Entendendo Imagens com filtros de Banda Estreita

O QUE É IMAGEM EM BANDA ESTREITA (Narrowband Images)

Numa captura de imagens em banda-estreita, três filtros (Vermelho, Verde e Azul – mais conhecidos como RGB), são usados para separar as cores primárias do espectro da luz visual. Os filtros RGB foram desenvolvidos para conseguir aproximar de cores sensíveis ao olho humano, então aquilo que resulta na imagem são cores reais. Cada filtro dos RGB cobrem aproximadamente um terço do espectro da luz visual e cada um vai sobrepondo ao outro gradualmente até que todo o espectro da luz seja detectado pelo sensor CCD. (Existe às vezes uma falha entre a faixa de transmissão dos filtros Verde e Vermelho com objetivo de boquear uma linha de emissão proeminente de poluição-luminosa, conforme exemplificado no diagrama abaixo.)

Filtros de banda-estreita ao contrário dos RGB, capturam apenas uma parte muito pequena do espectro da luz. Estes filtros são chamados mundialmente de Narrow bandpass.  A banda-passante (bandpass) é simplesmente quanto do espectro da luz o filtro permitirá passar através dele e isto é usualmente medido em nanometros, simbolizado pela abreviação (nm). O inteiro espectro visual da luz abrange aproximadamente um comprimento de onda que vai a partir de 400nm (azul) até 700nm (vermelho). Em comparação, um típico conjuto de filtros RGB terá uma banda passante de 100nm e em contraste com isso, um típico filtro de banda-estreita terá uma banda passante de apenas 3-7nm.

BANDA PASSANTE E RAZÃO FOCAL

Um interessante efeito dos filtros de banda estreita é aquele que a banda passante se altera em função do ângulo incidente da luz. Em outras palavras, uma faixa de luz passando de forma mais íngrime através do filtro de banda estreita pode no momento alterar a banda passante da onda de luz. Um exemplo desse efeito é a necessidade dos filtros solares H-alpha terem uma rigorosa faixa paralela de luz entrando. Com os antigos filtros DayStar, o fitro primário estava localizado na parte de trás do escopo e requeria que o telescópio trabalhasse numa razão focal bem lenta ou longa (maior que f/30) para conseguir uma faixa paralela de luz equivalente passando pelo filtro. 
Os novos filtros Coronado, ocupam o lugar de filtro primário na parte frontal do escopo. Neste caso o filtro está recebendo a faixa paralela de luz diratemente do Sol e o telescópio pode trabalhar em qualquer razão focal.

O mesmo efeito é observado com fitros de banda estreita para imagens com CCD. Em certa razão focal (mais rápido do que f/4), a banda passante do filtro deslocou-se tanto que o pico do comprimento de onda ficou fora da principal faixa de transmissão da banda passante e este efeito reduziu significativamente a eficiência do filtro. 
Para telescópios que trabalham em razões focais abaixo de f/4, filtros de banda mais larga (10nm) são recomendados com o objetivo de manter o pico do comprimento de onda dentro da faixa mais alta de transmissão do filtro. Para telescópios mais lentos é preferível o uso de um filtro de banda mais estreita, uma vez que isto aumenta o efeito do filtro. 

LINHAS DE EMISSÃO

Filtros de banda estreita foram desenvolvidos para capturar específicos comprimentos de onda da luz. Existe uma vasta classe de objetos celestes conhecidos como nebulosas de emissão. Este nome vem do fato de que estas nebulosas estão no momento emitindo sua própria luz, ao oposto das nebulosas de reflexão, as quais brilham por refletirem a luz de estrelas próximas. A Nebulosa de Órion, Nebulosa Laguna e a Nebulosa do Cisne, são trés exemplos comuns de nebulosa de emissão. 
Nebulosas Planetárias são normalmente consideradas uma separada classe de objetos, do que nebulosas emissão propriamente dita, uma vez que elas representam um fenômeno muito diferente – a morte de uma estrela ao invés do nascimento, mas, para propósitos de imagens com CCD’s, elas também são consideradas nebulosas de emsissão, pois na verdade estão também emitindo sua prórpia luz. Supernovas remanescentes também entram nesta categoria, então objetos como, Nebulosa do Anel, Nebulosa do Haltere, Nebulosa do Véu e Nebulosa do Caranguejo, são todas potênciais alvos para imagens com filtros banda estreita. Já a nebulosa azul envolta das Pleiades é um clássico exemplo de nebulosa de reflexão e não seria um objeto adequado para uso de filtros de banda estreita.

O que todas essas nebulosas de emissão tem em comum é que elas são compostas de gases e estes gases são emissores de luz. Os átomos no interior do gás são estimulados por energia vinda de estrelas próximas ou de estrelas que estão se formando no interior da nebulosa, como ocorre na Nebulosa de Órion, ou ainda uma remanescente estrela morta no centro de uma nebulosa planetária. A energia transmitida pela luz provocam os elétrons no interior dos átomos do gás que sobem um nível de energia na órbita atômica.
Os elétrons que são preguiçosos por natureza, preferem estar no menor estado de energia possível, então eles irão reemitir o excesso de energia deles e retornar para uma órbita atômica inferior. Nesse processo eles emitem a energia extra na forma de um fóton de luz. Assim, cada átomo tem uma linha de emissão distinta ou cor de luz associada a ele. Também, cada átomo contém diferentes órbitas, então pode haver múltiplos comprimentos de onda de luz a partir de um simples elemento, tal como hidrogênio.

FILTROS COMUNS

Os dois mais comuns elementos que contribuem para as linhas de emissão numa nebulosa são Hidrogênio e Oxigênio. Outros elementos como Enxofre e Nitrogênio também criam linhas de emissão proeminentes. Abaixo estão alistadas linhas de emissão comuns e tipos de filtros banda estreita usados para capturas de imagens.
 

Hydrogen-Alpha (H-alpha) – 656.3nm
A linha emissão mais dominante numa região com formação de estrelas, como a Nebulosa de Órion, é  chamada de hidrogênio-alpha ou h-alpha. A luz é criada pelo átomo de hidrogênio, o principal constituinte do universo e a base da fusão nuclear que alimenta as estrelas. H-alpha está em vermelho em parte do espectro da luz e contribui para uma esmagadora cor em vermelho na maioria das nebulosas como observado em imagens RGB normais.
 

Hydrogen-Beta (H-beta) – 486.1nm
O Hidrogênio cria luz em vários comprimentos de onda. A segunda linha de emissão mais comum após o H-alpha é o H-beta, em azul em parte do espectro da luz. Uma vez que adaptado ao escuro, o olho humano é sensivel ao azul e verde mas não ao vermelho, filtros H-beta são as vezes usados para observações visuais de certas nebulosas.
 

Oxygen-III (OIII) – 500.7nm
Esta linha de emissão é dada por átomos de oxigênio duplamente ionizados, significando que os elétrons estão caindo dois níveis de energia. Esta linha está numa faixa azul-verde do espectro de luz. Isso corresponde, por uma feliz coincidência, ao pico de sensibilidade do olho humano quando adaptado ao escuro, então, os filtros OIII são comuns entre os acessórios para observação visual. A linha OIII é também uma emissão dominante nas nebulosas planetárias. (A título de curiosidade, OI é oxigênio não ionizado e OII é oxigênio isoladamente ionizado, consequentemente duplo-ionizado ganha a designação de Oxigênio-III).
 

Sulfur-II (SII) – 672.4nm
Enxofre isoladamente ionizado emite luz numa faixa de profundo vermelho do espectro de luz, mais além do H-alpha. Esta é uma emissão mais fraca do que H-alpha e OIII, mas é o filtro mais comumente usado depois dos destes dois.
 

Nitrogen-II (NII) – 658.4nm
Nitrogênio isoladamente ionizado, igual H-alpha e SII, também cria luz em vermelho numa do espectro da luz. NII é o filtro menos comumente utilizado, mas ele é frequentemente observado nas famosas imagens capturadas pelo Telescópio Espacial Hubble e é ocasionamente usado por astrônomos amadores também.
 

VANTAGENS DE CAPTURAR IMAGENS EM BANDA ESTREITA

A primeira das vantagens de capturar imagens em banda estreita é a habilidade de detectar mais detalhes e de capturar a imagem do objeto mesmo em região de poluição luminosa, desde que os filtros não permitam a passagem da luz emitida pelos vários tipos de luzes das das cidades (ou brilho da Lua apenas para comentar.) Também, imagens de banda estreita isolam a luz dada por específicos tipos de gás e neste caso as imagens ficam cientificamente mais interessantes em sí e podem nos dizer uma série de fatos que estão ocorrendo dentro da nebulosa. Outra vantagem é para usuários de câmeras CCD sem função anti-blooming, uma vez que os filtros deixam passar menos brilho das estrelas, consequentemente você pode trabalhar com longo tempo de exposição e adquirir mais detalhes, sem que haja interferência de brilho excessivo das estrelas na imagem.