O Telescópio Espacial James Webb mudará nossa visão do universo.
Quando os cientistas planejaram e projetaram o Telescópio Espacial Hubble, o observatório astronômico mais inovador de sua época, havia muitas coisas sobre o universo que eles não sabiam. Uma dessas incógnitas era que estrelas e galáxias já existiam algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang, disse Mark McCaughrean, consultor sênior para ciência e exploração da Agência Espacial Européia (ESA), ao Space.com.
Mas mesmo que eles soubessem sobre essas estrelas e galáxias primitivas, eles não tinham a tecnologia para fazer o Hubble vê-las.
“O Hubble tinha vários objetivos importantes, muitos dos quais tinham cerca de 20 anos”, disse McCaughrean, que também é um cientista interdisciplinar do grupo de trabalho científico James Webb Space Telescope (JWST) da NASA. “Quando eles o construíram, a ciência mudou, a ciência mudou em algumas áreas. E uma das coisas que os astrônomos descobriram na década de 1980 [pouco antes do lançamento do Hubble em 1990] foi que as galáxias se formaram muito antes do esperado.”
Tornou-se óbvio que outro observatório espacial ainda maior será necessário para chegar às primeiras estrelas e galáxias – aquelas que iluminaram o universo após centenas de milhões de anos de escuridão que se seguiram ao Big Bang quando o espaço em expansão estava apenas preenchido com átomos de hidrogênio.
A tecnologia que eventualmente permitiria a este observatório, agora conhecido como Telescópio Espacial James Webb (originalmente chamado de Telescópio Espacial da Próxima Geração), ver aquela primeira luz mítica no universo, ainda tinha que ser desenvolvida.
O poder dos olhos infravermelhos
Essa tecnologia que faltava eram os detectores infravermelhos que seriam capazes de coletar a luz fraca proveniente das primeiras estrelas e galáxias a mais de 13 bilhões de anos-luz de distância.
O Hubble foi construído para detectar luz visível e ultravioleta. Essas primeiras galáxias emitem luz visível, mas por causa de sua distância, o comprimento de onda dessa luz é esticado na parte infravermelha do espectro eletromagnético pelo chamado redshift.
McCaughrean, então estudante de doutorado na Universidade de Edimburgo, na Escócia, foi um desses cientistas que desenvolveu os primeiros detectores infravermelhos, uma tecnologia que agora atingiu seu ponto culminante em quatro instrumentos científicos de ponta do Telescópio Espacial James Webb.
“Na década de 1980, as imagens infravermelhas eram tiradas com um detector varrendo o céu, um pixel de cada vez”, disse McCaughrean. “Demorou uma eternidade. Minha tese de doutorado era sobre a primeira câmera capaz de capturar imagens infravermelhas 2D. Tínhamos 58 vezes 62 pixels, e isso era 4.000 vezes mais do que todo mundo tinha, porque eles só tinham uma.”
McCaughrean mais tarde mudou-se para os EUA para trabalhar na Câmera de infravermelho próximo e no espectrômetro de múltiplos objetos (NICMOS), o primeiro detector infravermelho instalado no telescópio espacial Hubble durante sua segunda missão de manutenção em 1997. NICMOS, consistindo de três detectores infravermelhos, cada um deles que tinha 256 por 256 pixels, abriu a primeira porta para o Hubble no universo infravermelho.
A tecnologia já percorreu um longo caminho desde os primeiros anos do Hubble, e o projeto do Telescópio Espacial James Webb a impulsionou ainda mais.
“Os detectores do JWST têm 2.000 por 2.000 pixels. E temos muitos deles”, disse McCaughrean. “Temos muito mais pixels infravermelhos [no JWST] do que o Hubble tinha pixels ópticos quando foi lançado.”
Então, o que exatamente todos esses pixels (em combinação com todos os outros aspectos da missão que o tornam tão inovador) permitirão que o Telescópio Espacial James Webb faça?
O espelho gigante do Telescópio Espacial James Webb alimentará a luz de estrelas e galáxias em quatro instrumentos de última geração projetados não apenas para obter imagens, mas também para analisar a composição química do universo próximo e distante. Isso é feito com uma técnica conhecida como espectroscopia, que analisa como a matéria no universo absorve luz. À medida que diferentes elementos químicos absorvem luz em diferentes comprimentos de onda, os astrônomos serão capazes de reconstruir de que são feitas estrelas, nebulosas, galáxias e planetas na visão do Telescópio Espacial de James Webb.
“Os instrumentos do Telescópio Espacial James Webb são um fator 10 a 100 [vezes] melhores do que qualquer coisa anteriormente disponível”, disse Randy Kimble, cientista do projeto JWST para integração, teste e comissionamento no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, ao Space.com . “Em alguns desses comprimentos de onda do infravermelho médio, provavelmente há uma vantagem de 1.000 para alguns tipos de observações.”
Essas melhorias na resolução da imagem infravermelha são críticas para a geração de imagens nos confins do universo. Enquanto o Telescópio Espacial Hubble, ou o telescópio infravermelho recentemente aposentado Spitzer, poderia fornecer apenas uma estimativa grosseira da idade e composição química de uma galáxia antiga, o James Webb entregará com precisão, acrescentou Kimble, que anteriormente trabalhou em instrumentos para o Telescópio Espacial Hubble, incluindo a Wide Field Camera 3, o instrumento mais avançado do Hubble, que foi instalado durante a missão de manutenção final em 2009.
Desembaraçando a formação inicial de estrelas e galáxias
Foi a Wide Field Camera 3 que abriu algumas das melhores vistas do universo primitivo. O James Webb, Kimble disse, agora está posicionado para superar esse legado.
“Quando se trata dessas galáxias distantes, a Wide Field Camera 3 fica sem comprimento de onda”, disse Kimble. “Algumas dessas detecções ficam um pouco duvidosas e será muito interessante ver quais são as corretas. O James Webb será capaz de fazer esse tipo de coisa, para dizer exatamente que vemos esta galáxia em particular 250 milhões de anos após o Grande explosão.”
Hubble, diz McCaughrean, pode ver até 13 bilhões de anos no passado. E já avista galáxias que, naquele momento de sua evolução, podem ter formado várias gerações de estrelas.
“Se estamos vendo esse material cerca de 500 milhões de anos após o Big Bang, ele deve ter sido feito ainda antes por estrelas que ainda não vimos”, disse McCaughrean. “Grandes estrelas se formam e morrem rapidamente, em apenas alguns milhões de anos, então, depois de 500 milhões de anos, você pode ter tido muitas gerações de estrelas massivas.”
A evolução química do universo
Olivia Jones, uma cientista do JWST no Observatório Real de Edimburgo, está mais interessada no que acontece quando essas primeiras estrelas morrem, liberando seu material em seus arredores, para dar origem a novas estrelas. Os astrônomos sabem que o universo primitivo tinha uma composição química muito diferente da que vemos hoje. Consistia apenas em hidrogênio, hélio e um pouco de lítio, disse Jones ao Space.com. Todos os outros elementos químicos que vemos agora, incluindo aqueles que tornam a vida possível, foram cozidos ao longo de eras dentro dessas estrelas.
“Grande parte da síntese química no universo gira em torno de estrelas massivas quando explodem, ou estrelas de baixa massa em seus estágios finais de evolução”, disse Jones. “Há muitos processos químicos interessantes e lentos que podem acontecer em suas atmosferas por causa das temperaturas e pressões. E é simplesmente fascinante para mim como podemos ir de ter apenas três elementos químicos para a vasta gama de diversidade que vemos ao nosso redor hoje. ”
Os espectroscópios a bordo do Telescópio Espacial James Webb serão capazes de sondar as cozinhas químicas dessas primeiras galáxias, vendo o que estava cozinhando dentro de estrelas individuais e com o que fertilizaram o cosmos mais amplo quando explodiram em poderosas supernovas.
“A espectroscopia é o verdadeiro poder do James Webb”, disse Jones. “Normalmente vemos esse processo em escalas galácticas, mas com o James Webb, teremos uma resolução tão alta que seremos capazes de visualizar objetos individuais.”
Perscrutando através da poeira os corações das regiões de formação de estrelas
Embora o Telescópio Espacial James Webb e o Telescópio Espacial Hubble sejam frequentemente comparados, suas imagens serão bastante diferentes, revelando diferentes aspectos do universo. Enquanto a força do Hubble está gerando imagens do universo visível, os superpoderes infravermelhos do James Webb permitirão ao telescópio ver através da poeira até o coração das nebulosas, galáxias e regiões de formação de estrelas que estão escondidas da visão do Hubble.
“Nós sabemos que estrelas estão nascendo em lugares como a nebulosa de Orion e outras nebulosas no céu”, disse McCaughrean. “Mas não podíamos ver dentro deles na óptica porque a luz óptica é absorvida pela poeira.”
Os observatórios infravermelhos anteriores, como o Telescópio Espacial Spitzer da NASA, eram muito menores do que o James Webb. Portanto, eles não podiam ver tão longe quanto o James Webb e, quando o fizeram, apenas vislumbraram essas regiões de formação de estrelas em uma resolução limitada.
“Anteriormente, quando podíamos ver o local da formação de estrelas, víamos vários objetos todos juntos”, disse Jones. “O James Webb será capaz de separá-los todos individualmente. Seríamos capazes de ver várias estrelas nascendo em aglomerados onde antes só podíamos detectar esses aglomerados.”
Enquanto os astrônomos foram capazes de mapear a formação de estrelas em nossa própria galáxia, a Via Láctea, o Telescópio Espacial James Webb abrirá centros de nascimento de estrelas em partes mais distantes do universo.
“Veremos galáxias mais distantes e extremas, onde as condições ambientais são muito diferentes do que vemos na Via Láctea”, disse Jones. “Anteriormente, podíamos ver estrelas com cerca de 8 vezes a massa do sol, mas agora devemos ser capazes de ver a formação de estrelas do tamanho do sol e esse processo nunca foi observado antes.”
Sistema solar externo
Mas nem tudo será sobre lugares distantes. Cientistas interessados na vizinhança mais local da Terra também se divertirão com o James Webb.
“Com o JWST, não podemos olhar para dentro em direção ao sol, mas seremos capazes de olhar para fora”, disse McCaughrean. “Podemos olhar para planetas como Marte, Júpiter, Saturno, Urano e Netuno, mas também para o Cinturão de Kuiper.”
O Cinturão de Kuiper é um repositório de cometas, asteróides e outros detritos que circundam o sistema solar externo além da órbita de Netuno. É uma região escura e fria que é muito difícil de explorar porque esses objetos refletem muito pouca luz.
“O JWST pode fazer uma espectroscopia fantástica nos objetos do Cinturão de Kuiper”, disse McCaughrean. “Esses objetos são realmente frios, eles não refletem muita luz, então você precisa de um grande telescópio infravermelho. Sabemos que eles têm gelo e várias moléculas em suas superfícies e esperamos ser capazes de ver isso.”
Exoplanetas
Assim como o Hubble, a ciência avançou desde a concepção do Telescópio Espacial James Webb e surgiram novas áreas que podem não ter sido previstas quando a primeira máquina de luz foi concebida. Em 1995, os primeiros dois planetas orbitando outra estrela que não o nosso Sol foram descobertos. Desde então, milhares de exoplanetas de vários tamanhos e tipos foram detectados. E embora não tenha sido projetado com essas outras Terras em potencial, o Telescópio Espacial James Webb acabou sendo posicionado não apenas para descobrir muito mais, mas também para nos contar detalhes muito mais sutis sobre sua natureza do que qualquer outra missão anterior.
“Esses planetas têm atmosferas com várias moléculas”, disse McCaughrean. “Coisas como dióxido de carbono, oxigênio [e] nitrogênio. E olhando para essas moléculas, isso é realmente melhor feito com espectroscopia infravermelha.”
Um dos instrumentos do JWST, a Near Infrared Camera (NIRCAM) é equipada com implementos extras chamados coronógrafos, que bloqueiam a luz de uma estrela para ver mais claramente o que está acontecendo ao seu redor. Isso, de fato, pode envolver sistemas alienígenas de planetas, alguns dos quais podem ser habitáveis, com água e atmosfera que poderiam sustentar vida assim como a Terra.
“Trinta anos atrás, ninguém teria imaginado que poderíamos estudar a composição da atmosfera de planetas ao redor de outras estrelas”, disse Kimble. “Agora estamos fazendo isso rotineiramente e o James Webb vai fazer muito melhor.”
As grandes incógnitas
O Telescópio Espacial James Webb foi construído para revolucionar a astronomia. Daqui a dez anos, muitas de suas descobertas mais inovadoras podem vir de reinos que ainda são completamente desconhecidos hoje.
“O que é tão empolgante sobre o Hubble e o James Webb é que eles são observatórios de propósito geral”, disse Kimble. “Eles tinham alguns objetivos científicos chave específicos, mas eles têm uma ampla gama de recursos que os permitem fazer descobertas que não estavam nas áreas para as quais você projetou os telescópios. Se você fizer os 10 maiores sucessos do Hubble, metade deles serão coisas eles sabiam que o estavam construindo e metade deles eram coisas sobre as quais as pessoas não faziam ideia, como a energia escura e estudos de exoplanetas. Espero que o mesmo seja verdade para o James Webb. ”
Serão jovens astrônomos como Jones, que era apenas uma garotinha quando o Telescópio Espacial James Webb foi concebido, que desvendarão essas grandes incógnitas nas próximas décadas.
“O Telescópio Espacial James Webb mudará nossa visão do universo”, disse Jones. “E é só graças às pessoas que pensaram nisso quando talvez eu ainda estava na escola primária que pessoas como eu agora podem tirar o máximo proveito disso nesta fase de nossas carreiras.”
Instrumentos do telescópio espacial James Webb
A câmera infravermelha próxima (NIRCAM):
O NIRCam será crucial para cumprir o objetivo principal do James Webb: detectar a luz das primeiras estrelas e galáxias. Não é apenas uma câmera infravermelha simples, mas é equipada com alguns implementos extras chamados coronógrafos. Os coronógrafos permitirão aos astrônomos bloquear a luz de uma estrela e observar o que está acontecendo ao seu redor, o que o torna ótimo para descobrir exoplanetas em órbita.
O Espectrógrafo de Infravermelho Próximo (NIRSpec):
NIRSpec é a principal ferramenta para quebrar a química do universo. Ele vai dividir a luz vinda do universo distante em espectros, revelando as propriedades dos objetos observados, incluindo sua temperatura, massa e composição química.
Como alguns desses objetos estão extremamente distantes e a luz proveniente deles será extremamente fraca, o Telescópio Espacial James Webb, apesar de seu espelho gigante, terá que encará-los por centenas de horas. Para tornar essas observações mais eficientes, o NIRSPec será capaz de observar 100 dessas galáxias distantes ao mesmo tempo.
“Basicamente, permite que você abra pequenas portas e deixe a luz passar de uma galáxia, mas bloqueie toda a luz de todo o resto”, disse McCaughrean. “Mas você pode abrir 100 portas de uma vez, por exemplo. Isso é muito sofisticado e nunca foi transportado no espaço.”
O instrumento infravermelho médio (MIRI):
MIRI é uma combinação de uma câmera e um espectrógrafo, mas ao contrário dos dois anteriores, ele observa nos comprimentos de onda mais longos da parte do infravermelho médio do espectro eletromagnético, o que o tornará um instrumento ideal para todos que procuram estudar tudo, desde cometas e asteróides da periferia do sistema solar a estrelas recém-nascidas e galáxias distantes. As imagens de MIRI serão as mais semelhantes às que transformaram o Telescópio Espacial Hubble em uma lenda.
O sensor de orientação fina / gerador de imagens infravermelho próximo e espectrógrafo sem fenda (FGS / NIRISS):
O FGS / NIRISS também irá contribuir para a detecção da primeira luz, identificar exoplanetas e analisar sua química.
Publicado em 26/12/2021 17h21
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