Três décadas depois de ter sido concebido, o “sucessor do Hubble” está pronto para ser lançado. É aqui que os astrônomos de todo o mundo não podem esperar.
Lisa Dang nem havia nascido quando os astrônomos começaram a planejar o mais ambicioso e complexo observatório espacial já construído. Agora, três décadas depois, o James Webb Space Telescope (JWST) da NASA está finalmente prestes a ser lançado, e Dang marcou alguns de seus primeiros tempos de observação – em uma área de pesquisa que nem existia quando estava sendo projetada.
Dang, um astrofísico e estudante de graduação da Universidade McGill em Montreal, Canadá, usará o telescópio, conhecido como Webb, para observar um planeta além do Sistema Solar. Chamado K2-141b, é um mundo tão quente que sua superfície é parcialmente rocha fundida. Ela é uma das dezenas de astrônomos que aprenderam em março que haviam ganhado tempo de observação no telescópio. O tão esperado Webb – uma parceria envolvendo a NASA, a Agência Espacial Européia (ESA) e a Agência Espacial Canadense (CSA) – está programado para decolar de uma plataforma de lançamento em Kourou, Guiana Francesa, em 22 de dezembro.
Se tudo correr conforme o planejado, o James Webb refará a astronomia examinando fenômenos cósmicos como as galáxias mais distantes já vistas, as atmosferas de planetas distantes e os corações de regiões de formação de estrelas envoltas em poeira. Aproximadamente 100 vezes mais poderoso do que seu antecessor, o Telescópio Espacial Hubble, que transformou nossa compreensão do cosmos nos últimos 31 anos, o James Webb revelará aspectos anteriormente ocultos do Universo.
“O James Webb tem capacidades tão transformadoras que – para mim – serão os tempos ‘antes’ e os ‘depois'”, diz Jane Rigby, astrofísica do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, que atua nas operações de Webb cientista do projeto.
Mas se algo der errado, será um revés vergonhoso para o que já é a aposta astronômica mais cara da história. O telescópio levou décadas e mais de US $ 10 bilhões para ser desenvolvido, e atrasos frequentes consumiram repetidamente o orçamento de astrofísica da NASA. Apenas neste ano, o telescópio foi envolvido em controvérsias sobre se deveria manter o nome em homenagem a James Webb, que chefiou a NASA nos anos 1960, quando um funcionário da NASA foi demitido sob suspeita de ser gay. James Webb também ocupou um cargo de alto escalão no Departamento de Estado dos Estados Unidos no final dos anos 1940 e no início dos anos 1950, numa época em que esse departamento estava sistematicamente eliminando e despedindo gays e lésbicas por causa de sua orientação sexual.
Quando o telescópio decolar após tantos atrasos e tanto debate, ele levará consigo as esperanças de milhares de astrônomos ao redor do mundo. “Não há muitas ocasiões em sua vida em que você esteja à beira de algo tão grande”, diz Heidi Hammel, astrônoma e vice-presidente de ciências da Associação de Universidades para Pesquisa em Astronomia em Washington DC, que trabalha em Webb há décadas. “Há muitas emoções.”
Décadas de desenvolvimento
Os primeiros vislumbres do que se tornaria o telescópio James Webb surgiram em um workshop no Space Telescope Science Institute em Baltimore, Maryland, em 1989. Foi um ano antes do lançamento do Telescópio Espacial Hubble, e os cientistas já estavam pensando em como fazer desse observatório um transformador de conhecimento. O que finalmente surgiu foram planos para um telescópio espacial com um espelho primário de 6,5 metros de largura, quase três vezes o tamanho do Hubble, e composto de 18 segmentos hexagonais. O espelho é tão grande que deve ser dobrado como origami durante o lançamento e desenrolado uma vez no espaço. O sombreamento será um protetor solar em forma de pipa do tamanho de uma quadra de tênis, feito de cinco camadas revestidas de alumínio que bloqueiam o calor do Sol e mantêm o telescópio frio o suficiente para operar.
O custo geral de Webb foi originalmente estimado em US $ 1 bilhão – uma avaliação que poucos acreditavam até então – e desde então aumentou. A NASA forneceu US $ 9,7 bilhões, incluindo fundos para cobrir custos operacionais no espaço; 700 milhões de Euros (US $ 810 milhões) vieram da ESA; e a CSA contribuiu com Can $ 200 milhões (US $ 160 milhões). Os custos crescentes do projeto atraiu intenso escrutínio de auditores do governo, bem como questões perenes sobre se valeria a pena seu preço sem precedentes. “Para ser verdadeiramente transformador em um campo, você deve construir a ferramenta de que precisa”, diz Hammel. “Isso é o que custa fazer isso.”
Atormentado por repetidos cancelamentos e mudanças de projeto, o telescópio finalmente tomou forma em laboratórios ao redor do mundo e foi montado em Goddard. Mais tarde, foi combinado com o resto do observatório da Northrop Grumman Aerospace Systems em Redondo Beach, Califórnia. Lá, o James Webb teve ainda mais problemas quando os técnicos o danificaram usando o solvente errado para limpar as válvulas de propulsão. Mais tarde, os parafusos literalmente se soltaram durante o teste.
Agora, 32 anos após sua concepção, Webb está finalmente posicionado no espaçoporto de Kourou se preparando para o lançamento. Ele está destinado a um ponto no espaço a 1,5 milhão de quilômetros da Terra – muito longe para que os astronautas possam visitar e consertar o telescópio se algo der errado. O Hubble precisou de um reparo após o lançamento em 1993, quando os astronautas usaram o ônibus espacial para chegar ao observatório em órbita da Terra e instalar lentes corretivas para seu espelho primário, que havia sido construído de maneira inadequada.
Se for iniciado com sucesso, o James Webb vai sondar o cosmos nos comprimentos de onda do infravermelho próximo a médio, a maioria dos quais são mais longos do que o Hubble pode ver. Isso significa que o James Webb pode estudar a luz que viajou de galáxias distantes e foi alongada para comprimentos de onda mais vermelhos pela expansão do Universo. O James Webb também será capaz de estudar a poeira que envolve as regiões de formação de estrelas, bem como o gás entre as estrelas, ambos os quais não são tão visíveis em comprimentos de onda mais curtos. Como o Hubble, ele será capaz de captar espectros de objetos astronômicos, o que significa que pode dividir sua luz em componentes para determinar do que são feitos.
A atmosfera da Terra interfere com a maioria dos estudos astronômicos infravermelhos baseados em terra. Telescópios baseados no espaço, como o Observatório Espacial Herschel da ESA, que operou entre 2009 e 2013, já exploraram o Universo em luz infravermelha antes. Mas o enorme espelho de Webb e o conjunto de instrumentos sensíveis significam que suas descobertas vão superar as de qualquer telescópio espacial infravermelho anterior, dizem os cientistas. “Isso vai mudar muito do que sabemos sobre várias áreas da astronomia”, disse Jeyhan Kartaltepe, astrônomo do Rochester Institute of Technology, em Nova York.
Como pode detectar objetos vermelhos tênues, Webb está preparado para observar algumas das primeiras estrelas e galáxias que se formaram depois que o Big Bang criou o Universo, há 13,8 bilhões de anos. É quase certo que Webb quebrará o recorde da galáxia mais distante já observada, que atualmente é mantida por uma galáxia despretensiosa chamada GN-z11, que fica a 13,4 bilhões de anos-luz da Terra1,2.
Um grande estudo observará uma região do céu com o tamanho de três luas cheias, com o objetivo de capturar meio milhão de galáxias nela. Esta pesquisa, conhecida como COSMOS-Webb, baseia-se em um projeto em andamento que usou quase todos os principais telescópios terrestres e espaciais para estudar o mesmo pedaço de céu, que fica ao longo do equador celestial e pode ser visto tanto do norte quanto Hemisférios sul. Webb vai olhar para este campo por mais de 200 horas, tornando-o o maior projeto para o primeiro ano de ciência do observatório e criando um rico conjunto de dados para astrônomos minerarem para descobertas. A visão infravermelha de Webb investigará, por exemplo, o período de cerca de 400.000 anos a 1 bilhão de anos após o Big Bang, quando as primeiras estrelas e galáxias iluminaram o Universo. Esta época, conhecida como era da reionização cósmica, preparou o terreno para a evolução das galáxias de hoje. “Há muito que não sabemos sobre esse período de tempo”, diz Kartaltepe, que co-lidera o COSMOS-Webb.
Ao observar esses objetos astronômicos extremamente distantes, os cientistas podem responder a perguntas como como as primeiras estrelas se reuniram em galáxias e como essas galáxias evoluíram ao longo do tempo. Obter uma imagem melhor da formação de galáxias no início do Universo ajudará os astrônomos a entender como o cosmos moderno surgiu. Mariska Kriek, astrônoma do Observatório de Leiden, na Holanda, planeja usar Webb para estudar galáxias distantes que não estão mais formando estrelas. As observações revelarão a composição química das estrelas nessas galáxias e as velocidades nas quais elas se movem. Esses dados, por sua vez, ajudarão Kriek a desvendar o mistério de como e por que essas galáxias pararam de formar estrelas em algum momento de sua história, ao contrário das galáxias que não pararam3. “Estamos procurando um sinal muito, muito fraco”, diz ela. “Isso é realmente o que James Webb vai abrir.”
Perscrutando planetas distantes
Quando não está olhando para estrelas e galáxias, Webb passa muito tempo examinando planetas, particularmente alguns dos milhares que foram descobertos além do Sistema Solar. Ele pode observar enquanto um planeta desliza na face de uma estrela e a luz da estrela brilha brevemente na atmosfera do planeta. A análise espectral de Webb pode revelar a composição das atmosferas planetárias com mais detalhes do que nunca – e os astrônomos estão particularmente interessados em encontrar moléculas como metano e água, que sinalizam condições que poderiam sustentar a vida. Em seu primeiro ano, Webb estudará alguns dos exoplanetas mais famosos, incluindo os sete mundos do tamanho da Terra que orbitam a estrela TRAPPIST-1.
Dang observará vários exoplanetas usando Webb, mas o projeto que ela lidera explorará o mundo K2-141b, que tem apenas 1,5 vez o tamanho da Terra e viaja tão perto de sua estrela que parte dele se derrete. É um exemplo de um raro “planeta de lava” com uma geologia diferente de tudo o que se conhece no Sistema Solar. A visão infravermelha de Webb pode detectar minerais na atmosfera de K2-141b que evaporaram de sua superfície, e o observatório pode até mapear as temperaturas em todo o planeta. “O James Webb está abrindo muitos caminhos para a ciência de exoplanetas que não existiam antes”, diz Dang.
Os repetidos atrasos no desenvolvimento e construção do Webb realmente beneficiaram os cientistas de exoplanetas, diz Néstor Espinoza, astrônomo do Space Telescope Science Institute. A certa altura, o lançamento do Webb estava programado para 2011, mas os astrônomos não confirmaram a primeira atmosfera em torno de um exoplaneta até 20054,5. Os atrasos de Webb deram a eles mais tempo para ajustar seus instrumentos para se adequar ao estudo de atmosferas de exoplanetas. “Estamos muito melhor posicionados agora do que se o JWST fosse lançado em 2011”, diz Espinoza.
Webb terá como alvo uma ampla gama de exoplanetas, incluindo gigantes gasosos e a classe de planetas maiores que a Terra, mas menores que Netuno, que são o tipo mais comum de exoplaneta descoberto até agora.
Mais perto de casa, Webb terá muitos objetos para olhar. Os astrônomos esperam usar sua ampla gama de comprimentos de onda para revelar detalhes nunca antes vistos dos residentes do Sistema Solar. A cor e a química da superfície dos mundos gelados em órbitas próximas a Plutão e além, por exemplo, podem ajudar a revelar os segredos das origens do Sistema Solar. Hammel e outros planejam usar o telescópio para estudar as atmosferas superiores dos gigantes de gelo Netuno e Urano, cujas composições químicas são mais bem vistas no infravermelho. Ao vincular os estudos da alta atmosfera com os da baixa atmosfera, vistos em outros comprimentos de onda por outros telescópios, os cientistas podem obter uma imagem 3D de como a atmosfera de um planeta se comporta. Isso, por sua vez, pode iluminar o funcionamento de planetas gigantes semelhantes além do Sistema Solar.
Obstáculos finais
Embora alguns cientistas vejam benefícios nos atrasos, muitos outros criticaram a NASA e seus contratados ao longo dos anos pelos inúmeros problemas no desenvolvimento do Webb. O telescópio foi fortemente endossado em um relatório de 2001 estabelecendo um roteiro para a astronomia dos Estados Unidos, mas a NASA se esforçou, especialmente entre 2002 e 2008, para desenvolver as muitas tecnologias necessárias para um observatório tão complexo, como o protetor solar. Um relatório contundente de uma revisão independente em 2010 observou que os principais problemas surgiram da subestimação do tempo e dinheiro necessários pela NASA: “Isso resultou em um projeto que simplesmente não era executável dentro dos recursos orçados”, concluiu.
A NASA reestruturou a gestão do projeto em resposta, mas em 2018, outra revisão independente novamente criticou a agência por supervisão insuficiente. Previa-se que os custos aumentariam em mais US $ 800 milhões e o lançamento foi adiado por quase um ano – e foi então retido por causa de problemas na Northrop Grumman e desafios decorrentes da pandemia COVID-19. No início deste ano, a polêmica sobre o nome do telescópio estourou; A NASA anunciou em outubro que não tinha planos de mudar o nome, após uma investigação histórica sobre as ações de James Webb. Muitos astrônomos, no entanto, expressaram descontentamento com as informações limitadas que a NASA divulgou sobre o escopo dessa investigação.
Então, menos de um mês antes da data de lançamento programada para 18 de dezembro, Webb atingiu mais um obstáculo. Na instalação em Kourou, uma faixa que prendia o telescópio ao veículo lançador foi liberada inesperadamente, causando vibrações. A NASA investigou e concluiu que a vibração não causou nenhum dano.
Se e quando Webb finalmente decolar, o que é sempre um procedimento arriscado, o telescópio enfrenta uma sequência cuidadosamente coreografada de eventos de seis meses que começa com o desdobramento e desdobramento do protetor solar, então desdobra e desdobra os espelhos primário e secundário. O telescópio começará a esfriar conforme viaja em direção à sua órbita final em torno do ponto gravitacionalmente estável no espaço conhecido como L2, ou o segundo ponto de Lagrange. Neste local, Webb estará sempre apontado para longe do Sol com a Terra atrás, permitindo-lhe ver objetos distantes enquanto o protetor solar o mantém frio.
Depois, vêm dois meses de sincronização e alinhamento dos espelhos e da ótica do telescópio, e um mês de calibração dos instrumentos. Em junho de 2022, se tudo correr bem, Webb finalmente estará pronto para a ciência.
Os astrônomos planejaram as próximas etapas com cuidado. “Temos que começar a trabalhar imediatamente e trabalhar muito rapidamente”, diz Kartaltepe. Primeiro virá um conjunto de observações de “lançamento antecipado”. Seu conteúdo é bem guardado, mas provavelmente envolverá uma série de imagens de cair o queixo escolhidas para mostrar as capacidades do telescópio. Depois disso, virá uma série de observações gerais, cujos dados a NASA divulgará imediatamente para a comunidade astronômica. Um desses projetos vai olhar para galáxias infravermelhas que se formaram como resultado de violentas colisões galácticas. “Somos as primeiras cobaias a ver quais dados sairão do JWST e como iremos analisar esses dados”, disse Vivian U, astrônoma da Universidade da Califórnia, Irvine, que trabalha no projeto. “Eu sei que estou apoiado em ombros de gigantes.”
Astrônomos que passaram anos trabalhando para construir os instrumentos de Webb tiveram tempo de observação garantido, assim como seis cientistas, incluindo Hammel, que têm a tarefa de realizar pesquisas de interesse interdisciplinar. Depois disso, vêm as propostas lideradas pelos pesquisadores principais. Astrônomos na Europa terão pelo menos 15% do tempo de observação, e aqueles no Canadá terão pelo menos 5%, pelas contribuições de suas agências espaciais para Webb. As propostas são avaliadas por meio de revisão por pares anônima dupla, na qual revisores e proponentes não sabem os nomes uns dos outros – uma prática que demonstrou reduzir o preconceito de gênero na alocação de tempo de telescópio6.
Espera-se que o Webb opere por pelo menos cinco anos e talvez até dez, uma vida útil ditada pela quantidade de combustível que usa para se orientar no espaço. Nesse ínterim, o envelhecimento do Hubble continua mancando. Foi atualizado pela última vez por astronautas em 2009 e tem se degradado lentamente desde então. Uma falha no computador o deixou off-line em junho, e os engenheiros tiveram que mudar para um sistema de backup antes de colocá-lo em funcionamento novamente em julho. Os instrumentos científicos do Hubble também ficaram offline em outubro devido a problemas de comunicação interna. Os engenheiros restauraram todos os instrumentos para operação no início de dezembro.
Depois de muitos anos de espera, os astrônomos estão mais do que prontos para que Webb pegue a batuta da descoberta do Hubble. “Provavelmente estou mais animado com as coisas que ainda não sabemos”, disse Kriek.
Publicado em 11/12/2021 20h49
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