Imagens infravermelhas: como torná-las visíveis?

Por que olhar no infravermelho?

Uma janela sobre o invisível

O olho humano vê apenas uma parte muito fina do espectro luminoso, do violeta ao vermelho. O infravermelho situa-se logo além do vermelho, com comprimentos de onda maiores que os da luz visível. O telescópio espacial James Webb (JWST) foi concebido para observar essa luz, principalmente em seus domínios próximo e médio.

Perfurar os véus de poeira

As estrelas em formação estão frequentemente envoltas em nuvens de poeira e gás. Os grãos de poeira absorvem e dispersam mais a luz visível do que os grandes comprimentos de onda infravermelhos: o infravermelho permite, portanto, atravessar essas nuvens e observar as estrelas escondidas atrás.

Graças aos seus instrumentos infravermelhos (NIRCam, NIRSpec, MIRI, FGS/NIRISS), o JWST pode também detectar as muito fracas emissões térmicas dos planetas extrassolares, e estudar objetos que não brilham o suficiente no visível para serem detectados de outro modo.

Observar os confins do Universo

A expansão do Universo estica os comprimentos de onda da luz emitida pelos objetos distantes: sua luz é deslocada para o vermelho, e depois passa para o infravermelho. Esse deslocamento, chamado redshift, é tanto maior quanto mais distante está o objeto.

Em 2025, o JWST confirmou a galáxia MoM-z14, com um redshift de 14,44, observada cerca de 280 milhões de anos após o Big Bang: é, até hoje, a galáxia mais distante cuja distância foi confirmada por espectroscopia. Esse recorde já foi batido várias vezes pelo próprio telescópio, e poderá ser novamente.

Um telescópio resfriado até o limite

Por que o frio é indispensável

Um instrumento infravermelho deve ser mantido a muito baixa temperatura, caso contrário seu próprio calor afogaria o fraco sinal vindo do espaço. Os instrumentos do JWST funcionam em torno de 40 K (cerca de −233 °C), e um grande escudo solar protege o conjunto do calor do Sol e da Terra.

O caso particular do MIRI

O instrumento MIRI, que observa o infravermelho médio até 28 µm, exige um frio ainda mais intenso: é mantido abaixo de 6,7 K, ou seja, cerca de −266 °C, graças a um criorefrigerador embarcado. Sem essa precaução, ficaria cego por sua própria emissão térmica.

Do infravermelho às cores visíveis

O tratamento dos dados brutos

Os dados infravermelhos captados pelos instrumentos são tratados e convertidos em cores por meio de algoritmos informáticos. Essas cores não correspondem às cores reais do objeto observado, mas a intensidades medidas em bandas de comprimentos de onda precisos. O JWST registra na realidade imagens em níveis de cinza, uma por filtro.

O STScI, que gerencia as imagens do Webb, prefere falar de cores representativas em vez de falsas cores: as tonalidades traduzem uma realidade medida, sem pretender restituir o que veria um observador colocado perto do objeto.

A ordem cromática

O domínio infravermelho divide-se em três subdomínios: o infravermelho próximo (0,75 a 1,5 µm), o infravermelho médio (1,5 a 30 µm) e o infravermelho distante (30 µm a 1 mm). O JWST cobre sobretudo os dois primeiros.

Os comprimentos de onda infravermelhos são depois convertidos nas cores do arco-íris, segundo um princípio chamado "ordem cromática": os mais longos recebem as tonalidades vermelhas, os mais curtos as tonalidades azuis. Essa abordagem permite melhorar a comunicação das informações: as mesmas cores representam as mesmas informações de uma visualização para outra, e as imagens permanecem agradáveis de olhar e de compreender.

A transposição dos comprimentos de onda

Para isso, os desenvolvedores de imagens deslocam os comprimentos de onda infravermelhos para a parte visível do espectro, a fim de que nossos olhos possam distingui-los. É exatamente como a transposição de uma ária tocada ao piano em uma tonalidade diferente: o pianista muda a altura de todas as notas em um intervalo constante, preservando as relações entre essas notas. Nos dois casos, a melodia permanece a mesma.

A aplicação dos filtros

Os especialistas em tratamento de imagens aplicam em seguida filtros: um filtro vermelho sobre o comprimento de onda mais distante, um filtro verde sobre o comprimento de onda médio, um filtro azul sobre o comprimento de onda mais próximo, e às vezes um filtro de banda estreita colorido em laranja. As legendas publicadas pela NASA especificam aliás o filtro associado a cada cor: para a nebulosa da Tarântula vista pelo NIRCam, F090W é azul, F200W verde, F335M laranja e F444W vermelho.

Depois de sobrepor os filtros, os desenvolvedores obtêm uma primeira imagem colorizada, mais interessante mas ainda não esteticamente satisfatória. É aí que intervém a criatividade humana: os desenvolvedores de imagens recorrem ao seu senso artístico, em diálogo com os cientistas.

Durante essas manipulações, os detalhes e a qualidade melhoram progressivamente. Os retoques reforçam o contraste e a nitidez sem modificar a informação: podem remover ruído e artefatos, mas não inventam nenhum objeto ausente dos dados. O objetivo continua sendo, antes de tudo, produzir uma imagem bela de se olhar, fiel às medidas.

A Tarântula se veste de luz infravermelha

A nebulosa da Tarântula revelada

Situada na Grande Nuvem de Magalhães, a cerca de 161.000 anos-luz, a nebulosa da Tarântula (30 Doradus) é a maior e mais brilhante região de formação de estrelas do Grupo Local, o conjunto das galáxias próximas da Via Láctea. A câmera de infravermelho próximo (NIRCam) do Webb revela dezenas de milhares de estrelas jovens nunca observadas antes, escondidas pela poeira.

Quando o infravermelho médio perfura a poeira

No infravermelho médio observado pelo MIRI, a região muda de aspecto: as estrelas quentes do centro esmaecem, enquanto o gás e a poeira mais frios tornam-se visíveis. Pontos de luz sinalizam protoestrelas ainda enterradas, que continuam a acumular matéria.

Uma estrela saindo de seu casulo

As observações do espectrógrafo NIRSpec, em espectroscopia de campo integral, permitiram precisar uma estrutura de aparência borbulhante detectada na imagem do NIRCam. Os espectros mostram que não se trata de uma bolha soprada por uma estrela jovem, mas do topo de um pilar denso de gás e poeira, esculpido pela radiação das estrelas massivas vizinhas. A estrela, ainda protegida por esse casulo, começa apenas a sair dele.

E amanhã?

O revezamento do telescópio Nancy Grace Roman

O telescópio Nancy Grace Roman da NASA será também um telescópio infravermelho, mas concebido para observar vastas porções do céu em vez de alvos isolados. Seu lançamento está previsto já para o final de 2026. Complementará o JWST, que se destaca no estudo detalhado de objetos precisos, com levantamentos em grande escala.

O que é preciso lembrar

Uma chave da cosmologia moderna

Em suma, a observação no infravermelho impõe-se como uma chave indispensável da cosmologia moderna: revela regiões que a luz visível não pode alcançar, perfurando os véus de poeira que dissimulam os berçários estelares, e desvelando objetos frios e distantes que qualquer outro método deixaria na sombra.

Uma janela sobre o invisível

Graças a essa janela sobre o invisível, os astrônomos podem agora traçar o nascimento das estrelas, esquadrinhar a atmosfera dos exoplanetas, reconstituir a montagem das galáxias ao longo de bilhões de anos e aproximar-se dos primeiros capítulos da evolução do Universo.