O que o telescópio espacial James Webb da NASA nos permitirá ver?

Impressão artística de como ficará o Telescópio Espacial James Webb após a implantação. Crédito da imagem: ESA

O Telescópio Espacial James Webb (JWST) tem muito a cumprir como sucessor do Telescópio Espacial Hubble. Nas três décadas desde que foi lançado em 1990, o Hubble revelou as maravilhas do universo em detalhes sem precedentes. Ele tem sido usado para estudar tópicos de ponta, como energia escura e exoplanetas, com os quais mal se sonhava quando começou a operar. Além disso, ele capturou a imaginação do público a ponto de agora ser um nome familiar. 

O Telescópio Espacial James Webb, conhecido como Webb (como "Hubble"), será operado principalmente pela NASA, que está fornecendo a maior parte do financiamento, com a Agência Espacial Europeia (ESA) como parceira júnior. O telescópio tem o nome de um dos primeiros administradores da NASA, James E. Webb, que supervisionou a criação do programa Apollo na década de 1960, de acordo com a NASA.

Foi em 2002, quase 20 anos atrás, que o nome de Webb foi aplicado pela primeira vez ao que antes era conhecido como "Telescópio Espacial da Próxima Geração". Foi originalmente planejado para custar meio bilhão de dólares e estar pronto para lançamento em 2007, relatou o Atlantic.

James Webb, que deu o nome ao telescópio, foi administrador da NASA na década de 1960. Crédito da imagem: NASA

No entanto, essas estimativas acabaram sendo desesperadoramente otimistas, devido ao design extremamente complexo e inovador da espaçonave. Quando for finalmente lançado, com sorte antes do final de 2021, terá custado quase dez bilhões de dólares, de acordo com a Space.com.

No entanto, os cientistas envolvidos no projeto acreditam que os resultados mais do que compensarão o tempo e o dinheiro investidos nele. A NASA faz questão de enfatizar que o Webb não é simplesmente um substituto maior e mais poderoso para o Hubble. Embora seja ambas as coisas, com mais de duas vezes e meia o diâmetro e cem vezes a sensibilidade, em seu coração, o Telescópio Webb é um tipo de instrumento totalmente diferente.

Os telescópios ópticos comuns veem na mesma parte do espectro que nossos próprios olhos, cobrindo uma faixa de comprimentos de onda entre aproximadamente 380 e 740 nanômetros (nm). O Hubble mediu tudo isso, além de um pequeno caminho para o ultravioleta em comprimentos de onda mais curtos e infravermelho em comprimentos de onda mais longos. 

Mas o Telescópio Webb será principalmente um telescópio infravermelho, otimizado para 600 a 28.000 nm, de acordo com o site JWST da NASA. Portanto, ele não será capaz de ver a luz verde ou azul, apenas laranja e vermelha, além de uma ampla gama de comprimentos de onda mais longos além disso.

Para muitos objetos astronômicos, incluindo regiões de formação de estrelas, exoplanetas e as galáxias mais distantes, esses comprimentos de onda muito longos são mais úteis para os astrônomos do que o espectro visível. Mas o infravermelho apresenta problemas para os observadores baseados na Terra, porque grande parte dele está bloqueado pela atmosfera do nosso planeta, de acordo com a Universidade de St Andrews. 

Além disso, a Terra produz suas próprias emissões infravermelhas por meio da radiação de calor, que tende a inundar as fontes astronômicas mais fracas. Portanto, o melhor lugar para um telescópio infravermelho é no espaço, o mais longe possível da Terra e de todas as fontes indesejadas de calor.

Seguindo os passos do observatório infravermelho Herschel da ESA, o telescópio Webb estará localizado a 1,5 milhão de quilômetros da Terra no chamado ponto L2, de acordo com o site JWST da NASA. 

Isso lhe dará uma visão muito mais clara do universo do que a que o Hubble tem na órbita baixa da Terra, mas tem uma desvantagem. Ao contrário de seu antecessor, não será uma questão relativamente simples enviar astronautas para repará-lo se ele quebrar. Tudo tem que funcionar perfeitamente na primeira tentativa, que é uma das razões pelas quais a NASA levou a maior parte de duas décadas para deixá-lo pronto para o lançamento.

COMO FUNCIONA O TELESCÓPIO ESPACIAL JAMES WEBB?

Externamente, o Webb é muito diferente do Hubble. Este último, assim como um telescópio tradicional, é envolto em um tubo cilíndrico que protege a ótica da luz difusa. Dependendo de sua posição em sua órbita, o Hubble pode ser exposto a muito disso: raios de sol ardentes em uma direção, reflexos da superfície da Terra em outra e talvez até a lua. 

Mas o Webb tem mais sorte. Vistas do ponto L2, todas essas fontes brilhantes estão mais ou menos na mesma direção, então tudo que o telescópio precisa é de uma única grande proteção solar. A ótica nua, na forma de espelhos primários e secundários, fica então em cima disso. O resultado, à primeira vista, parece mais um radiotelescópio do que óptico.

Funcionalmente, no entanto, Webb e Hubble são construídos nos mesmos princípios. Ambos são construídos em torno de um grande espelho primário, que tem a função crucial de capturar o máximo de luz possível de objetos que podem estar nas bordas do universo observável. Em essência, quanto maior for o espelho, melhor. 

No caso do Hubble, ele tem 2,4 metros de diâmetro e é feito de uma única peça circular de vidro. Se isso fosse dimensionado para o tamanho necessário para o Webb, cerca de 21,3 pés (6,5 metros) de diâmetro, então não só seria extremamente difícil de fabricar, mas o resultado seria muito grande e pesado para ser lançado no espaço, de acordo com a NASA.

O grande espelho principal do JWST durante os testes de solo pelos engenheiros da NASA. Crédito da imagem: NASA

Em vez disso, o espelho do Webb é construído a partir de 18 segmentos hexagonais, que podem ser dobrados para serem lançados e depois implantados em uma configuração operacional uma vez no espaço. Embora a NASA tenha considerado fazer os segmentos de vidro, como o espelho do Hubble, no final eles usaram berílio: um metal leve e muito forte comumente empregado em aeronaves de alta velocidade e veículos espaciais. 

Isso precisa ser moldado e polido com uma precisão extremamente alta para produzir imagens com a clareza necessária; A NASA estima que o erro de polimento seja inferior a um milionésimo de polegada. Depois de atingir a forma desejada, os segmentos do espelho foram então revestidos com uma fina camada de ouro puro, para maximizar a refletividade nos comprimentos de onda do infravermelho.

Quando todos os segmentos são colocados juntos, eles alcançam o diâmetro desejado de 6,5 metros para o espelho principal. Isso é cerca de 2,7 vezes maior que o Hubble, mas a melhoria real do desempenho é muito maior do que isso. 

Isso ocorre porque o poder de coleta de luz de um espelho é proporcional à sua área, e não ao seu diâmetro. Permitindo a forma hexagonal dos segmentos e o orifício no centro, a área efetiva do espelho do Webb é de 269 pés quadrados (25 metros quadrados), em comparação com 43 pés quadrados (quatro metros quadrados) do Hubble. Isso equivale a uma melhoria de desempenho melhor do que um fator de seis.

PROTETOR SOLAR DO JAMES WEBB

Localizado no ponto L2, o Webb ficará sob um sol forte e constante. Isso é saudável para o equipamento no ônibus da espaçonave, mas é uma má notícia para os instrumentos ópticos e o módulo de ciências. Como eles observam via infravermelho, eles precisam ser mantidos o mais resfriados possível para funcionar corretamente. 

Assim, as duas metades da espaçonave serão separadas por uma enorme proteção solar de cinco camadas em forma de pipa, mais ou menos do tamanho de uma quadra de tênis. Enquanto o lado iluminado pelo sol pode atingir temperaturas de 212 graus Fahrenheit (100 graus Celsius), o lado frio será tão baixo quanto menos 394 F (menos 237 C) de acordo com o site JWST da NASA.

O Sunshield no Telescópio Espacial James Webb da NASA. Crédito da imagem: NASA / Chris Gunn

POR QUE OS INSTRUMENTOS ÓPTICOS DO JAMES WEBB OBSERVAM NO INFRAVERMELHO?

Normalmente pensamos na astronomia em termos de luz visível, porque é isso que nossos olhos e telescópios tradicionais veem. Mas os objetos astronômicos produzem emissões em todo o espectro eletromagnético, desde ondas de rádio de comprimento de onda muito longo até raios X e raios gama de comprimento de onda muito curto. Nossos olhos evoluíram para ver os comprimentos de onda que são feitos porque é onde o Sol emite a maior parte de sua energia, mas objetos mais frios, como planetas e estrelas recém-formadas, tendem a irradiar em comprimentos de onda mais longos do que isso, de acordo com pesquisa publicada no jornal Eye. 

Esta é uma das razões pelas quais telescópios infravermelhos como o Webb (e seu antecessor, o telescópio espacial Spitzer da NASA, que operou entre 2003 e 2020) são tão importantes. Um segundo motivo é que, embora a poeira nas galáxias absorva a luz visível, ela é virtualmente transparente às ondas infravermelhas. Isso significa que mesmo estrelas semelhantes ao Sol podem ser mais fáceis de ver no infravermelho se houver muita poeira intermediária, de acordo com a NASA.

QUAIS SÃO OS OBJETIVOS DA MISSÃO DO JAMES WEBB?

Objetivo 1: O universo primordial

Webb às vezes é descrito como uma "máquina do tempo", o que em certo sentido é. Como a luz de objetos distantes viaja a uma velocidade finita, nós os vemos como costumavam ser no passado. O Hubble nos mostrou as galáxias como eram há muitos bilhões de anos, mas o Webb será ainda mais sensível. A NASA espera ver todo o caminho de volta à época em que as primeiras galáxias se formaram, cerca de 13,6 bilhões de anos atrás. E o Webb tem outra vantagem sobre os telescópios de banda visível como o Hubble. 

Como o universo está se expandindo, a luz de objetos distantes é esticada, aumentando seu comprimento de onda. Isso significa que a luz emitida na faixa de onda visível chega até nós no infravermelho, a faixa para a qual o Webb é otimizado. Uma de suas primeiras tarefas será um levantamento, denominado COSMOS-Webb, das galáxias mais distantes em um trecho específico do céu, para explorar as condições do amanhecer do universo.

A pesquisa COSMOS-Webb irá explorar uma área equivalente a três luas cheias. Crédito da imagem: NASA

Objetivo 2: Galáxias ao longo do tempo

Graças às imagens espetaculares do Hubble, a maioria das pessoas sabe como são as galáxias: enormes coleções de estrelas, muitas vezes dispostas em padrões de espiral elegantemente simétricas. Mas essas tendem a ser galáxias relativamente próximas e, portanto, maduras. Os vislumbres tentadores que o Hubble forneceu de galáxias muito antigas sugere que elas são consideravelmente menores e têm aparência mais fragmentada. 

Até agora, ninguém sabe como essas protogaláxias se formaram, ou como elas subsequentemente se agruparam para produzir as galáxias maiores e de aparência regular que vemos hoje, de acordo com o Instituto de Tecnologia da Califórnia. Espera-se que o Webb seja capaz de responder a perguntas como essas com sua visão ultraprofunda do universo primitivo.

Outra característica bem estabelecida das galáxias é a presença de buracos negros supermassivos no centro da maioria delas. No início do universo, esses buracos negros frequentemente alimentavam núcleos galácticos enormemente brilhantes chamados quasares, e o Webb está programado para estudar seis dos exemplos mais distantes e luminosos deles.

Uma representação artística da NASA de um poderoso quasar do tipo que o Webb irá estudar. Crédito da imagem: NASA

Objetivo 3: Ciclo de vida das estrelas

As galáxias que preenchem o universo se originaram muito cedo e têm evoluído continuamente desde então. Mas isso não é verdade para as estrelas dentro delas, que passam por ciclos de vida mais semelhantes aos das criaturas vivas. Elas nascem, se desenvolvem, envelhecem e morrem, e os restos de velhas estrelas contribuem com a matéria-prima necessária para fazer novas estrelas. Muito desse processo é bem compreendido, mas ainda há um mistério em torno do nascimento real das estrelas e dos discos planetários que podem se formar ao redor delas.

Isso porque elas são inicialmente envolvidas por um casulo de poeira, que os telescópios comuns que usam luz visível não conseguem penetrar. Mas toda essa poeira será virtualmente transparente nos comprimentos de onda infravermelhos usados pelo Webb, então a NASA espera que finalmente revele os segredos definitivos da formação de estrelas. Por sua vez, isso pode nos ensinar algo sobre as origens de nosso próprio Sol e Sistema Solar.

Objetivo 4: Outros mundos

Uma das áreas mais interessantes da astronomia contemporânea é a busca por exoplanetas orbitando outras estrelas, particularmente planetas semelhantes à Terra, que podem ter os ingredientes químicos e as condições necessárias para a vida evoluir. O James Webb contribuirá com essa pesquisa de diversas maneiras, utilizando imagens infravermelhas e espectroscopia para estudar as propriedades químicas e físicas de sistemas planetários. 

Sua capacidade de perscrutar através da poeira e capturar imagens de resolução superalta deve nos fornecer uma visão direta dos sistemas planetários, como o da estrela recém-formada Beta Pictoris, em seus estágios iniciais, de acordo com o site JWST da NASA. O Webb também analisará a composição química das atmosferas de exoplanetas, procurando em particular por assinaturas reveladoras dos blocos de construção da vida. Isso, novamente, é algo para o qual um telescópio infravermelho é idealmente adequado, porque as moléculas que constituem as atmosferas planetárias tendem a ser mais ativas nesses comprimentos de onda.

A visão do Hubble do disco planetário em torno de Beta Pictoris, que o JWST estudará em maior profundidade. Crédito da imagem: NASA

QUANDO O JAMES WEBB SERÁ LANÇADO?

Uma característica fundamental do design do Webb é que ele tem um "lado frio" e um "lado quente". O lado frio é aquele que faz a observação, enquanto o lado quente carrega os painéis solares da espaçonave e uma antena para comunicação bidirecional com a Terra. Mas esse arranjo só funciona se o Sol e a Terra estiverem sempre na mesma direção do ponto de vista da espaçonave. 

Este não seria o caso se fosse simplesmente colocado na órbita da Terra como o Hubble, nem seria verdade se a espaçonave orbitasse o Sol a uma distância ligeiramente diferente da órbita da Terra. Mas acontece que existe uma distância especial na qual um objeto pode orbitar o Sol e sempre ver o Sol e a Terra na mesma direção. Este é o chamado ponto L2 - e é onde o telescópio Webb irá operar.

L2 é um dos vários locais chamados de pontos de Lagrange, em homenagem a Joseph-Louis Lagrange que os estudou no século XVIII. Nesses locais, a gravidade de dois corpos massivos (neste caso, o Sol e a Terra) conspiram para manter um terceiro corpo menor (como um asteroide ou espaçonave) em uma posição fixa em relação aos dois primeiros. Os pontos de Lagrange não são estacionários, mas giram em torno do Sol exatamente na mesma velocidade da Terra, de modo que a distância de nós sempre permanece a mesma. No caso de L2, está a cerca de 1,5 milhão de quilômetros de distância: cerca de quatro vezes mais distante que a lua.

Um diagrama de como o JWST será armazenado e lançado a bordo do foguete Ariane 5. Crédito da imagem: ESA

Para levar o telescópio até L2, é necessário um veículo de lançamento poderoso, que será o foguete Ariane 5 da Agência Espacial Europeia. Em apenas 26 minutos após a decolagem da Guiana Francesa, isso tirará o Webb da atmosfera da Terra e o colocará em curso para L2. A espaçonave se separará do foguete e navegará por cerca de um mês antes de finalmente chegar ao seu destino, de acordo com o site JWST da NASA.

PERGUNTAS E RESPOSTAS COM UM ASTROFÍSICO

Perguntamos ao Dr. Mike McElwain da NASA sobre suas esperanças para o novo telescópio.

Michael McElwain é Cientista do Projeto do Observatório JWST no Goddard Space Flight Center da NASA. Crédito da imagem: NASA / Jolearra Tshiteya

Que tipo de ciência o telescópio fará em seu primeiro ano?

No primeiro ano, o programa de observação do Webb percorrerá a gama cósmica desde a primeira luz no universo primitivo até atmosferas de exoplanetas. O Webb observará os objetos mais interessantes do universo com uma combinação de resolução aprimorada, sensibilidade e cobertura de comprimento de onda. Isso permitirá uma caracterização nova e aprimorada dos objetos famosos no céu. Se você puder nomeá-lo, é provável que o Webb o observe, embora talvez não tudo no primeiro ano.

Quais são as descobertas mais interessantes que o James Webb pode fazer?

Quando você tem um observatório tão transformador quanto o Webb, as descobertas mais empolgantes provavelmente são aquelas que nem mesmo antecipamos! Os olhos infravermelhos do Webb no universo nos permitirão ver o espaço onde antes éramos cegos. Sua sensibilidade infravermelha sem precedentes ajudará os astrônomos a comparar as primeiras galáxias com as grandes espirais e elípticas de hoje, ajudando-nos a entender como as galáxias se agrupam ao longo de bilhões de anos. Será capaz de ver através e dentro de enormes nuvens de poeira que são opacas aos observatórios de luz visível como o Hubble, onde estrelas e sistemas planetários estão nascendo. O Webb nos contará mais sobre as atmosferas dos planetas extra-solares e talvez até encontre os blocos de construção da vida em outras partes do universo.

Você acha que o Webb se tornará um nome familiar como Hubble?

Eu realmente espero que sim, e que pessoas ao redor do mundo estarão discutindo as imagens do Webb enquanto estão sentados à mesa de jantar. Semelhante ao Hubble, Webb produzirá imagens espetaculares do cosmos que cativarão a imaginação. Esperamos que as imagens do Webb se tornem virais na Internet, apareçam em calendários e ocupem espaço nas mesinhas de centro de residências.

RECURSOS ADICIONAIS

• Royal Museums Greenwich: The James Webb Space Telescope vs the Hubble Space Telescope
• A Agência Espacial Europeia (ESA): Webb
• Telescópio espacial James Webb: um guia super rápido

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Referência:

MAY, Andrew. The James Webb Space Telescope: Origins, design and mission objectives. Live Science, 22, nov. 2021. Disponível em: <https://www.livescience.com/james-webb-space-telescope>. Acesso em: 01, dez. 2021.