Atrasos no telescópio espacial significam que haverá mais ciência legal para fazer
O Telescópio Espacial James Webb já existe há muito tempo. Quando for lançado no final deste ano, o observatório será o maior e mais complexo telescópio já colocado em órbita. Os cientistas estão redigindo e reformulando seus sonhos e planos para essa ferramenta única desde 1989.
A missão foi originalmente programada para ser lançada entre 2007 e 2011, mas uma série de questões orçamentárias e técnicas atrasou seu início em mais de uma década. Notavelmente, o design do núcleo do telescópio não mudou muito. Mas a ciência na qual ele pode se aprofundar o fez. Nos anos de espera pela preparação de Webb, surgiram grandes questões científicas. Quando Webb era um lampejo inicial aos olhos dos astrônomos, revoluções cosmológicas como as descobertas de energia escura e planetas orbitando estrelas fora de nosso sistema solar ainda não haviam acontecido.
“Já se passaram mais de 25 anos”, diz a cosmologista Wendy Freedman, da Universidade de Chicago. “Mas acho que realmente valeu a pena esperar.”
Um plano audacioso
Webb tem um design diferenciado. A maioria dos telescópios espaciais abriga uma única lente ou espelho dentro de um tubo que bloqueia a luz do sol de inundar as luzes fracas do cosmos. Mas o enorme espelho de 6,5 metros de largura de Webb e seus instrumentos científicos estão expostos ao vácuo do espaço. Um escudo multicamadas do tamanho de uma quadra de tênis bloqueará a luz do sol, da Terra e da lua.
Para que a forma estranha se encaixe em um foguete, Webb será lançado dobrado e, em seguida, se desenrolará no espaço (veja abaixo, O que pode dar errado?).
“Eles chamam isso de satélite de origami”, diz o astrônomo Scott Friedman, do Space Telescope Science Institute, ou STScI, em Baltimore. Friedman é responsável pela coreografia pós-lançamento de Webb. “Webb é diferente de qualquer outro telescópio que já voou.”
Um novo design
Depois que tudo estiver desdobrado, o escudo solar do Telescópio Espacial James Webb abrangerá o comprimento de uma quadra de tênis para proteger os espelhos principal e secundário do sol, da lua e da luz e do calor da Terra. Os painéis solares, expostos ao sol, vão converter luz em eletricidade para alimentar os instrumentos. A antena de Webb o manterá se comunicando com cientistas na Terra, enviando dados de instrumentos científicos. A aba de estabilização evita que a máquina se desvie do curso.
Seu design básico não mudou em mais de 25 anos. O telescópio foi proposto pela primeira vez em setembro de 1989 em um workshop realizado no STScI, que também opera o Telescópio Espacial Hubble.
Na época, o Hubble estava a menos de um ano do lançamento e deveria funcionar por apenas 15 anos. Trinta e um anos após seu lançamento, o telescópio ainda está forte, apesar de uma série de falhas do computador e falhas do giroscópio.
O diretor do instituto na época, Riccardo Giacconi, estava preocupado que a próxima grande missão levasse mais de 15 anos para decolar. Então, ele e outros propuseram que a NASA investigasse um possível sucessor do Hubble: um telescópio espacial com um espelho primário de 10 metros de largura que era sensível à luz em comprimentos de onda infravermelhos para complementar a faixa de ultravioleta, visível e infravermelho próximo do Hubble.
A luz infravermelha tem um comprimento de onda maior do que a luz visível aos olhos humanos. Mas é perfeito para um telescópio olhar para trás no tempo. Como a luz viaja a uma velocidade fixa, olhar para objetos distantes no universo significa vê-los como pareciam no passado. O universo está se expandindo, de modo que a luz é esticada antes de chegar aos nossos telescópios. Para os objetos mais distantes do universo – as primeiras galáxias a se agruparem ou as primeiras estrelas a arderem nessas galáxias – a luz que foi originalmente emitida em comprimentos de onda mais curtos é esticada até o infravermelho.
Giacconi e seus colaboradores sonharam com um telescópio que detectaria a luz difusa das primeiras galáxias. Quando o Hubble começou a compartilhar suas visões do universo primitivo, o sonho se solidificou em um plano de ciência. As galáxias que Hubble viu a grandes distâncias “pareciam diferentes do que as pessoas esperavam”, diz o astrônomo Massimo Stiavelli, líder do projeto do Telescópio Espacial James Webb que está no STScI desde 1995. “As pessoas começaram a pensar que há ciência interessante aqui. ”
Em 1995, o STScI e a NASA encomendaram um relatório para projetar o sucessor do Hubble. O relatório, liderado pelo astrônomo Alan Dressler, dos Observatórios Carnegie em Pasadena, Califórnia, sugeriu um observatório espacial infravermelho com um espelho de 4 metros de largura.
Quanto maior o espelho do telescópio, mais luz ele pode coletar e mais longe pode ver. Quatro metros não era muito maior do que o espelho de 2,4 metros do Hubble, mas qualquer coisa maior seria difícil de lançar.
Dressler informou o então administrador da NASA Dan Goldin no final de 1995. Em janeiro de 1996, na reunião anual da American Astronomical Society, Goldin desafiou os cientistas a serem mais ambiciosos. Ele chamou Dressler pelo nome, dizendo: “Por que você pede uma coisa tão modesta? Por que não ir depois de seis ou sete metros? ” (Ainda longe do desejo torta de Giacconi de 10 metros.) O discurso foi aplaudido de pé.
Seis metros era um espelho maior do que já voou no espaço, e maior do que caberia em veículos de lançamento disponíveis. Os cientistas teriam que projetar um espelho telescópico que pudesse se dobrar e depois se desdobrar quando chegasse ao espaço.
O telescópio também precisaria se resfriar passivamente, irradiando calor para o espaço. Precisava de um escudo solar – um grande. O telescópio de origami nasceu. Foi apelidado de James Webb em 2002 para o administrador da NASA de 1961 a 1968, que lutou para apoiar a pesquisa para aumentar a compreensão do universo no programa espacial cada vez mais focado no humano. (Em resposta a uma petição de maio para mudar o nome, a NASA investigou as alegações de que James Webb perseguiu gays e lésbicas durante sua carreira no governo. A agência anunciou em 27 de setembro que não encontrou nenhuma evidência que justificasse uma mudança de nome.)
Vistas mistas
Webb observará o universo em comprimentos de onda que são em sua maioria mais longos do que os humanos podem ver (0,38 a 0,7 micrômetros) e o que o Telescópio Espacial Hubble pode observar, embora mais curto do que a maior parte do alcance do Telescópio Espacial Spitzer. Essa visão infravermelha permite que os telescópios observem mais longe e vejam através das nuvens de poeira.
Espectro eletromagnético
FONTE: NASA, J. OLMSTED / STSCI
O lema de Goldin na NASA era “mais rápido, melhor, mais barato”. Maior era melhor para Webb, mas com certeza não era mais rápido – ou mais barato. No final de 2010, o projeto era superior a US $ 1,4 bilhão em relação ao orçamento de US $ 5,1 bilhões. E levaria mais cinco anos para ficar pronto. Hoje, o custo é estimado em quase US $ 10 bilhões.
O telescópio sobreviveu a um quase cancelamento pelo Congresso e sua linha do tempo foi redefinida para um lançamento em outubro de 2018. Mas em 2017, o lançamento foi adiado para junho de 2019. Mais dois atrasos em 2018 adiaram a decolagem para maio de 2020, depois para março de 2021. Alguns desses atrasos ocorreram porque a montagem e os testes da espaçonave demoraram mais do que a NASA esperava.
Outras lentidões eram causadas por erros humanos, como o uso de solvente de limpeza errado, que danificava as válvulas do sistema de propulsão. As recentes paralisações devido à pandemia de coronavírus atrasaram o lançamento mais alguns meses.
“Acho que nunca imaginamos que seria tão longo”, diz Freedman, da Universidade de Chicago, que trabalhou no relatório Dressler. Mas há uma fresta de esperança: a ciência avançou.
O conflito de idade
O primeiro objetivo científico listado no relatório Dressler foi “o estudo detalhado do nascimento e evolução de galáxias normais, como a Via Láctea”. Esse ainda é o sonho, em parte porque é uma meta muito ambiciosa, diz Stiavelli.
“Queríamos um fundamento científico que resistisse ao teste do tempo”, diz ele. “Não queríamos construir uma missão que fizesse algo que é feito de outra forma antes de você terminar.”
Webb observará galáxias e estrelas como eram apenas 400 milhões de anos após o Big Bang, que os astrônomos pensam ser a época em que as primeiras galáxias minúsculas começaram a tornar o universo transparente à luz, removendo elétrons do hidrogênio cósmico.
Mas na década de 1990, os astrônomos tiveram um problema: não parecia haver tempo suficiente no universo para fazer galáxias muito mais cedo do que as que os astrônomos já tinham visto. A cosmologia padrão da época sugeria que o universo tinha 8 bilhões ou 9 bilhões de anos, mas havia estrelas na Via Láctea que pareciam ter cerca de 14 bilhões de anos.
“Houve esse conflito de idade que apareceu”, diz Freedman. “Você não pode ter um universo mais jovem do que as estrelas mais antigas. A maneira como as pessoas colocaram foi: ‘Você não pode ser mais velha que sua avó!'”
Chegando lá
Webb orbitará o Sol a partir de um ponto estável no espaço chamado L2, a 1,5 milhão de quilômetros da Terra. O telescópio passará seu primeiro mês após o lançamento chegando a este ponto e desdobrando seu escudo solar e espelhos. O escudo solar ficará voltado para a Terra e o sol o tempo todo, mantendo sua luz e calor longe dos instrumentos sensíveis do telescópio. Uma vez em L2, o telescópio passará mais cinco meses ligando e testando seus instrumentos científicos antes de coletar dados.
Webb viaja para L2
Em 1998, duas equipes de cosmologistas mostraram que o universo está se expandindo a uma taxa cada vez maior. Uma substância misteriosa chamada energia escura pode estar empurrando o universo para se expandir cada vez mais rápido. Essa expansão acelerada significa que o universo é mais velho do que os astrônomos pensavam – a estimativa atual é de cerca de 13,8 bilhões de anos.
“Isso resolveu o conflito de idade”, diz Freedman. “A descoberta da energia escura mudou tudo.” E expandiu a lista de afazeres de Webb.
Energia escura
O topo da lista é chegar ao fim de uma incompatibilidade nas medições cósmicas. Desde pelo menos 2014, diferentes métodos para medir a taxa de expansão do universo – chamada de constante de Hubble – têm dado respostas diferentes. Freedman chama a questão de “o problema mais importante da cosmologia hoje”.
A questão, Freedman diz, é se a incompatibilidade é real. Uma incompatibilidade real pode indicar algo profundo sobre a natureza da energia escura e a história do universo. Mas a discrepância pode ser apenas devido a erros de medição.
Webb pode ajudar a resolver o debate. Uma maneira comum de determinar a constante de Hubble é medindo as distâncias e velocidades de galáxias distantes. Medir distâncias cósmicas é difícil, mas os astrônomos podem estimá-las usando objetos de brilho conhecido, chamados velas padrão. Se você sabe o brilho real do objeto, pode calcular sua distância com base em quão brilhante ele parece da Terra.
Estudos usando supernovas e estrelas variáveis chamadas cefeidas como velas encontraram uma taxa de expansão de 74,0 quilômetros por segundo para aproximadamente cada 3 milhões de anos-luz, ou megaparsec, de distância entre objetos. Mas usando estrelas gigantes vermelhas, Freedman e seus colegas obtiveram uma resposta menor: 69,8 km / s / Mpc.
Outros estudos mediram a constante de Hubble observando o brilho fraco da luz emitida apenas 380.000 anos após o Big Bang, chamada de radiação cósmica de fundo. Cálculos baseados nesse brilho fornecem uma taxa ainda menor: 67,4 km / s / Mpc. Embora esses números possam parecer próximos, o fato de eles discordarem pode alterar nossa compreensão do conteúdo do universo e de como ele evolui ao longo do tempo. A discrepância foi chamada de crise na cosmologia.
Em seu primeiro ano, Webb observará algumas das mesmas galáxias usadas nos estudos de supernovas, usando três objetos diferentes como velas: cefeidas, gigantes vermelhas e estrelas peculiares chamadas estrelas de carbono.
O telescópio também tentará medir a constante de Hubble usando uma galáxia distante com lentes gravitacionais. Comparar essas medições entre si e com outras semelhantes do Hubble mostrará se as medições anteriores estavam apenas erradas ou se a tensão entre as medições é real, Freedman diz.
Sem essas novas observações, “nós simplesmente discutiríamos sobre as mesmas coisas para sempre”, diz ela. “Precisamos apenas de dados melhores. E [Webb] está pronto para entregá-lo. ”
O que poderia dar errado?
Para o Telescópio Espacial James Webb, entrar no espaço é apenas o primeiro passo. O telescópio deve completar uma série complicada de etapas de desdobramento antes de poder observar o cosmos. Toda a sequência, incluindo a preparação dos instrumentos científicos, levará cerca de seis meses.
“Muita coisa precisa dar certo, com certeza”, diz o astrônomo Scott Friedman, do Space Telescope Science Institute em Baltimore, responsável por essa linha do tempo. O Webb irá para um ponto no espaço chamado L2, que está muito longe da Terra para os astronautas visitarem e fazerem reparos. “Há todos os motivos para acreditar que as coisas correrão muito bem”, diz Friedman. “Mas não saberemos até chegarmos lá.”
Exoplanetas
Talvez a maior mudança para a ciência Webb tenha sido o surgimento do campo de explorações de exoplanetas.
“Quando isso foi proposto, os exoplanetas quase não existiam”, diz Friedman, do STScI. “E agora, é claro, é um dos tópicos mais quentes de toda a ciência, especialmente de toda a astronomia.”
O segundo grande objetivo do relatório Dressler para o sucessor de Hubble era “a detecção de planetas semelhantes à Terra em torno de outras estrelas e a busca por evidências de vida neles”. Mas em 1995, apenas um punhado de planetas orbitando outras estrelas semelhantes ao Sol eram conhecidos, e todos eles eram gigantes gasosos escaldantes – nada parecido com a Terra.
Desde então, os astrônomos descobriram milhares de exoplanetas orbitando estrelas distantes. Os cientistas agora estimam que, em média, existe pelo menos um planeta para cada estrela que vemos no céu. E alguns dos planetas são pequenos e rochosos, com as temperaturas certas para suportar água líquida e talvez vida.
A maioria dos planetas conhecidos foi descoberta quando eles cruzaram, ou transitaram, na frente de suas estrelas-mãe, bloqueando um pouco da luz da estrela-mãe. Os astrônomos logo perceberam que, se esses planetas tivessem atmosferas, um telescópio sensível poderia efetivamente farejar o ar examinando a luz das estrelas que se filtra pela atmosfera.
O infravermelho Spitzer Space Telescope, lançado em 2003, e o Hubble começaram este trabalho. Mas o Spitzer ficou sem líquido refrigerante em 2009, mantendo-o quente demais para medir moléculas importantes em atmosferas de exoplanetas. E o Hubble não é sensível a alguns dos comprimentos de onda de luz mais interessantes – aqueles que podem revelar formas de vida alienígenas.
É aí que Webb vai brilhar. Se o Hubble estiver espiando por uma fresta em uma porta, Webb vai escancarar a porta, diz o cientista de exoplanetas Nikole Lewis, da Universidade Cornell. Crucialmente, Webb, ao contrário do Hubble, será particularmente sensível a várias moléculas portadoras de carbono em atmosferas de exoplanetas que podem ser sinais de vida.
“O Hubble não pode nos dizer nada sobre carbono, monóxido de carbono, dióxido de carbono, metano”, diz ela.
Se o Webb tivesse sido lançado em 2007, poderia ter perdido todo esse campo. Embora o primeiro exoplaneta em trânsito tenha sido descoberto em 1999, seus números foram baixos na década seguinte.
Lewis se lembra de ter pensado, quando começou a pós-graduação em 2007, que poderia fazer um modelo de computador de todos os exoplanetas em trânsito. “Porque havia literalmente apenas 25”, diz ela.
Entre 2009 e 2018, o telescópio espacial Kepler da NASA avaliou milhares de planetas em trânsito. Mas esses planetas eram muito escuros e distantes para Webb sondar sua atmosfera.
Portanto, os atrasos imediatos dos últimos anos têm sido bons para a pesquisa de exoplanetas, diz Lewis. “Os atrasos no lançamento foram uma das melhores coisas que aconteceram para a ciência de exoplanetas com Webb”, diz ela. “Ponto final.”
Isso se deve principalmente ao Transiting Exoplanet Survey Satellite, ou TESS, da NASA, lançado em abril de 2018. O trabalho do TESS é encontrar planetas orbitando as estrelas mais próximas e brilhantes, o que dará a Webb a melhor chance de detectar moléculas interessantes em atmosferas planetárias.
Se tivesse sido lançado em 2018, Webb teria que esperar alguns anos para que a TESS escolhesse os melhores alvos. Agora, ele pode começar nesses mundos imediatamente. O primeiro ano de observações de Webb incluirá a sondagem de vários exoplanetas conhecidos que foram aclamados como possíveis lugares para encontrar vida. Os cientistas vão pesquisar planetas que orbitam pequenas estrelas frias chamadas anãs M para se certificar de que tais planetas têm atmosferas, uma questão que tem sido debatida acaloradamente.
Se um sinal de vida aparecer em qualquer um desses planetas, esse resultado também será ferozmente debatido, diz Lewis. “Haverá uma grande confusão na literatura quando isso acontecer.” Será difícil comparar planetas orbitando anãs M com a Terra, porque esses planetas e suas estrelas são muito diferentes dos nossos. Ainda assim, “vamos olhar e ver o que encontramos”, diz ela.
Uma vida útil limitada
Com seus componentes montados, testados e dobrados nas instalações da Northrop Grumman na Califórnia, Webb está a caminho de barco pelo Canal do Panamá, pronto para ser lançado em um foguete Ariane 5 da Guiana Francesa. A data de lançamento mais recente foi definida para 18 de dezembro.
Para os cientistas que trabalham no Webb há décadas, este é um momento nostálgico.
“Você começa a se relacionar com as pessoas que construíram as pirâmides”, diz Stiavelli.
Outros cientistas, que cresceram em um mundo onde Webb sempre esteve no horizonte, já estão pensando no próximo grande acontecimento.
“Tenho quase certeza, salvo um desastre épico, de que [Webb] levará minha carreira pela próxima década”, disse Lewis. “Mas eu tenho que pensar sobre o que farei na próxima década” depois disso.
Ao contrário do Hubble, que durou décadas graças a reparos por astronautas e missões de atualização, Webb tem uma vida útil estritamente limitada. Orbitando o Sol em um ponto gravitacionalmente fixo chamado L2, Webb estará muito longe da Terra para consertar e precisará queimar pequenas quantidades de combustível para se manter em posição. O combustível vai durar pelo menos cinco anos e, com sorte, até 10. Mas quando o combustível acabar, Webb estará acabado. Os operadores do telescópio irão movê-lo para a aposentadoria em uma órbita fora do caminho ao redor do Sol e se despedir dele.
Publicado em 10/10/2021 20h02
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