O futuro da astronomia: Telescópio Espacial James Webb da NASA

Crédito da ilustração: NASA.

Como a maior missão da NASA da década resolverá alguns dos maiores mistérios do Universo.


Agora o mundo foi para a cama,
A escuridão não vai engolir minha cabeça,
Eu posso ver por infravermelho,
Como eu odeio a noite. –
Douglas Adams



Com cada centímetro extra de abertura, cada segundo extra de tempo de observação e cada átomo extra de interferência atmosférica que você remove do campo de visão do seu telescópio, melhor, mais profundo e mais claramente você consegue ver o Universo. Quando o Telescópio Espacial Hubble começou a operar em 1990, inaugurou uma nova era na astronomia: a da baseado no espaço astronomia. Já não tínhamos que lutar com a atmosfera; não precisávamos mais nos preocupar com nuvens; a cintilação eletromagnética não era mais um problema. Tudo o que precisávamos fazer era apontar nosso telescópio para o alvo, estabilizá-lo e coletar fótons. Nos 25 anos seguintes, começamos a cobrir todo o espectro eletromagnético com nossos observatórios espaciais, obtendo nosso primeiro vislumbre verdadeiro de como o Universo realmente se parece em todos os comprimentos de onda da luz.





Crédito da imagem: NASA / JPL, via usuário do Wikimedia Commons Bricktop.

Mas, à medida que nosso conhecimento aumentou, também aumentou nossa compreensão sofisticada do que são as incógnitas. Quanto mais longe olhamos no Universo, mais para trás no tempo também olhamos: a quantidade finita de tempo desde o Big Bang, juntamente com a velocidade finita da luz, garante que há um limite para o que podemos ver. Além disso, a própria expansão do espaço funciona contra nós, esticando o comprimento de onda da luz estelar emitida à medida que viaja pelo Universo em direção aos nossos olhos. Mesmo o Telescópio Espacial Hubble, que nos dá a visão mais profunda e espetacular do Universo que já descobrimos, é limitado a esse respeito.



O campo GOODS-South (Componente Hubble). Crédito da imagem: NASA, ESA, R. Windhorst, S. Cohen, M. Mechtley e M. Rutkowski (Universidade Estadual do Arizona, Tempe), R. O'Connell (Universidade da Virgínia), P. McCarthy (Observatórios Carnegie), N. Hathi (Universidade da Califórnia, Riverside), R. Ryan (Universidade da Califórnia, Davis), H. Yan (Universidade Estadual de Ohio) e A. Koekemoer (Instituto de Ciências do Telescópio Espacial).



O Hubble é um equipamento incrível, mas é fundamentalmente limitado de várias maneiras:

  • Tem apenas 2,4 metros de diâmetro, limitando seu poder de resolução quanto mais longe olhamos no espaço.
  • Apesar de ser revestido com materiais refletivos, ainda passa todo o tempo sob a luz direta do sol, o que o aquece. Esse calor significa que ele não pode observar comprimentos de onda de luz maiores que cerca de 1,6 mícron, devido a efeitos térmicos.
  • E a combinação de limitações de coleta de luz e os comprimentos de onda aos quais é sensível significa que só pode ver galáxias com cerca de 500 milhões de anos.

Agora, essas galáxias são lindas, distantes e de quando o Universo tinha apenas cerca de 4% de sua idade atual. Mas sabemos que estrelas e galáxias existem desde tempos ainda mais antigos.



Se quisermos vê-los, precisamos de maior sensibilidade. E isso significa ir comprimentos de onda mais longos , no temperaturas mais baixas , e com um telescópio maior do que o Hubble, todos do espaço. Essa é a maneira de fazê-lo. E é por isso que estamos construindo o Telescópio Espacial James Webb.

Crédito da imagem: equipe NASA/JWST/HST.



O Telescópio Espacial James Webb (JWST) foi projetado para superar exatamente essas limitações: com uma área de coleta de luz de 6,5 metros de diâmetro (captando mais de sete vezes a luz que o Hubble pode), a capacidade de fazer espectroscopia de resolução ultra-alta de cerca de 600 nanômetros a 6 mícrons (cerca de quatro vezes o comprimento de onda que o Hubble pode capturar). ), a capacidade de fazer observações no infravermelho médio com maior sensibilidade do que nunca, e tanto para resfriar passivamente tudo abaixo da temperatura de Plutão quanto para ativamente resfrie os instrumentos de infravermelho médio para apenas 7 K, o JWST deve ser capaz de fazer a ciência que ninguém mais conseguiu fazer.



Crédito da imagem: equipe NASA/JWST.

Em particular, isso significa:



  • observando as primeiras galáxias a se formarem,
  • vendo através do gás neutro e sondando as primeiras estrelas e a reionização do Universo,
  • fazendo análise espectroscópica das primeiras estrelas (estrelas da População III) a se formar após o Big Bang,
  • e possivelmente algumas surpresas surpreendentes, como descobrir como os primeiros buracos negros supermassivos e quasares se formaram no Universo.

A ciência que devemos aprender com o JWST é diferente de tudo o que já aprendemos, e é por isso que foi selecionada como a principal missão da NASA desta década: a década de 2010.

Do ponto de vista técnico, o JWST é um trabalho incrível e tudo está se encaixando lindamente. Aqueles de vocês que o acompanham há muito, muito tempo podem ter, no fundo de sua mente, uma memória distante de como o programa ultrapassou o orçamento e atrasou o cronograma , e corria o risco de ser cancelado. Quando a nova administração entrou em cena, porém, tudo mudou. O projeto foi repentinamente gerenciado de forma muito rígida, concessões foram feitas e orçadas para erros, erros, contratempos e desafios, e até agora a equipe do JWST atingiu cada prazo e fez cada entrega no prazo e dentro do orçamento. Eles estão programados para serem lançados em 2018 e não estão apenas dentro do cronograma, eles têm uma margem de nove meses para quando planejaram ter tudo montado e pronto para o lançamento. Existem quatro peças principais no JWST, e aqui está o status de cada uma delas.



Crédito da imagem: NASA, via https://www.flickr.com/photos/nasawebbtelescope/24119123709/in/photostream/ .

1.) O Conjunto Óptico . Isso inclui todos os espelhos; mais espetacularmente os dezoito espelhos de ouro segmentados primários que serão usados ​​para coletar a luz das estrelas distantes e focalizá-la para os instrumentos analisarem. Estes espelhos estão atualmente todos completos e sem falhas , e estão dentro do cronograma no que diz respeito à instalação. (O espelho #14, mostrado acima, foi instalado em 19 de janeiro.) Quando tudo estiver completo, esses espelhos serão dobrados em uma matriz empacotada, lançados a mais de um milhão de quilômetros da Terra até o ponto L2 Lagrange e então desdobrados roboticamente para criar essa estrutura semelhante a um favo de mel que reunirá essa luz ultradistante nos próximos anos. É realmente uma coisa linda e o resultado bem-sucedido de um esforço hercúleo de muitos.

2.) Os instrumentos científicos . Existem quatro deles, e todos eles estão 100% completos! Eles estão:

Crédito da imagem: Lockheed Martin.

  • O Câmera infravermelha próxima , a principal câmera de imagem de James Webb. Estendendo-se por uma ordem de magnitude de comprimentos de onda, desde a luz laranja visível até o infravermelho, deve ser capaz de nos dar visões sem precedentes das primeiras estrelas, das galáxias mais jovens em processo de formação, estrelas jovens na Via Láctea e nas proximidades. galáxias, centenas de novos objetos no Cinturão de Kuiper, além de ser otimizado para imagens diretas de planetas ao redor de outras estrelas. Esta será a câmera principal usada pela maioria dos observadores no JWST.

Crédito da imagem: Astrium / NIRSpec / GSFC / NASA / ESA. Crédito da imagem: Astrium / NIRSpec / GSFC / NASA / ESA.

  • O Espectrógrafo de infravermelho próximo , que não apenas separa a luz de objetos individuais em seus comprimentos de onda individuais, como foi projetado para fazer isso para mais de 100 objetos separados de uma só vez , em uma única imagem! Este cavalo de batalha será o espectrógrafo multifuncional da Webb, capaz de três modos distintos de espectroscopia. Foi construído pela Agência Espacial Europeia, mas com muitos componentes, incluindo os detectores e a matriz multi-obturadores, fornecidos pelo Goddard Space Flight Center/NASA. Este instrumento foi testado de forma robusta e está completo.

Crédito da imagem: Rutherford Appleton Laboratory, MIRI European Consortium e JPL.

  • O Instrumento de infravermelho médio será o mais útil para imagens de banda larga de campo amplo, o que significa que retornará as imagens visualmente mais impressionantes de todos os instrumentos da Webb. Cientificamente, será mais útil para a medição de discos protoplanetários em torno de estrelas incrivelmente jovens, medindo/imaginando objetos do Cinturão de Kuiper com precisão sem precedentes e poeira que foi aquecida pela luz das estrelas. Este será o único instrumento que é criogenicamente (ou seja, com refrigeração interna extra) resfriado: até 7K . Isso melhorará o que, por exemplo, o Telescópio Espacial Spitzer viu por um fator de 100.

Crédito da imagem: John A. Brebner Communication Research Center.

  • E o último dos quatro instrumentos, o Imager de infravermelho próximo e espectrógrafo sem fenda (NIRISS), permitirá que o Webb realize espectroscopia de campo amplo em comprimentos de onda do infravermelho próximo (1,0–2,5 mícrons); espectroscopia de grisma de objeto único em comprimentos de onda visíveis e infravermelhos (0,6–3,0 mícrons); interferometria de mascaramento de abertura entre 3,8–4,8 µm (onde esperamos ver as primeiras estrelas e galáxias); e imagens de banda larga em todo o seu campo de visão. Este é o único instrumento que foi construído pela Agência Espacial Canadense e, após passar nos testes criogênicos, também está completo e integrado em todo o módulo do instrumento.

O protetor solar JWST. Crédito da imagem: Alex Evers/Northrop Grumman.

3.) O protetor solar . Isso é novo! Esta é uma das partes mais assustadoras de qualquer missão: as coisas novas. Em vez de resfriar toda a espaçonave ativamente, com algum tipo de refrigerante descartável/consumível, o JWST usa uma tecnologia totalmente nova: um protetor solar de 5 camadas, que implantará e bloqueará o calor do Sol de toda a espaçonave. Essas cinco folhas de 25 metros de comprimento serão mantidas esticadas, no lugar, por hastes de titânio que serão implantadas quando toda a espaçonave se desdobrar. O Sunshield foi testado extensivamente em 2008 e 2009, e os modelos em escala real para testes de laboratório passaram em tudo a que foram submetidos aqui na Terra. É realmente uma coisa inovadora de beleza.

Este também é um conceito incrível: você não apenas bloqueia a luz do Sol e coloca o telescópio na sombra, você garante que todo o calor seja irradiado na direção oposto para o telescópio! A estrutura de cinco camadas no vácuo do espaço significa que cada camada progressiva fica cada vez mais fria à medida que se aproxima do equilíbrio. Embora a camada mais externa seja um pouco mais quente que a temperatura da superfície da Terra - algo em torno de 350-360 K - quando você chegar ao final da quinta camada, a temperatura deve cair para cerca de 37-40 K, ou mais frio que a superfície de Plutão durante a noite .

Além disso, existem algumas precauções tremendas para proteger contra o ambiente catastrófico do espaço profundo. Veja bem, uma das coisas com que todos precisam se preocupar são pequenas rochas – do tamanho de seixos, grãos de areia, partículas de poeira e ainda menores – que estão voando pelo espaço interplanetário a dezenas ou mesmo centenas de milhares de milhas por hora. Esses micrometeoróides podem rasgar e perfurar minúsculos buracos microscópicos em tudo que encontram: cascos de naves espaciais, trajes de astronauta, espelhos de telescópios e muito mais. Enquanto os espelhos seriam apenas amassados ​​ou amassados, reduzindo ligeiramente a quantidade de boa luz disponível, o protetor solar poderia desenvolver um rasgo que corre de ponta a ponta, tornando uma camada inteira inútil. Então eles fizeram algo brilhante para combater isso.

Um close-up da estrutura de uma das camadas do protetor solar. Observe o padrão e como não é apenas um pedaço contínuo de material. Crédito da imagem: Alex Evers/Northrop Grumman.

Eles compartimentaram cada pedaço do pára-sol, de modo que, se um pequeno rasgo surgir em um, ou dois, ou mesmo três pedaços, não necessariamente tornará toda a camada inútil ao se espalhar, da mesma forma que uma rachadura no pára-brisa do seu carro pode se espalhar. Em vez disso, o seccionamento deve manter a estrutura geral intacta, uma precaução importante contra a degradação. E finalmente…

4.) O ônibus espacial, sistemas de montagem e controle . Este é realmente o componente mais rotineiro, pois todos os telescópios espaciais e missões científicas precisam deles. Os JWSTs serão únicos, mas isso também está completamente pronto. Tudo o que precisamos fazer é terminar o pára-sol, terminar de instalar os espelhos, montar tudo com os testes apropriados e estaremos prontos para o lançamento em dois anos.

Crédito da imagem: NASA e James Webb Team.

Se as coisas vão certo , estamos prontos para o próximo grande salto científico. A cortina de gás neutro – atualmente obscurecendo nossa visão das primeiras estrelas e galáxias – será puxada para trás pelas capacidades infravermelhas deste telescópio e pelo enorme poder de coleta de luz do espaço. Será o maior e mais sensível telescópio em uma enorme faixa de comprimento de onda, de 0,6 mícrons a cerca de 28 mícrons (onde o olho humano pode ver de cerca de 0,4 a 0,7 mícrons), já construído. Se ele for lançado, implantado e operar corretamente, como esperado, podemos obter uma década de observações fora dele. De acordo com a NASA:

A vida útil da missão do Webb após o lançamento será entre 5 e 1/2 anos e 10 anos. A vida útil é limitada pela quantidade de combustível usada para manter a órbita e pela vida útil da eletrônica e do hardware no ambiente hostil do espaço. Webb carregará combustível por 10 anos; o projeto fará testes de garantia de missão para garantir 5 anos de operações científicas começando no final do período de comissionamento 6 meses após o lançamento.

O principal fator limitante é a quantidade de combustível a bordo, necessária para manter o telescópio operando, em órbita e apontando com precisão para seus alvos. Quando esse combustível acabar, ele se afastará do ponto L2 Lagrange, entrando em uma órbita caótica nas proximidades da Terra.

Crédito da imagem: equipe NASA / WMAP, via http://map.gsfc.nasa.gov/mission/observatory_l2.html .

Outras coisas que podem falhar são:

  • degradações dos espelhos, que afetarão a quantidade de luz coletada e criarão artefatos de imagem, mas que ainda permitirão que o telescópio seja utilizável,
  • falha de parte ou de todo o protetor solar, o que aumentará a temperatura do telescópio e estreitará as bandas de comprimento de onda utilizáveis ​​para o infravermelho muito próximo (para apenas 2-3 mícrons),
  • e o refrigerante no instrumento mid-IR, que é consumível; isso tornaria o instrumento de infravermelho médio inutilizável, mas não afetaria os outros instrumentos (de 0,6 a 6 mícrons).

O cenário de pesadelo é que o telescópio não é lançado ou implantado corretamente, e é exatamente isso que os testes que estão sendo feitos (e aprovados, a propósito) garantem.

Agosto de 2013 Imagem mural do Telescópio Espacial James Webb. (Impressão do artista.) Créditos: Northrop Grumman

Se o JWST funcionar como esperado, ele está carregando combustível suficiente a bordo para operar de 2018 a 2028 e, embora nunca tenha sido feito, existe o potencial para um reabastecimento robótico (ou tripulado, se a tecnologia for desenvolvida até então) missão para L2, o que poderia aumentar a vida útil do telescópio por mais uma década. Assim como o Hubble está em operação há 25 anos e contando, o JWST pode nos dar uma geração de ciência revolucionária se as coisas funcionarem tão bem quanto poderiam. É o futuro da astronomia e, depois de mais de uma década de trabalho árduo, está quase na hora de se concretizar. O futuro dos telescópios espaciais está quase aqui!


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