Como o telescópio espacial James Webb funcionará

Nosso conhecimento de nosso universo é limitado pelo alcance de nossos sentidos, mas nossas mentes não conhecem tais limites. Quando o brilho de uma fogueira nos cega para a fonte de um estalo de galho na escuridão da floresta, imaginamos todos os tipos de perspectivas terríveis. Mas dê alguns passos, acenda o fogo em nossas costas e veremos mais profunda e claramente. A imaginação encontra a informação e, de repente, sabemos com o que estamos lidando.

Se ao menos fosse sempre tão simples. Mas é preciso mais do que um bom par de olhos e alguma distância das luzes da cidade para compreender o cosmos; requer instrumentos capazes de expandir nossos sentidos além de nossos limites evolutivos, nossa atmosfera ou mesmo nossa órbita planetária . A astronomia e a cosmologia são forçadas e limitadas pela qualidade desses instrumentos. Cerca de 400 anos atrás, o telescópio revelou luas, planetas e manchas solares insuspeitos, provocando uma sucessão de novas teorias cósmicas e melhores ferramentas para testá-las, revelando nebulosas ondulantes e congregando estrelas ao longo do caminho.

Em meados do século 20, os radiotelescópios mostraram que as galáxias, longe de bolhas estáticas, estavam de fato ativas e cheias de energia. Antes do telescópio espacial Kepler, pensávamos que os exoplanetas eram raros no universo; agora suspeitamos que eles podem superar em número as estrelas. Duas décadas do Telescópio Espacial Hubble em órbita da Terra ajudaram a perfurar o véu do tempo, criar imagens de berçários estelares e provar que as galáxias colidem. Agora, o Telescópio Espacial James Webb está pronto para ficar de costas para a luz do sol, afastar-se da Terra e fazer observações aguçadas e delicadas possíveis apenas nos espaços frios e escuros além da lua.

Programado para uma data de lançamento em 2018 e construído em equipe por 14 países, 27 estados e o Distrito de Columbia, Webb é encarregado de responder a algumas perguntas muito ambiciosas. Quando o poderoso telescópio for lançado no topo de um foguete Ariane 5 ECA da Agência Espacial Européia, ele marcará o início de uma nova onda de aspirantes a instrumentos terrestres e espaciais, incluindo vários novos observatórios no Havaí e no Chile [fontes: Billings ; Adeus ].

Se sobreviver ao seu lançamento e sua jornada de 1,5 milhão de quilômetros da Terra até sua órbita do segundo ponto Lagrange (L2) - um dos cinco pontos no sistema Terra-Sol onde a gravidade naturalmente se manterá uma espaçonave mais ou menos no lugar - levará os astrônomos mais perto do início dos tempos do que nunca, proporcionando vislumbres de visões há muito hipotetizadas, mas nunca vistas, desde o nascimento de galáxias até a luz das primeiras estrelas.

Conteúdo

1. A Missão: Sobre os Ombros de Gigantes
2. O passeio de níquel do Telescópio Espacial James Webb
3. Os Instrumentos: Visão Além da Visão

A missão de Webb baseia-se e expande o trabalho dos Grandes Observatórios da NASA, quatro notáveis ​​telescópios espaciais cujos instrumentos cobrem a orla de espectros eletromagnéticos. As quatro missões sobrepostas permitiram aos cientistas observar os mesmos objetos astronômicos nos espectros visível, raios gama, raios X e infravermelho.

O Hubble do tamanho de um ônibus escolar, que vê principalmente no espectro visível com alguma cobertura ultravioleta e infravermelho próximo, iniciou o programa em 1990 e, com mais manutenção, deve durar o suficiente para passar o bastão para Webb. Apropriadamente nomeado para Edwin Hubble , o astrônomo que descobriu muitas das ocorrências que foi construído para investigar, o telescópio desde então se tornou um dos instrumentos mais produtivos da história científica, trazendo fenômenos como nascimento e morte de estrelas, evolução galáctica e buracos negros de teoria ao fato observado [fonte: NASA ].

Juntando-se ao Hubble nos quatro grandes estão o Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) , o Chandra X-ray Observatory e o Spitzer Space Telescope .

O Webb olhará profundamente no infravermelho próximo e médio, auxiliado por sua posição no ponto L2 além da lua e por seus escudos solares, que bloquearão a luz intrusiva do sol, da Terra e da lua, além de resfriar eficientemente a nave. Os cientistas esperam observar as primeiras estrelas do universo, a formação e colisão de galáxias infantis e o nascimento de estrelas e sistemas protoplanetários – possivelmente aqueles que contêm os constituintes químicos da vida.

Essas primeiras estrelas podem conter a chave para entender a estrutura do universo. Teoricamente, onde e como eles se formaram relaciona-se a padrões iniciais de matéria escura – matéria invisível e misteriosa detectável pela gravidade que exerce – e seus ciclos de vida e mortes causaram feedbacks que afetaram a formação das primeiras galáxias [fonte: Bromm et al . ]. E como estrelas supermassivas e de vida curta, estimadas em cerca de 30 a 300 vezes a massa (e milhões de vezes o brilho) do nosso sol, essas estrelas primogênitas podem muito bem ter explodido como supernovas e depois colapsado para formar buracos negros, depois inchando e se fundindo nos enormes buracos negros que ocupam os centros das galáxias mais massivas.

Testemunhar tudo isso é um feito além de qualquer instrumento que construímos até agora. Isso está prestes a mudar, graças a um pacote de instrumentos - e uma nave espacial - construído para o trabalho.

Primeira luz

O termo Primeira Luz refere-se às primeiras estrelas a se formarem no universo, que se acenderam 400 milhões de anos após o Big Bang e são compostas inteiramente de gás primordial. Esses sóis antigos não são as fontes de radiação mais antigas, no entanto. Essa honra pertence à radiação cósmica de fundo , a radiação de micro-ondas liberada pela formação dos primeiros átomos cerca de 400.000 anos após o Big Bang e observada pelas missões WMAP e COBE da NASA. WMAP significa Wilkinson Microwave Anisotropy Probe e COBE é a abreviação de Cosmic Background Explorer. Webb, no entanto, não verá essa radiação inicial.

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Webb se parece um pouco com uma jangada em forma de diamante ostentando um mastro grosso e curvo e uma vela - se a vela fosse construída por abelhas gigantes mastigadoras de berílio. Apontado para baixo em direção ao sol, a porção "jangada" consiste em cinco camadas separadas por lacunas de escudo térmico baseado em Kapton. Cada um separado por um espaço preenchido a vácuo para resfriamento eficaz, eles juntos protegem o refletor principal e os instrumentos.

Kapton é um filme de polímero muito fino (pense em cabelo humano!) feito pela DuPont capaz de manter propriedades mecânicas estáveis ​​sob extremos de calor e vibração, e já fez tempo no espaço. Se você estivesse tão inclinado, você poderia ferver água de um lado do escudo e liquefazer nitrogênio do outro. Ah, e também se dobra muito bem, o que precisará fazer para o lançamento.

A "quilha" do navio consiste em uma estrutura de paletes unificada, que armazena a proteção solar durante a decolagem e células solares para energia. No centro fica o ônibus espacial, que contém todas as funções de suporte que mantêm o Webb funcionando, incluindo energia elétrica, controle de atitude, comunicações, comando e manuseio de dados e controle térmico. Uma antena de alto ganho adorna o exterior do ônibus, assim como um conjunto de rastreadores de estrelas que funcionam com o Sensor de Orientação Fina (veja a próxima seção) para manter tudo apontado na direção certa. Finalmente, em uma extremidade do escudo térmico, e perpendicular a ele, encontra-se uma aba de compensação de momento que compensa a pressão que os fótons exercem no navio, assim como um flap de compensação faz em um veleiro.

No lado espacial do escudo está a "vela", o espelho gigante de Webb , parte de um conjunto óptico e pacote de instrumentação. Suas 18 seções hexagonais de berílio se desdobram após o lançamento e, em seguida, se coordenam para agir como um enorme espelho primário que se estende por 6,5 metros de diâmetro.

Em frente a este espelho, mantido no lugar por três suportes, fica o espelho secundário, que focaliza a luz do espelho primário no subsistema óptico de popa, uma caixa em forma de cunha que se projeta do centro do espelho principal. Essa estrutura desvia a luz difusa e direciona a luz do espelho secundário para os instrumentos alojados dentro do "mastro" da placa traseira, que faz dupla função ao manter também a estrutura do espelho principal segmentado.

Assim que o navio completar seu período de comissionamento de seis meses após o lançamento, ele durará de 5 a 10 anos e, esperamos, mais, dependendo do consumo de combustível, mas orbitará muito longe para manutenção. Na verdade, o Hubble e a Estação Espacial Internacional são as exceções a esse respeito, mas, como o Hubble e outros observatórios gerais, suas missões derivarão de propostas concorrentes, revisadas por pares e classificadas, enviadas por cientistas de todo o mundo. Os resultados encontrarão seu caminho em estudos publicados e dados disponíveis na Internet.

Vejamos mais de perto os instrumentos que possibilitarão todos esses estudos.

O que há em um nome?

Uma vez conhecido como o Telescópio Espacial de Nova Geração (NGST), Webb foi renomeado em setembro de 2002 em homenagem ao ex-administrador da NASA James Webb. Durante seu mandato como chefe da agência espacial nascente, de fevereiro de 1961 a outubro de 1968, ele pressionou por fazer voos espaciais sobre exploração e não apenas sobre política da Guerra Fria . Consequentemente, a NASA beneficiou o esforço científico, a educação e inúmeras indústrias no terreno [fontes: NASA ; NASA ].

Embora veja um pouco dentro do alcance visual (luz vermelha e dourada), o Webb é fundamentalmente um grande telescópio infravermelho (veja a barra lateral).

Seu principal gerador de imagens, a Near-InfraRed Camera (NIRCam), detecta na faixa de 0,6-5,0 mícron (infravermelho próximo). Ele detectará a luz infravermelha das primeiras estrelas e galáxias nascendo, fará um censo de galáxias próximas e detectará objetos balançando no Cinturão de Kuiper – a extensão de objetos gelados orbitando além de Netuno que contém Plutão e outros planetas anões. Também ajudará a corrigir a visão telescópica de Webb conforme necessário.

O NIRCam vem equipado com um coronógrafo , que permitirá à câmera observar o halo fino que cerca as estrelas brilhantes, bloqueando sua luz ofuscante – uma ferramenta essencial para detectar exoplanetas.

O Near InfraRed Spectrograph (NIRSpec) opera na mesma faixa de comprimento de onda do NIRCam. Como outros espectrógrafos, ele analisa as características físicas de objetos, como estrelas , dividindo a luz em um espectro, cujo padrão varia de acordo com a temperatura, massa e composição química do alvo.

O NIRSpec estudará milhares de galáxias antigas com radiação tão fraca que um único espectrógrafo exigirá centenas de horas para ser feito. Para ajudar nessa tarefa assustadora, o espectrógrafo equipa um dispositivo notável: uma grade de 62.000 persianas individuais, cada uma medindo cerca de 100 por 200 mícrons (a largura de alguns fios de cabelo) e capaz de abrir e fechar para bloquear a luz mais brilhante. estrelas. Graças a este conjunto de microobturadores, o NIRSpec se tornará o primeiro espectrógrafo baseado no espaço capaz de observar 100 objetos diferentes ao mesmo tempo.

O Fine Guidance Sensor / Near InfraRed Imager e Slitless Spectrograph (FGS-NIRISS) são na verdade dois sensores agrupados. O NIRISS incorpora quatro modos, cada um associado a uma faixa de comprimento de onda diferente. Estes variam de espectroscopia sem fenda, que cria um espectro por meio de uma combinação de prisma e grade chamada grisma , a interferometria de máscara de abertura, que usa uma máscara para criar padrões de interferência que ajudam a distinguir a luz exoplanetária do brilho da estrela de fundo [fonte: STSI ].

O FGS é uma câmera sensível e sem piscar que tira fotos de navegação e as envia para o sistema de controle de atitude para manter o telescópio apontado na direção certa.

O instrumento Webb final estende seu alcance além do infravermelho próximo e no infravermelho médio, útil para captar objetos com desvio para o vermelho, bem como planetas, cometas, asteróides, poeira aquecida pela luz das estrelas e discos protoplanetários. Tanto uma câmera quanto um espectrógrafo, este Mid-InfraRed Instrument (MIRI) cobre a mais ampla faixa de comprimento de onda, de 5 a 28 mícrons. Sua câmera de banda larga de campo amplo irá capturar mais dos tipos de imagens que tornaram o Hubble famoso.

Mas a observação infravermelha é essencial para entender o universo. Poeira e gás podem bloquear a luz visível das estrelas em berçários estelares, mas o infravermelho passa. Além disso, à medida que o universo se expande e as galáxias se afastam, sua luz "se estende" e se desvia para o vermelho , deslizando para comprimentos de onda EM mais longos, como o infravermelho. Quanto mais distante a galáxia, mais rápido ela recua e mais desvia sua luz para o vermelho – daí o valor de um telescópio como o Webb.

Os espectros infravermelhos também podem fornecer uma riqueza de informações sobre atmosferas de exoplanetas - e se eles contêm ingredientes moleculares associados à vida. Na Terra, chamamos vapor de água, metano e dióxido de carbono de "gases de efeito estufa" porque absorvem o infravermelho térmico (também conhecido como calor). Como essa tendência é verdadeira em todos os lugares, os cientistas podem usar o Webb para detectar essas substâncias nas atmosferas de mundos distantes, procurando padrões de absorção reveladores em suas leituras espectroscópicas.

O Universo Oculto

Os astrônomos apelidam a faixa infravermelha do espectro eletromagnético (EM) de "universo oculto". Embora qualquer objeto com calor irradie luz infravermelha, a atmosfera da Terra bloqueia a maior parte dela, tornando-a invisível para a astronomia terrestre.

Nota do autor: como o telescópio espacial James Webb funcionará

Já foi dito que passamos muito tempo pensando no passado, mas na verdade nossos sentidos não nos alimentam nada além de informações datadas. Tudo o que sentimos já aconteceu, seja uma fração de segundo antes ou milhões de anos atrás, o que torna nossos olhos, em um grau muito pequeno, máquinas do tempo.

Mas há muito mais informação no céu do que podemos perceber - Polaroids desbotadas do universo primitivo quase irreconhecível, desaparecendo em imagens desviadas para o vermelho de bilhões de anos, que estão além da janela EM limitada à qual nossos olhos são sensíveis. Mas essa é a beleza de ser uma espécie que faz ferramentas: nossas ferramentas podem estender nossas capacidades, nosso alcance e nossa visão, até o nascimento do cosmos.

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