Veja como o Telescópio Espacial James Webb da NASA revelará o Universo desconhecido
De exoplanetas a buracos negros supermassivos e às primeiras estrelas e galáxias, Webb nos mostrará o Universo como nunca o vimos antes.
Concepção de um artista (2015) de como será o Telescópio Espacial James Webb quando estiver completo e implantado com sucesso. Observe a proteção solar de cinco camadas protegendo o telescópio do calor do Sol, e os espelhos primários (segmentados) e secundários (retidos pelas treliças) totalmente implantados. O mesmo combustível usado para manobrar o Webb no espaço será necessário para apontá-lo para seus alvos e mantê-lo em órbita ao redor de L2. (Crédito: Northrop Grumman)
Principais conclusões- Apesar de tudo o que aprendemos sobre o Universo, incluindo sua aparência e o que existe nele, ainda existem muitas incógnitas cósmicas.
- Como os buracos negros supermassivos se formam e crescem cedo? Como eram as primeiras estrelas? O que há nas atmosferas dos planetas 'super-Terras'?
- Ainda não sabemos as respostas. Mas se James Webb for bem-sucedido como observatório, ele deve nos ensinar as respostas para todas essas perguntas e muito mais.
Nossa perspectiva moderna sobre o Universo é, simultaneamente, um triunfo e uma tragédia. O triunfo é como, da nossa localização em torno de uma estrela aleatória dentro de uma galáxia típica em um vasto Universo, conseguimos aprender muito sobre o cosmos que habitamos. Descobrimos as leis que governam o Universo, bem como as partículas fundamentais que compõem a realidade. Desenvolvemos um modelo cosmológico que pode explicar como o Universo veio a ser como é, com observações que nos levam desde os dias atuais até os confins do Universo: há mais de 13 bilhões de anos e mais de 30 bilhões de luz -anos de distância no espaço. Depois de inúmeras gerações de questionamentos, finalmente sabemos como é o Universo.
Mas também há tragédia nessa história: tudo o que permanece desconhecido sobre o cosmos. Sabemos que a matéria normal que vemos sob nossas leis da física atualmente conhecidas são insuficientes para explicar o Universo em pequenas e grandes escalas; tanto a matéria escura quanto a energia escura, no mínimo, são necessárias. Nós temos uma controvérsia não resolvida sobre o quão rápido o Universo está se expandindo. Nunca vimos as primeiras estrelas ou galáxias. Nunca medimos o conteúdo atmosférico de um exoplaneta do tamanho da Terra. Não sabemos como os buracos negros supermassivos se formaram. E a lista continua.
E, no entanto, o mais novo observatório da NASA, o Telescópio Espacial James Webb , está prestes a iniciar as operações científicas em apenas alguns meses. Aqui está o que todos nós mal podemos esperar para aprender.
As primeiras estrelas a se formarem no universo eram diferentes das estrelas de hoje: livres de metal, extremamente massivas e destinadas a uma supernova cercada por um casulo de gás. ( Crédito : NAOJ)
As primeiras estrelas . Nos primeiros momentos do Big Bang quente, o Universo formou prótons e nêutrons individuais, e então esses prótons e nêutrons se fundiram nos primeiros minutos para formar os primeiros elementos mais pesados do Universo. Acreditamos que sabemos, a partir de uma variedade de linhas de raciocínio, quais eram as proporções desses elementos antes de o Universo formar uma única estrela. Em massa, o Universo era composto por:
- 75% de hidrogênio
- 25% de hélio-4
- ~0,01% de hélio-3
- ~0,01% deutério (hidrogênio-2)
- ~0,0000001% lítio-7
Parecia não haver mais nada ao redor. Claro, quando vemos estrelas de qualquer variedade, já vemos que elas possuem certa quantidade de oxigênio e carbono: elementos pesados, pelos padrões dos astrônomos. Isso indica que as primeiras estrelas que vimos já foram precedidas por uma primeira geração anterior de estrelas.
Nunca vimos um exemplo de estrelas imaculadas antes, e James Webb será nossa melhor oportunidade para fazê-lo. Seus olhos infravermelhos podem espiar mais longe do que qualquer observatório, incluindo o Hubble, e devem quebrar o recorde cósmico das estrelas mais antigas e primitivas já vistas. Temos teorias de que eles devem ser muito massivos e de curta duração. Espera-se que James Webb nos dê nossa primeira oportunidade de identificá-los e estudá-los.
Se você começar com um buraco negro inicial, semente, quando o Universo tinha apenas 100 milhões de anos, há um limite para a taxa em que ele pode crescer: o limite de Eddington. Ou esses buracos negros começam maiores do que nossas teorias esperam, se formam mais cedo do que percebemos, ou crescem mais rápido do que nossa compreensão atual permite atingir os valores de massa que observamos. (Crédito: F. Wang, AAS237)
A formação dos primeiros buracos negros . Nos limites das observações de hoje, vimos buracos negros tão massivos quanto cerca de 1 bilhão de massas solares há 13,2 bilhões de anos: quando o Universo tinha apenas 5% de sua idade atual. Como esses primeiros buracos negros ficaram tão massivos tão rápido? Não é impossível, mas certamente é um desafio para nossas teorias atuais explicar o que vemos. Precisaríamos, por exemplo, de um buraco negro semente de cerca de 10.000 massas solares para se formar apenas ~ 100 milhões de anos após o Big Bang, e então precisaria crescer na taxa máxima que é fisicamente permitida o tempo todo apenas para chegar lá .
Ou esses buracos negros começaram maiores do que nossas teorias esperam, ou eles se formaram antes do que percebemos, ou eles crescem mais rápido do que pensamos que eles podem . Mas é aí que James Webb deve lançar uma quantidade notável de luz sobre esses objetos escuros. Porque eles aceleram a matéria acumulada neles, os buracos negros supermassivos podem ser vistos em comprimentos de onda de rádio, identificáveis como quasares. Com seus olhos infravermelhos, Webb será capaz de identificar as galáxias hospedeiras que abrigam esses quasares, permitindo-nos combiná-los a essas grandes distâncias cósmicas pela primeira vez. Se quisermos entender como os buracos negros crescem no universo jovem, não há ferramenta melhor do que o Webb para descobrir.
Esta visão de cerca de 0,15 graus quadrados de espaço revela muitas regiões com um grande número de galáxias agrupadas em aglomerados e filamentos, com grandes lacunas, ou vazios, separando-as. Essa região do espaço é conhecida como ECDFS, pois representa a mesma porção do céu fotografada anteriormente pelo Extended Chandra Deep Field South: uma visão pioneira de raios-X do mesmo espaço. ( Crédito : NASA / Spitzer / S-CANDELS; Ashby et ai. (2015); Kai Noeske)
O agrupamento de galáxias ao longo do tempo cósmico . Você vê a imagem acima? O que parece um monte de estrelas em silhueta contra o pano de fundo preto do espaço não são estrelas; em vez disso, cada ponto nesta imagem é sua própria galáxia. O Spitzer da NASA, que era nosso principal observatório infravermelho quando foi lançado em 2003, foi capaz de ver através da poeira bloqueadora de luz que obscurecia muitas dessas galáxias em comprimentos de onda ópticos. Spitzer originalmente embarcou em um programa de observação chamado SEDS: o Pesquisa Profunda Estendida Spitzer , que conquistou um grau quadrado completo do céu, e depois o acompanhamento, S-CANDELAS , foi ainda mais fundo.
Os resultados disso revelaram o agrupamento não aleatório de galáxias, ajudando-nos a entender a história gravitacional, o crescimento e a evolução do nosso Universo, além de revelar outra linha de evidência para a necessidade da matéria escura. Como parte de seu primeiro ano de ciência programado durante a vida útil da missão, o Telescópio Espacial James Webb mapeará 0,6 graus quadrados do céu – aproximadamente a área de três luas cheias – com seus instrumentos infravermelhos, revelando galáxias que nem mesmo o Hubble conseguiu ver. Se quisermos ver como as galáxias crescem e evoluem ao longo do tempo cósmico, bem como como elas se agrupam, para inferir a teia de matéria escura que mantém o cosmos unido, Webb nos fornecerá dados valiosos sem precedentes.
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 previsto 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. ( Crédito : Equipe NASA/ESA e Hubble/HUDF; colaboração JADES para a simulação NIRCam)
O que há lá fora nas profundezas do espaço? Se olharmos para trás no tempo cósmico com o Hubble, rapidamente nos deparamos com duas limitações fundamentais. Um vem do próprio Universo em expansão, que estica o comprimento de onda da luz que é emitida. Enquanto as estrelas mais quentes e jovens emitem grandes quantidades de luz ultravioleta, a expansão do Universo desloca essa luz para fora do ultravioleta, através do óptico e para o infravermelho, quando chega aos nossos olhos. Um telescópio normal simplesmente não verá objetos além de uma certa distância.
A segunda limitação é que existem átomos neutros no espaço intergaláctico que absorvem luz, pelo menos nos primeiros ~550 milhões de anos da nossa história cósmica. Ambos os fatores limitam o que nossos telescópios mais profundos atuais, como o Hubble, foram capazes de ver.
Mas o Telescópio Espacial James Webb da NASA nos levará muito além dessas limitações atuais, pois sua capacidade de ir longe no infravermelho - para comprimentos de onda máximos cerca de 15 vezes mais longos do que o Hubble pode sondar - nos permitindo capturar a luz deslocada e ver a luz que foi inicialmente infravermelho, que pode evadir os átomos neutros predominantes. Como resultado, encontraremos as galáxias mais distantes de todos os tempos, aprenderemos com que rapidez e abundância elas formaram estrelas e também poderemos caracterizá-las como nunca antes.
Mais de 13 bilhões de anos atrás, durante a Era da Reionização, o universo era um lugar muito diferente. O gás entre as galáxias era amplamente opaco à luz energética, dificultando a observação de galáxias jovens. O Telescópio Espacial James Webb examinará profundamente o espaço para coletar mais informações sobre objetos que existiram durante a Era da Reionização para nos ajudar a entender essa grande transição na história do universo. ( Crédito : NASA, ESA, J. Kang (STScI))
A física da reionização . Demorou aproximadamente 380.000 anos para o Universo se expandir e esfriar o suficiente para que os átomos neutros pudessem se formar de forma estável. Mas então foram necessários outros 550 milhões de anos antes que esses átomos se tornassem reionizados, permitindo que a luz visível viajasse livremente pelo Universo sem ser absorvida. O Hubble só observou talvez duas ou três galáxias além desse limite, todas ao longo das linhas de visão onde a reionização ocorreu por acaso mais cedo do que a média.
Mas isso é uma pista! A reionização não aconteceu de uma só vez, mas foi um processo gradual que ocorreu em rajadas. À medida que as estrelas se formam, elas emitem radiação ultravioleta, que ioniza os átomos neutros que encontram. No início, esses íons e elétrons recém-formados ainda podem se recombinar, mas mais tarde, o Universo se expandiu o suficiente para que eles não se encontrem com a frequência suficiente. Temos simulações que nos dizem como esperamos que o processo de reionização se desenrole, mas apenas James Webb será capaz de sondar a conexão galáxia-buraco negro e coletar os dados para nos mostrar:
- como galáxias individuais se formaram e evoluíram
- quanta energia é emitida por esses objetos luminosos
- quão ricas em elementos pesados essas primeiras galáxias eram
- quão rico em estrelas e quais são as taxas atuais de formação de estrelas dessas galáxias
Neste momento, a época de pré-reionização é conhecida como a idade das trevas cósmica. Mas Webb, pela primeira vez, irá iluminá-lo para todos verem.
A estrela gigante vermelha moribunda, R Sculptoris, exibe um conjunto muito incomum de material ejetado quando visto em comprimentos de onda milimétricos e submilimétricos: revelando uma estrutura espiral. Acredita-se que isso se deva à presença de um companheiro binário: algo que nosso próprio Sol não possui, mas que aproximadamente metade das estrelas do universo possui. Estrelas como esta são parcialmente responsáveis pelo enriquecimento do Universo. ( Crédito : ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) / M. Maercker et ai.)
O que enriquece o Universo? As primeiras estrelas que vimos são o que conhecemos como pobres em metal. Em comparação com o nosso Sol, alguns deles contêm apenas 1% da quantidade total de elementos pesados que temos, enquanto outros têm apenas 0,01% ou até menos. As estrelas que se formaram mais cedo e nos ambientes mais primitivos tendem a ser as mais próximas da ausência de metal, mas a ciência não se trata apenas de encontrar os exemplos mais extremos do que está por aí; trata-se também de aprender como o Universo veio a ser do jeito que é agora.
Esse é um dos lugares muito subestimados onde Webb realmente brilhará: estudando poeira interestelar . Na verdade, é a poeira entre as estrelas que nos informará sobre como duas populações específicas de estrelas –envelhecimento, estrelas massivas e supernovas— enriquecer o Universo com elementos pesados. É geralmente reconhecido que as estrelas em sua agonia são o que cria os elementos pesados que povoam o cosmos, mas a pesquisa ainda está sendo feita sobre quais elementos são produzidos onde e em que proporção.
Por exemplo, estrelas no ramo gigante assintótico fundem carbono-13 com hélio-4, produzindo nêutrons, e a absorção desses nêutrons constrói os elementos da tabela periódica. Estrelas que se transformam em supernovas também produzem nêutrons, e a absorção desses nêutrons também cria elementos. Mas quais elementos vêm de quais processos e em quais frações? Webb ajudará a responder a parte quantitativa desta pergunta, cuja resposta nos iludiu por tanto tempo.
Uma amostra de 20 discos protoplanetários em torno de estrelas jovens e infantis, conforme medido pelo Disk Substructures at High Angular Resolution Project: DSHARP. Observações como essas nos ensinaram que os discos protoplanetários se formam principalmente em um único plano, concordando com as expectativas teóricas e as localizações dos planetas dentro do nosso próprio Sistema Solar. ( Crédito : S. M. Andrews et al., ApJL, 2018)
Como se formam os sistemas planetários? Nos últimos anos, uma combinação de dois tipos diferentes de observação terrestre nos mostrou os detalhes em sistemas protoplanetários recém-formados como nunca antes. ALMA, o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, mostrou-nos estes discos protoplanetários em detalhes sem precedentes, revelando uma estrutura rica, incluindo lacunas que indicam onde planetas jovens varreram o material do disco e até a formação de discos circumplanetários, em alguns casos . Enquanto isso, observatórios infravermelhos têm imagens de discos externos estendidos, revelando sua estrutura também.
Onde James Webb vai brilhar, no entanto, é nessas regiões atualmente indescritíveis, como será nosso mais poderoso telescópio espacial limitado por difração sempre. A maior parte do trabalho feito até agora pode determinar a estrutura desses discos onde estão os gigantes gasosos em nosso Sistema Solar e além; James Webb será capaz de medir esses discos na região onde nossos planetas rochosos, terrestres e mais internos se formaram, e pode até encontrar estruturas em escalas tão pequenas quanto ~ 0,1 unidades astronômicas, ou um quarto da distância de Mercúrio ao Sol.
Particularmente em torno de estrelas recém-formadas que estão relativamente próximas de nós, o Telescópio Espacial James Webb revelará estruturas em torno de novas estrelas que apenas sonhamos em descobrir. É uma das maiores revoluções nas ciências dos exoplanetas, mas não a maior, que o Webb trará.
Se a luz de uma estrela-mãe puder ser obscurecida, como com um coronógrafo ou uma sombra estelar, os planetas terrestres dentro de sua zona habitável poderiam ser fotografados diretamente, permitindo buscas por inúmeras bioassinaturas potenciais. Nossa capacidade de fazer imagens diretas de exoplanetas está atualmente limitada a exoplanetas gigantes a grandes distâncias de estrelas brilhantes. ( Crédito : J. Wang (UC Berkeley) & C. Marois (Herzberg Astrophysics), NExSS (NASA), Keck Obs.)
Imagens diretas de exoplanetas . Quando se trata da maioria dos planetas que descobrimos, você pode se surpreender ao saber que nunca os vimos. Ou medimos a oscilação da estrela-mãe devido à influência gravitacional do planeta, revelando a massa e o período do planeta, ou medimos o bloqueio periódico da luz que ocorre quando o planeta em questão transita na frente do disco estelar, revelando seu raio e período. Mas os únicos planetas que atualmente somos capazes de visualizar são:
- bem separada da estrela-mãe
- grande o suficiente para refletir luz estelar suficiente ou emitir sua própria luz infravermelha
- brilhante o suficiente em comparação com a estrela-mãe para ser visto no brilho da estrela-mãe
Como resultado, os planetas mais diretamente fotografados são superversões de Júpiter: grandes, distantes e vistos em sistemas relativamente próximos, onde um coronógrafo pode ser usado para bloquear a luz da estrela-mãe.
De sua localização no espaço, com seus olhos infravermelhos e com seu espelho primário de 6,5 metros de diâmetro, James Webb vai explodir tudo. Estamos falando dos planetas menores e mais próximos de todos os tempos: até cerca de 1,5 vezes o tamanho da Terra em torno de estrelas semelhantes ao Sol e possivelmente até mundos do tamanho da Terra em torno de anãs vermelhas. Se tivermos muita, muita sorte, poderemos obter nossos primeiros sinais de um mundo com várias nuvens, estações e possivelmente até oceanos e continentes. Somente com James Webb essas observações serão possíveis.
Quando a luz das estrelas passa pela atmosfera de um exoplaneta em trânsito, as assinaturas são impressas. Dependendo do comprimento de onda e da intensidade das características de emissão e absorção, a presença ou ausência de várias espécies atômicas e moleculares na atmosfera de um exoplaneta pode ser revelada através da técnica de espectroscopia de trânsito. ( Crédito : missão ESA/David Sing/Planetary Transits and Oscillations of stars (PLATO))
Medindo as atmosferas dos menores planetas de todos os tempos . Mas este, na minha opinião, é o reino que oferece a maior possibilidade de um avanço verdadeiramente revolucionário. Quando um planeta passa na frente de sua estrela-mãe, o que acontece? Sim, o planeta bloqueia uma parte da luz da estrela, causando o escurecimento característico – ou quedas de fluxo – que associamos a um trânsito clássico. Mas outra coisa também ocorre, se o planeta tiver uma atmosfera: uma parte da luz da estrela é filtrada pela atmosfera, onde existem átomos e moléculas complexas. A porção filtrada da luz da estrela será, portanto, absorvida em comprimentos de onda específicos. Se pudermos medir esses comprimentos de onda, podemos inferir quais moléculas existem na atmosfera daquele planeta.
Poderíamos encontrar oxigênio molecular, dióxido de carbono ou talvez biomoléculas complexas?
Sim para tudo do que foi citado. Se eles estiverem presentes e absorverem comprimentos de onda aos quais o Telescópio Espacial James Webb da NASA é sensível, temos a chance de revelar um planeta habitado pela primeira vez. Não sabemos se algum dos planetas que Webb será capaz de medir as atmosferas é realmente habitado ou não. Mas este é o tipo de ciência mais excitante: o tipo em que estamos procurando como nunca antes. Se detectarmos um sinal positivo, isso mudará nossa visão do Universo para sempre. É difícil pedir mais do que isso.
Quando todas as óticas estiverem devidamente implantadas, James Webb deverá ser capaz de visualizar qualquer objeto além da órbita da Terra no cosmos com uma precisão sem precedentes, com seus espelhos primários e secundários focando a luz nos instrumentos, onde os dados podem ser obtidos, reduzidos e enviados. de volta à Terra. ( Crédito : Equipe do Telescópio Espacial NASA/James Webb)
Tudo isso, é claro, deixa de fora a maior possibilidade de todas. Sabemos onde estão hoje as fronteiras do nosso conhecimento; podemos caminhar até eles e espiar por cima da borda para o mar de vastas incógnitas cósmicas. O Telescópio Espacial James Webb da NASA empurrará essas fronteiras de várias maneiras, e podemos prever que tipo de progresso incremental será feito e quais incógnitas atuais serão reveladas ao obter essas informações que nos escapam no momento. Mas o que não podemos prever é o que está lá fora sobre o qual atualmente não temos nenhuma pista. Não sabemos que tipo de descobertas notáveis seremos capazes de fazer simplesmente porque estamos olhando para o Universo como nunca antes.
Essa é, sem dúvida, a peça mais importante de fazer ciência: a capacidade de abrir o que chamamos de potencial de descoberta. Sabemos um pouco do que está por aí, e isso nos levou a excelentes expectativas para o que prevemos que encontraremos. Mas e as coisas que estão lá fora das quais atualmente não temos pistas? Até olharmos, não sabemos. Talvez a busca tenha sido melhor resumida por Edwin Hubble, mas seus sentimentos se aplicam precisamente ao Telescópio Webb também.
Com o aumento da distância, nosso conhecimento desaparece e desaparece rapidamente. Eventualmente, atingimos o limite obscuro – os limites máximos de nossos telescópios, disse Hubble. Lá, medimos sombras e procuramos entre erros fantasmagóricos de medição por pontos de referência que são pouco mais substanciais. A busca continuará. Não até que os recursos empíricos estejam esgotados, precisamos passar para os reinos sonhadores da especulação.
Neste artigo Espaço e AstrofísicaCompartilhar:
