SPHERE é a óptica adaptativa extrema, de forma a corrigirem-se os efeitos da atmosfera terrestre e obterem-se imagens mais nítidas e onde o contraste do exoplaneta aumente. Em segundo lugar, usa-se um coronógrafo para bloquear a radiação emitida pela estrela e aumentar ainda mais o contraste. Finalmente, aplica-se uma técnica chamada imagem diferencial, que explora as diferenças entre as radiações planetárias e estelares em termos de cor ou polarização. Estas diferenças sutis podem também ser usadas para revelar um exoplaneta atualmente invisível (ann13069, eso0503) [2].

A atmosfera de Titã possui uma espessa camada de nevoeiro que reflete a radiação visível do Sol. Por isso, contrariamente às observações feitas no infravermelho próximo, não se consegue observar a sua superfície e Titã aparece-nos como uma esfera de nevoeiro sem formas determinadas (à esquerda). No entanto, a radiação dispersa pelo nevoeiro encontra-se altamente polarizada, como o céu azul na Terra. O instrumento SPHERE está equipado com polarímetros extremamente sensíveis, que podem medir a polarização da luz (à direita). Existe uma polarização forte no limbo de Titã devido à dispersão da radiação por partículas de nevoeiro. Esta técnica de polarimetria será usada pelo SPHERE na busca de luz refletida, e portanto polarizada, de exoplanetas. Crédito: ESO/J.-L. Beuzit et al./SPHERE Consortium

O SPHERE foi concebido e construído pelas seguintes instituições, além do European Southern Observatory (ESO):

• Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble
• Max-Planck-Institut für Astronomie em Heidelberg
• Laboratoire d’Astrophysique de Marseille
• Laboratoire d’Etudes Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique de l’Observatoire de Paris
• Laboratoire Lagrange em Nice
• ONERA
• Observatoire de Genève
• Osservatorio Astronomico di Padova; Instituto de Astronomia ETH, Zurique
• Instituto Astronómico da Universidade de Amesterdão
• Escola Holandesa de Investigação de Astronomia (NOVA-ASTRON)

Durante as primeiras observações foram observados diversos alvos utilizando os diferentes modos do SPHERE. Obteve-se a melhor imagem até à data de um disco de poeira em torno da estrela próxima HR 4796A. A imagem mostra não apenas o anel com uma nitidez excepcional mas ilustra também como o SPHERE consegue suprimir tão bem o brilho intenso da estrela situada no centro da imagem.

O instrumento SPHERE fotografado pouco depois da sua instalação no Telescópio Principal número 3 do VLT. O instrumento propriamente dito é a caixa negra situada na plataforma de um dos lados do telescópio. Crédito: ESO/J. Girard

Depois de vários testes extensos e verificações científicas, o SPHERE estará disponível a toda a comunidade astronômica, em finais de 2014.

Jean-Luc Beuzit concluiu:

Isso é apenas o início. O SPHERE é uma ferramenta poderosa única, que irá, sem sombra de dúvidas, revelar muitas surpresas excitantes nos próximos anos.

Notas

[1] A maioria dos exoplanetas que se conhecem atualmente foram descobertos por técnicas de ‘observação indireta’. As mais bem sucedidas são as que medem as variações da velocidade radial da estrela hospedeira ou detectam a diminuição do brilho da estrela causada por um exoplaneta em trânsito, em frente da sua estrela. Até agora foram poucas as imagens diretas capturadas de exoplanetas (eso0515, eso0842).

[2] Uma outra técnica simples utilizada pelo SPHERE consiste em tirar muitas imagens de um objeto, mas com uma rotação significativa da imagem de umas para as outras. As características que giram são artefatos do processo fotográfico e devem ser desprezadas, no entanto as características que se mantenham no mesmo local são os objetos reais no céu.

Fonte

ESO: First Light for SPHERE Exoplanet Imager – Revolutionary new VLT instrument installed

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