A história, o design e a ciência do JWST

Os “Grandes Observatórios da NASA” – uma série de telescópios espaciais revolucionários lançados ao longo da década de 1990 e do início dos anos 2000, incluindo o famoso Telescópio Espacial Hubble – revelaram muitas novas facetas do nosso Universo. Agora, a tão esperada era dos Novos Grandes Observatórios está começando, com o bem sucedido lançamento do JWST.

O JWST, ilustrado na Figura 1, foi lançado da Guiana Francesa no dia 25 de dezembro de 2021 a bordo de um dos foguetes Ariane 5 da Agência Espacial Europeia. No astroponto de hoje, revisamos a história, o design e o futuro brilhante (ou assim esperamos!) desse telescópio espacial pelo qual muitos esperavam.

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Figura 1: Impressão artística do JWST, com seu espelho que lembra um favo de mel e escudo solar completamente estendidos. Créditos da imagem: NASA.

Mesmo antes do lançamento do Telescópio Espacial Hubble na década de 1990, os planos para o próximo grande observatório já haviam começado, com a proposta de um grande telescópio espacial operando no infravermelho-próximo conhecido como Telescópio Espacial da Próxima Geração. O trabalho nesse projeto começou no início dos anos 2000, quando o telescópio foi também oficialmente renomeado para Telescópio Espacial James Webb (JWST, do inglês James Webb Space Telescope). Vale a pena notar que muitos se opuseram a essa escolha de nome, então vamos simplesmente nos referir ao telescópio pela sigla JWST. Ao longo de duas décadas, o telescópio foi montado e testado rigorosamente para garantir que funcionasse conforme o esperado ao atingir o seu destino, a 1,5 milhões de quilômetros da Terra.

Sobre a missão

Diferente do Hubble, que orbita a Terra, o JWST está indo para longe do nosso planeta, muito além de onde astronautas poderiam consertá-lo. O telescópio deve orbitar próximo do segundo ponto de Lagrange, L2, uma região de equilíbrio gravitacional entre a Terra e o Sol (veja a Fig. 2). Isso é porque o telescópio precisa funcionar a temperaturas bem baixas para observar com sucesso no infravermelho, de modo que deve estar longe da luz brilhante do Sol, da Lua e da Terra para mantê-lo fresco. Para ajudar nisso, o telescópio também está equipado com um escudo solar do tamanho de uma quadra de tênis, que o protege da luz solar para mantê-lo frio.

A duração planejada para a missão é de 5 anos, mas há combustível suficiente a bordo para o JWST manter sua órbita em L2 por 10 anos. Embora pareça um pouco assustador que o telescópio esteja muito longe para ser consertado, não é o primeiro telescópio a estar em uma órbita distante – os telescópios Spitzer e Herschel tiveram missões bem-sucedidas longe da Terra.

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Figura 2: Órbita do JWST em torno de L2, com o Sol, a Lua e a Terra como referência. Crédito da imagem: NASA/Webb.

Devido ao seu tamanho, os espelhos e a proteção solar do JWST foram planejados para desdobrarem-se ao longo das primeiras semanas no espaço a caminho de L2, o que já ocorreu com sucesso. Seu famoso espelho primário em forma de favo de mel consiste de 18 segmentos hexagonais, feitos com berílio leve e revestidos com uma fina camada de ouro para melhorar a reflexão de luz infravermelha. Com 6,5 metros de diâmetro, o espelho do JWST é enorme (veja a Fig. 3). Para comparação, o espelho do Hubble tem apenas 2,4 metros de diâmetro. Um dos princípios fundamentais da astronomia é: quanto maior a superfície que você tem para coletar luz, melhores imagens podemos obter – e o JWST é o maior telescópio no espaço até agora! Anos de inovação e testes foram necessários para tornar esse design de espelho possível.

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Figura 3: Comparação entre uma pessoa, o espelho primário do Hubble (2,4 m) e o espelho primário do JWST (6,5 metros). Créditos da imagem: NASA/Webb.

Os instrumentos do JWST

O JWST foi projetado para observar no infravermelho próximo e médio. O infravermelho nos permite olhar através da poeira do universo, como o Telescópio Espacial Spitzer fez, mas, com seu espelho maior, o JWST terá uma resolução incrível.

O telescópio está equipado com quatro instrumentos principais: a Near Infrared Camera (NIRCam), o Near Infrared Spectrograph (NIRSpec), o Mid-Infrared Instrument (MIRI) e o Fine Guidance Sensor/Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS). A NIRCam é o principal instrumento de imagem do JWST, observando no infravermelho de 0,6 a 5 mícrons, e contém um coronógrafo para bloquear a luz de estrelas e detectar objetos fracos, como planetas. O NIRSpec também opera de 0,6 a 5 mícrons, mas tem um trabalho diferente: obter espectros de objetos para determinar suas composições e outras propriedades. Ele pode obter até 100 espectros simultaneamente graças a uma nova tecnologia chamada “matriz de micro-obturadores”, que permite aos astrônomos bloquear estrategicamente partes do céu para focar apenas nos objetos de interesse.

O MIRI opera no infravermelho mais distante, de 5 a 28 mícrons, com uma câmera de imagem e um espectrógrafo. Para observar esses comprimentos de onda longos, o MIRI é resfriado ativamente usando um “criorefrigerador” que mantém sua temperatura abaixo de 7 Kelvin (-266ºC!). A parte FGS do FGS/NIRISS ajuda o JWST a apontar corretamente para seus alvos, e o NIRISS fornece outros recursos de observação especializados para complementar o NIRCam e o NIRSpec na faixa de 0,6 a 5 mícrons.

A ciência que está por vir

Todos esses instrumentos são projetados para atender aos objetivos científicos da missão. O JWST tem quatro temas científicos principais: estudar o universo primitivo, observar galáxias ao longo do tempo, ver através da poeira para entender o ciclo de vida das estrelas e caracterizar outros planetas.

Com seus poderosos recursos de infravermelho, o JWST poderá observar o passado do Universo, revelado por objetos distantes, cuja luz viajou por bilhões de anos até chegar à Terra. Como o Universo está se expandindo, a luz de objetos distantes é desviada para o vermelho devido ao efeito Doppler, de modo que os objetos mais distantes do Universo precisam ser observados no infravermelho. Uma das principais eras de interesse é a reionização, quando as primeiras estrelas e galáxias iluminaram o Universo. O JWST está pronto para responder a perguntas como “como a reionização aconteceu? O que causou isso? Como eram as primeiras galáxias?” Observar essas galáxias distantes e primitivas também permite que os astrônomos montem uma imagem mais completa de como as galáxias e os buracos negros em seus centros mudaram e evoluíram ao longo do tempo.

Em menor escala, o JWST examinará a poeira ao redor de regiões de formação de estrelas e planetas para entender melhor esse processo. Embora tenhamos uma boa ideia de como as estrelas se formam, ainda há muitas questões pendentes: por que tantas estrelas se formam em grupos? Como as estrelas espalham elementos pesados pela galáxia quando morrem? Quais são os detalhes de como os planetas se formam?

O JWST também estará procurando e caracterizando exoplanetas usando dois métodos: trânsitos e imagens diretas. Poderá até fazer espectroscopia para observar atmosferas exoplanetárias e fará observações de planetas, asteroides e cometas também em nosso próprio sistema solar.

Uma série de programas científicos já foram aprovados e serão as primeiras observações feitas com o JWST. Os detalhes de todos esses casos científicos empolgantes podem ser encontrados no site do Space Telescope Science Institute, incluindo projetos vindo de instituições brasileiras (como os liderados pelo Prof. Rogemar Riffel da UFSM  e pelo Prof. Roderik Overzier do Observatório Nacional).

O lançamento foi apenas o começo da jornada do JWST. Depois disso, veio a operação complicada de desdobrar os espelhos e o escudo solar, que felizmente foi um sucesso. A viagem até o ponto L2 deve durar cerca de um mês. Depois disso, o JWST ainda vai passar alguns meses testando e resfriando seus instrumentos. Os primeiros dados científicos devem estar disponíveis no meio do ano, fique ligad@!


Adaptado de Getting Ready for Launch: The History, Design, & Science of JWST, escrito por Briley Lewis.

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