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10 fatos inacreditáveis, mas verdadeiros, sobre o Telescópio Espacial James Webb da NASA

Com o lançamento, implantação, calibração e operações científicas prestes a começar, aqui estão 10 fatos que são absolutamente verdadeiros.

Espelho primário do Telescópio Espacial James Webb na NASA Goddard. O espelho secundário é o espelho redondo localizado na extremidade das lanças longas, que são dobradas em sua configuração de lançamento. Os espelhos do Webb são cobertos por uma camada microscopicamente fina de ouro, o que os otimiza para refletir a luz infravermelha, que é o comprimento de onda primário da luz que este telescópio observará. (Crédito: NASA/Chris Gunn)

Principais conclusões

• Em 25 de dezembro de 2021, salvo uma complicação imprevista, o Telescópio Espacial James Webb será lançado da Guiana Francesa.
• Enquanto os astrônomos prendem a respiração coletiva, esperando que todos os passos necessários sejam dados antes do início das operações científicas, todos nós podemos apreciar coletivamente a maravilha que o telescópio realmente é.
• Aqui estão 10 fatos - curiosidades para alguns, o resultado final de uma carreira de trabalho duro para outros - para que todos possam desfrutar.

O telescópio mais atrasado da história está prestes a experimentar não apenas um momento da verdade, mas uma série deles nos próximos meses . Primeiro, o telescópio deve sobreviver ao lançamento em 25 de dezembro, que deve apontá-lo precisamente no curso para o ponto L2 Lagrange. Em seguida, ele deve se separar com sucesso do veículo de lançamento e implantar seus painéis solares quase imediatamente. Depois disso, o conjunto da torre, o protetor solar e os espelhos primário e secundário devem ser implantados com sucesso: etapas envolvendo centenas de mecanismos de ponto único de falha. Uma série de disparos de propulsores também deve ocorrer, eventualmente levando Webb a chegar ao seu destino: em órbita ao redor do ponto L2 Lagrange.

Se – e somente se – todas essas etapas forem bem-sucedidas, o Telescópio Espacial James Webb da NASA começará a receber dados como nunca antes , explorando o Universo com poder sem precedentes e uma série incomparável de instrumentos e capacidades. Há uma série de descobertas que temos praticamente garantia de fazer assim que as operações científicas começarem, bem como o potencial para descobrir o que quer que resida lá fora em meio ao vasto oceano do cosmos desconhecido.

E, no entanto, apesar de tudo isso, também vale a pena apreciar um pouco da incrível e inovadora engenharia que entrou no projeto e na execução deste telescópio. Sem mais delongas, aqui estão 10 fatos incríveis e difíceis de acreditar sobre o mais recente e maior observatório da NASA: o Telescópio Espacial James Webb.

Mostrado durante uma inspeção na sala limpa em Greenbelt, Maryland, o Telescópio Espacial James Webb da NASA está completo. Ele foi transportado, testado, abastecido e preparado para lançamento dentro de um foguete Ariane 5. Em 25 de dezembro de 2021, e por cerca de um mês depois, será submetido ao teste final: lançamento e implantação. ( Crédito : NASA/Desiree Stover)

1.) O Telescópio Espacial James Webb é realmente mais leve que seu antecessor, o Telescópio Espacial Hubble . Este é um verdadeiro choque para a maioria das pessoas. Na maioria das circunstâncias, se você quiser construir uma versão maior de algo, ela será mais pesada e massiva. Para comparação:

• O Hubble tinha 2,4 metros de diâmetro, com um espelho primário sólido e uma área de coleta de 4,0 metros quadrados.
• James Webb tem 6,5 metros de diâmetro, composto por 18 segmentos espelhados diferentes, com área de coleta de 25,37 metros quadrados .

E, no entanto, se colocássemos os dois em uma balança aqui na Terra, descobriríamos que Webb tem uma massa de ~ 6.500 kg, ou um peso de 14.300 libras. Quando o Hubble foi lançado, para comparação, tinha uma massa de ~ 11.100 kg e um peso de 24.500 libras; com seus instrumentos atualizados, agora tem uma massa de ~ 12.200 kg e um peso de 27.000 libras. Esta é uma tremenda façanha de engenharia, já que praticamente todos os componentes do James Webb, onde aplicável, são mais leves que o seu analógico Hubble.

Cada um dos espelhos da Webb tem uma designação individual. A, B ou C denota qual das três prescrições de espelho é um segmento. As fotos mostram a versão de voo de cada espelho do telescópio. ( Crédito : Equipe do Telescópio Espacial NASA/James Webb)

2.) Os espelhos de James Webb são os maiores espelhos de telescópios mais leves de todos os tempos . Cada um de os 18 segmentos de espelhos primários , quando é fabricado pela primeira vez, tem a forma de um disco curvo e possui uma massa de 250 kg (551 libras). Quando eles são concluídos, no entanto, essa massa foi reduzida para meros 21 kg (44 libras), ou uma redução de 92% no peso.

A forma como isso é feito é fascinante. Primeiro, os espelhos são cortados em sua forma hexagonal, o que oferece uma leve redução de massa. Mas então – e é aqui que fica brilhante – praticamente toda a massa na parte de trás do espelho é usinada. O que resta foi testado para garantir que:

• manter sua forma precisa mesmo sob o estresse do lançamento
• não quebrar sob vibrações e tensão, apesar de sua natureza frágil
• sobreviver ao número e velocidade esperados de impactos de micrometeoróides
• seja sensível às mudanças necessárias na forma que serão ajustadas pelos atuadores presos à parte traseira

Ao todo, esses 18 espelhos formarão um único plano espelhado com uma precisão de 18 a 20 nanômetros: o melhor de todos os tempos, todos com os espelhos mais leves já fabricados.

Os espelhos do Telescópio Espacial James Webb tiveram mais de 90% de sua massa removida antes mesmo do primeiro resfriamento criogênico. Ao usinar a parte de trás dos espelhos, uma tremenda redução de peso foi realizada, permitindo que James Webb, em conjunto, fosse quase metade da leveza do Hubble. (Crédito: Ball Aerospace)

3.) Embora pareçam dourados, os espelhos de James Webb são feitos de berílio. Sim, há um revestimento de ouro aplicado a cada um dos espelhos, mas teria sido catastrófico fabricar os espelhos inteiramente de ouro. Não, não pela densidade muito alta, nem pela maleabilidade do ouro, ambas propriedades que ele definitivamente possui. O grande problema seria a expansão térmica.

Mesmo em temperaturas muito baixas, o ouro se expande e se contrai substancialmente com pequenas mudanças de temperatura, o que é um fator decisivo para o material escolhido para os espelhos da Webb. No entanto, o berílio brilha nessa frente. Ao resfriar o berílio a temperaturas criogênicas e poli-lo lá, você garante que haverá imperfeições à temperatura ambiente, mas que essas imperfeições desaparecerão quando esses espelhos forem resfriados novamente às temperaturas operacionais.

Somente uma vez que o berílio é fabricado e usinado em sua forma final, o revestimento de ouro é aplicado.

Antes de serem revestidos com uma fina camada de átomos de ouro com apenas cerca de 100 nanômetros de espessura, os espelhos de Webb eram feitos inteiramente de berílio. na superfície do espelho. ( Crédito : NASA/MSFC, E. Dado)

4.) A quantidade total de ouro nos espelhos do Telescópio Espacial James Webb é de apenas 48 gramas: menos de 2 onças. Cada um dos 18 espelhos de James Webb precisa ser excelente para refletir o tipo de luz que foi projetado para observar: luz infravermelha. A quantidade de ouro aplicada precisa estar correta; aplique muito pouco e você não cobrirá o espelho inteiramente, mas aplique muito e você começará a experimentar expansão, contração e deformação quando as temperaturas mudarem.

O processo pelo qual o revestimento de ouro é aplicado é conhecido como deposição de vapor a vácuo. Ao colocar os espelhos em branco dentro de uma câmara de vácuo, onde todo o ar é evacuado, você injeta uma pequena quantidade de vapor de ouro no interior. As áreas que não precisam ser revestidas, como a parte de trás do espelho, são mascaradas, para que apenas a superfície lisa e polida fique revestida de ouro. Este processo continua até que o ouro atinja a espessura desejada de apenas ~ 100 nanômetros, ou cerca de ~ 600 átomos de ouro de espessura.

Ao todo, há apenas 48 gramas de ouro nos espelhos do Telescópio Espacial James Webb, enquanto as partes traseiras opacas recebem suportes, atuadores e flexores ligados a eles.

Após a aplicação do revestimento de ouro, vários testes relativos à flexão dos espelhos, tolerância, desempenho em temperaturas criogênicas, etc., precisavam ser testados. Só depois de todos esses testes foi que o revestimento final, de vidro amorfo, foi finalmente aplicado, para proteger o ouro. ( Crédito : NASA/Chris Gunn)

5.) O ouro em si não ficará exposto diretamente ao espaço; é revestido por uma fina camada de vidro de dióxido de silício amorfo. Por que você não expõe o próprio ouro às profundezas do espaço? Por ser tão macio e maleável, é altamente suscetível a danos, mesmo com um impacto leve ou pequeno. Considerando que o berílio não é afetado em grande parte por impactos de micrometeoróides, um fino revestimento de ouro seria e, portanto, seria incapaz de manter a suavidade necessária para a operação do telescópio sem uma camada adicional de proteção.

É aí que entra o revestimento final sobre o revestimento: de vidro de dióxido de silício amorfo. Embora normalmente associemos espelhos a serem feitos de vidro com algum tipo de revestimento, a função do vidro é muito simples neste caso: ser transparente à luz e proteger o ouro. Então, sim, é revestido de ouro, mas o próprio ouro também precisa ser protegido com seu próprio revestimento.

Todas as cinco camadas do pára-sol devem ser devidamente implantadas e tensionadas ao longo de seus suportes. Cada grampo deve soltar; cada camada não deve prender, prender ou rasgar; tudo deve funcionar. Caso contrário, o telescópio não esfriará adequadamente e será inútil para observações infravermelhas: seu objetivo principal. Aqui é mostrado o protótipo do protetor solar, um componente de escala de um terço. ( Crédito : Alex Evers/Northrop Grumman)

6.) O lado do telescópio de James Webb vai se resfriar passivamente a não mais que ~ 50 K: frio o suficiente para fazer o nitrogênio se liquefazer . Toda a razão pela qual James Webb precisa ser colocado tão longe da Terra, no ponto L2 Lagrange em vez de na órbita baixa da Terra como o Hubble, é porque é vai ser resfriado passivamente como nunca antes. Um enorme protetor solar de cinco camadas foi criado especialmente para James Webb, refletindo o máximo possível da luz do sol e protegendo a camada abaixo dela. Se estivesse em órbita baixa da Terra, o calor infravermelho emitido pela Terra impediria que ela atingisse as baixas temperaturas necessárias.

O próprio protetor solar em forma de diamante é enorme: 21,2 metros (69,5 pés) na dimensão longa e 14,2 metros (46,5 pés) na dimensão curta. Cada camada tem um lado quente voltado para o Sol e um lado frio voltado para o telescópio. A camada mais externa, em seu lado quente, atingirá uma temperatura de 383 K, ou 231 ° F. Quando você chega à camada mais interna, o lado quente é de apenas 221 K, ou -80 ° F, mas o lado frio está até 36 K, ou -394 ° F. Enquanto o telescópio permanecer abaixo de ~50 K, ele será capaz de operar conforme projetado.

Uma parte do Hubble eXtreme Deep Field que foi fotografada por 23 dias no total, em contraste com a visão simulada esperada por James Webb no infravermelho. Com o campo COSMOS-Webb esperado para chegar a 0,6 graus quadrados, ele deve revelar aproximadamente 500.000 galáxias no infravermelho próximo, revelando detalhes que nenhum observatório até o momento conseguiu ver. Enquanto o NIRcam produzirá as melhores imagens, o instrumento MIRI poderá produzir os dados mais profundos. ( Crédito : Equipe NASA/ESA e Hubble/HUDF; colaboração JADES para a simulação NIRCam)

7.) Com resfriamento criogênico ativo, o Webb chegará até ~7 K . As baixas temperaturas alcançadas pelo resfriamento passivo, na faixa de 36 a 50 K, são completamente suficientes para a operação de todos os instrumentos de infravermelho próximo da Webb. Isso inclui três de seus quatro principais instrumentos científicos: NIRCam (a câmera de infravermelho próximo), NIRSpec (o espectrógrafo de infravermelho próximo) e o FGS/NIRISS (sensor de orientação fina/imagem de infravermelho próximo e espectrógrafo sem fenda). Todos eles são projetados para operação a 39 K: bem dentro da faixa de resfriamento passivo.

Mas o quarto instrumento, MIRI (o gerador de imagens de infravermelho médio), precisa ser resfriado ainda mais do que o resfriamento passivo pode chegar, e é aí que entra o criorefrigerador. refrigerador ao instrumento MIRI, os cientistas da Webb podem resfriá-lo até a temperatura operacional necessária: ~7 K. Quanto maior o comprimento de onda da luz que você deseja sondar, mais frio você precisa para obter seus instrumentos, que é o principal motivo para a maioria das decisões de projeto que entraram no Telescópio Espacial James Webb.

À medida que orbitam o Sol, cometas e asteróides podem se separar um pouco, com detritos entre os pedaços ao longo do caminho da órbita se esticando ao longo do tempo e causando as chuvas de meteoros que vemos quando a Terra passa por esse fluxo de detritos, como esta imagem do Telescópio Espacial Spitzer da NASA (agora extinto) mostra. Somente resfriando abaixo da temperatura do comprimento de onda que queremos observar podemos obter dados como este; observações no infravermelho médio são dependentes do refrigerante quando se trata de James Webb. ( Crédito : NASA/JPL-Caltech/W. Alcance (SSC/Caltech))

8.) Ao contrário do Spitzer da NASA, que fez a transição para uma missão quente quando ficou sem refrigerante, James Webb deve manter suas temperaturas frias por toda a sua vida útil . O hélio líquido que mantém James Webb resfriado ativamente, em princípio, nunca deve acabar; é um sistema fechado. No entanto, como qualquer um que já trabalhou em física experimental pode atestar, vazamentos inevitavelmente acontecem, não importa o quão bem você se proteja contra eles. Projetado para uma missão de 5,5 anos, no mínimo, com a possibilidade de uma década ou mais nas circunstâncias mais otimistas, o Webb não deve ficar sem seu refrigerante criogênico se estiver de acordo com as especificações do projeto.

No entanto, sempre existe a possibilidade de que algo dê errado, e não seremos capazes de resfriar ativamente o sensor de infravermelho médio o suficiente ou durante toda a missão, e isso afetará as sensibilidades de Webb em comprimentos de onda cada vez mais longos. (A mesma ressalva se aplica aos instrumentos de infravermelho próximo no caso de danos ou ineficiências na proteção solar.) Quanto mais quente o Telescópio Espacial James Webb ficar, mais estreita será sua faixa de comprimento de onda que ele pode sondar.

Este diagrama mostra a trajetória do WMAP e o padrão de órbita ao redor do segundo Lagrange Point (L2). O tempo de viagem para L2 para WMAP foi de 3 meses, incluindo um mês de loops de fase ao redor da Terra para permitir um impulso lunar assistido pela gravidade. Depois que o WMAP chegou ao fim de sua vida útil, ele usou o último de seu combustível para sair de sua órbita Lissajous em torno de L2 e entrar em uma órbita cemitério, onde continuará orbitando o Sol indefinidamente. ( Crédito : Equipe Científica da NASA/WMAP)

9.) Quando ficar sem combustível, seu destino será residir permanentemente em uma órbita de cemitério ao redor do Sol. O Hubble, com a ajuda de quatro missões de serviço, ainda está funcionando mais de três décadas após seu lançamento. Webb, no entanto, precisa usar seu combustível sempre que quiser fazer qualquer coisa que envolva movimento. Isso inclui:

• realizar uma queima para corrigir seu curso em direção ao seu destino em L2
• para realizar correções orbitais para mantê-lo em sua órbita em L2
• orientar-se de modo que aponte para o alvo desejado

O combustível vem em um suprimento finito, e quanto resta para as operações científicas depende inteiramente do grau em que o lançamento coloca o Webb em sua trajetória ideal em direção ao seu destino final.

Quando está sem combustível, as operações científicas terminam. No entanto, não podemos simplesmente deixá-lo à deriva para onde quer que vá, pois isso potencialmente colocaria em risco futuras missões destinadas a L2. Em vez disso, assim como fizemos para naves espaciais anteriores enviadas para L2, como o satélite WMAP da NASA, vamos enviá-lo para uma órbita cemitério , onde orbitará o Sol enquanto houver um Sol para orbitar.

Embora não tenha sido projetado para manutenção, continua sendo tecnicamente possível que uma espaçonave robótica encontre e atraque com James Webb para reabastecê-la. Se essa tecnologia puder ser desenvolvida e lançada antes que o Webb fique sem combustível, poderá prolongar a vida útil do Webb em aproximadamente 15 anos. ( Crédito : NASA)

10.) Embora não tenha sido projetado para ser reparado e atualizado, poderia ser reabastecido roboticamente para prolongar sua vida útil. Parece uma pena que a vida de Webb, depois de todo esse esforço, seja tão finita. Claro, 5 a 10 anos é tempo suficiente para aprender muito sobre o Universo, conhecendo um grande número de objetivos científicos ambiciosos e abrindo-nos para a possibilidade de descobertas fortuitas que talvez ainda nem imaginamos. Mas depois de tudo o que passamos com desenvolvimento e atrasos, parece insuficiente que James Webb tenha uma vida cumulativamente mais curta do que a extensão total de seu tempo aqui na Terra.

Mas há esperança.

Há um porto de reabastecimento que, se desenvolvermos a tecnologia não tripulada certa, podemos acessar. Se conseguirmos chegar ao L2, atracar com James Webb, acessar o porto de reabastecimento e reabastecê-lo, a vida útil da missão poderá ser estendida por uma década ou mais a cada reabastecimento. Há rumores de que o Centro Aeroespacial Alemão, DLR , poderia realizar exatamente esse tipo de operação antes que o Webb chegue ao fim de sua vida útil, presumivelmente no início da década de 2030. Se o Webb funciona exatamente como projetado e é, como esperado, limitado em combustível, pode ser o último exercício de tolice e desperdício não buscar essa opção.

Neste artigo Espaço e Astrofísica

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