Como o telescópio espacial James Webb será implantado (em um mundo ideal)

A impressão de um artista de como será o telescópio espacial James Webb totalmente implantado da perspectiva de um observador no lado 'escuro' (não voltado para o Sol) do observatório. Crédito da imagem: Northrop Grumman.

Se tudo der certo, a astronomia dará um salto magnífico para o futuro. Mas aqui está o que precisa acontecer primeiro.


Em 2000, a NASA realizou sua pesquisa decenal, escolhendo o que se tornaria o Telescópio Espacial James Webb (JWST) como sua principal missão da década de 2010. Apesar da má gestão inicial do projeto, fazendo com que ele ultrapassasse o orçamento, os cientistas do projeto que lideraram o caminho aprenderam uma série de lições valiosas com isso e permaneceram dentro do orçamento de 2011 até o lançamento planejado na primavera de 2019. todo o telescópio é construído, aguardando seus testes finais, integração de instrumentos e as últimas etapas de montagem, antes de ser carregado no foguete Ariane 5 que o levará ao seu destino final: o ponto L2 Lagrange, a mais de 1.000.000 de quilômetros da Terra. Apesar de todos os desafios enfrentados, deve estar 100% pronto para uso quando 2019 chegar. Aqui está o que temos que esperar quando chegar a hora.



Os instrumentos científicos a bordo do módulo ISIM serão baixados e instalados no conjunto principal do JWST em 2016. O telescópio deve ser dobrado e devidamente guardado para caber a bordo do foguete Ariane 5 que o lançará. Crédito da imagem: NASA / Chris Gunn.



O telescópio deve ser dobrado, guardado e colocado de forma segura dentro do foguete em que será lançado. A Agência Espacial Européia está fornecendo o foguete: um veículo de lançamento Ariane 5. Você pode se surpreender ao saber que o JWST, apesar de ter sete vezes o poder de captação de luz do Hubble, pesa mais de 10.000 libras a menos do que o Hubble! No lançamento, o Hubble pesava 25.000 libras; James Webb pesará apenas 14.400. Isso se deve aos requisitos do foguete usado: tanto do ponto de vista do peso quanto do tamanho, o Ariane 5 tem limitações mais rigorosas do que o ônibus espacial. Até ontem, 25 de janeiro, o foguete Ariane 5 teve 83 lançamentos bem sucedidos seguidos. Mas uma vez carregado, o próximo passo é o lançamento.

A decolagem em 12 de dezembro de 2017 da 82ª missão consecutiva bem-sucedida do Ariane 5 da Guiana Francesa. Este voo, VA240, será representativo do que o JWST verá quando for lançado na primavera de 2019. Crédito da imagem: Arianespace.



A única incerteza na data de lançamento vem de quando o veículo estará disponível e pronto para ir, em condição de lançamento. Testaremos o JWST e seus componentes em condições mais extremas do que enfrentará no lançamento em termos de acústica, vibração, vácuo e temperaturas extremas. Após o lançamento, o telescópio montado, mas guardado, deve sobreviver a uma série de condições que não é possível testar na Terra, como passar da pressão atmosférica para o vácuo do espaço em um ambiente de gravidade zero. Você pode planejar, prototipar e testar tudo o que quiser, mas quando se trata do negócio real, você só tem uma chance na missão. Sobreviver ao lançamento e à ascensão ao espaço é obrigatório.

Uma linha do tempo aproximada de lançamento e implantação do Telescópio Espacial James Webb. Dependendo do que acontecer durante a missão, esses horários podem variar significativamente, mas essa é a ordem esperada da primeira e mais crítica etapa de implantação. Crédito da imagem: NASA / Clampin / GSFC.

Mas isso é algo com o qual todos os observatórios lançados devem lidar. Quando o veículo de lançamento atinge uma distância de 10.000 quilômetros da Terra, apenas meia hora de viagem, o telescópio se separa do estágio superior do foguete. Neste ponto, o JWST está livre do veículo de lançamento e agora está sozinho, a caminho de seu destino final. Dois minutos depois, o primeiro passo importante, mas difícil, deve ser bem-sucedido: implantar seu painel solar. James Webb tem uma bateria a bordo, mas só precisará dela até que o array seja implantado. Os propulsores irão então disparar, apontando os painéis solares para o Sol e orientando o observatório adequadamente para o próximo passo. Se a matriz falhar, a bateria durará apenas algumas horas. Esta etapa, como muitas outras, é um ponto único de falha para toda a missão.



A implantação dos painéis solares é o primeiro passo crítico que deve ocorrer após a separação do JWST do veículo lançador. Se esta parte falhar, a missão está frita. Crédito da imagem: NASA / Northrop Grumman.

Em seguida, a antena é liberada e uma correção no meio do curso (ou seja, uma queima) é aplicada, colocando James Webb em sua trajetória ideal. A antena de alto ganho sai após apenas duas horas e, pouco depois, a correção de meio curso solidifica para onde está indo e como está orientada. Após um total de 24 horas, a antena é totalmente implantada, permitindo comunicações upstream e downstream com o observatório. Mas a totalidade das primeiras três semanas são fundamentais para o sucesso do telescópio; a equipe ainda não estará fora de perigo.

Para implantar a proteção solar, os paletes de proteção solar traseiro e dianteiro, bem como outras estruturas de suporte e proteção, devem primeiro sair e implantar corretamente. Só então, uma vez que a configuração adequada esteja no lugar, a proteção solar pode sair. Crédito da imagem: Northrop Grumman.



Após outra correção no meio do curso, o JWST ultrapassará a marca de 400.000 km: indo mais longe do que qualquer humano já se aventurou no espaço. Neste ponto, três dias após o início da missão, os estágios iniciais do protetor solar precisarão sair. Certificando-se de manter a parte fria da espaçonave fora da luz direta do sol, primeiro o palete do protetor solar dianteiro desce, um processo lento que leva horas. Em seguida, a espaçonave inclina-se lentamente para torná-lo seguro para o palete de proteção solar de popa abaixar, um processo que leva um total de 12 horas. Ainda não há protetor solar; estas são apenas as estruturas de suporte que serão usadas para ajudar todo o telescópio a entrar em serviço. Neste estágio, os últimos bloqueios de inicialização do subsistema são liberados.

Os espelhos do Telescópio Espacial James Webb tiveram mais de 90% de sua massa removida antes mesmo do primeiro resfriamento criogênico. É necessária uma precisão incrível para que esta missão seja um sucesso, tanto do ponto de vista ótico quanto do ponto de vista técnico (e peso/tamanho). Crédito da imagem: Ball Aerospace.



Então, é hora do próximo grande passo: implantar o próprio telescópio. Quase 5 dias após o início da missão, o conjunto da torre desdobrável se estende, elevando a parte principal do conjunto óptico em cerca de dois metros. Com isso levantado, o pára-sol pode iniciar sua implantação completa, mas somente após o trabalho de preparação correto ser feito. A liberação da tampa da membrana é esse trabalho de preparação: protegendo o pára-sol de qualquer chance que ele tenha de se prender aos paletes ou ao ônibus da espaçonave. Primeiro, a tampa da membrana traseira é liberada, depois a tampa da membrana dianteira e, em seguida, a tampa do núcleo. Finalmente, depois que as tampas estão no lugar, as implantações do meio da lança saem de ambos os lados, primeiro um e depois o outro, o que estende todas as cinco camadas do protetor solar em todo o seu comprimento. Um total de 178 lançamentos devem ser disparados com precisão; se um deles falhar, o telescópio falha.

O protetor solar JWST, prototipado e tensionado na sala limpa em Greenbelt, Maryland. Crédito da imagem: Alex Evers/Northrop Grumman.

Em seguida, é hora de colocar o protetor solar em sua posição final. A borda do protetor solar é desdobrada, seguida por um tensionamento dolorosamente lento (e cuidadoso) das cinco membranas, que serão finalmente usadas para resfriar passivamente o lado óptico do telescópio. À medida que as cinco camadas se separam, parece muito perigoso, pois um único rasgo ou obstáculo pode parecer comprometer toda a missão. Mas há mais de 100 fixadores usados ​​na dobra e arrumação do pára-sol; há espaçadores colocados em cima dos paletes de proteção solar para evitar obstáculos, e há ripstops projetados em cada uma das membranas. O tensionamento deve ser o passo final para a montagem do pára-sol. Se funcionar, o telescópio se resfria passivamente a temperaturas sub-líquidas de nitrogênio.

O Elemento do Telescópio Óptico (OTE) é o olho do Observatório do Telescópio Espacial James Webb. O OTE reúne a luz vinda do espaço e a fornece aos instrumentos científicos. Isso inclui não apenas os espelhos, mas todas as estruturas de suporte, inclusive as responsáveis ​​pelo resfriamento do telescópio. Crédito da imagem: equipe NASA/JWST/GSFC.

Abas e cortinas adicionais são então implantadas rotineiramente e ocorrem alguns dias de resfriamento passivo. Então, começando no meio da segunda semana, alguns passos muito grandes estão programados para ocorrer. Primeiro, o criorefrigerador é ativado. Em segundo lugar, o espelho secundário é implantado, permitindo que James Webb focalize sua luz de seu espelho primário. Terceiro, o radiador traseiro é implantado , o que ajuda a manter o telescópio frio e irradiar sua energia térmica de volta para o espaço e longe do telescópio. Finalmente, as asas esquerda e direita, respectivamente, do espelho primário são desdobradas. Uma vez que estejam no lugar, a parte mais difícil, supondo que não haja obstáculos, está completa.

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. Crédito da imagem: Northrop Grumman.

Após os primeiros 29 dias, o JWST estará agora a 1.400.000 quilômetros da Terra: quase em seu destino do ponto de lagrange L2. Esse ponto é especial: é o único ponto além da órbita da Terra onde uma espaçonave pode orbitar e permanecer no mesmo período anual que nosso planeta leva para dar a volta ao Sol. Uma segunda correção no meio do curso acontece, colocando James Webb em sua órbita final: movendo-se quase de forma estável em torno do ponto L2. Queimaduras adicionais podem ser necessárias para ajustar a posição do telescópio, orientação e parâmetros orbitais, mas há mais de três meses para acertar todos esses detalhes. Ao mesmo tempo, os instrumentos e o espelho primário começarão a calibração e alinhamento.

Engenheiros realizam um teste do Centro de Curvatura no Telescópio Espacial James Webb da NASA na sala limpa do Goddard Space Flight Center da NASA, Greenbelt, Maryland. Esse teste ajudou a garantir que não houvesse problemas semelhantes ao Hubble no JWST. Crédito da imagem: NASA / Chris Gunn.

Depois de quatro meses, estamos prontos para o estágio final da pré-ciência. Enquanto refrigerado e em órbita, os últimos dois meses serão sobre alinhamento, teste e integração de componentes, instrumentos e óptica de longe. Cada um dos instrumentos deve estar devidamente calibrado antes de estarmos prontos. O NIRcam será o único pronto antes do quarto mês, mas os outros três, NIRspec, o sensor de orientação fina e o MIRI, devem ser otimizados. Assim que o NIRcam estiver completo, o telescópio verá o que os astrônomos chamam de primeira luz, de onde pegará seus primeiros dados científicos, retornará sua primeira imagem e, após o processamento, a liberará para o mundo.

A visão infravermelha dos pilares permite que as estrelas recém-formadas, dentro dos pilares, sejam vistas. A assinatura azul mostra o gás em processo de evaporação; a fraqueza desse sinal indica uma taxa relativamente lenta de evaporação. Esta imagem foi tirada com o Hubble; James Webb terá melhor resolução, mais poder de captação de luz e será capaz de ver os comprimentos de onda longos com os quais o Hubble só pode sonhar. Crédito da imagem: NASA, ESA/Hubble e Hubble Heritage Team; Agradecimentos: P. Scowen (Arizona State University, EUA) e J. Hester (ex-Arizona State University, EUA).

Após seis meses, a ciência começa. É um caminho incrível para chegar lá, que foi meticulosamente planejado por uma grande quantidade de equipes trabalhando juntas como parte de uma enorme colaboração. James Webb será tanto uma façanha de engenharia e trabalho em equipe quanto de ciência e tecnologia, desde o controle da missão até as operações até as pessoas e empresas que construíram, fabricaram e instalaram os sistemas e subsistemas. O momento da verdade não será um único momento, mas uma série de pequenas vitórias que levarão meses para serem verificadas. Quando todos estiverem completos, teremos um telescópio diferente de qualquer outro.

Se o Telescópio Espacial Hubble nos mostrou como era o Universo, James Webb nos mostrará como o Universo cresceu. Ele nos mostrará como as estrelas se formaram, como as galáxias surgiram, como eram as primeiras estruturas e onde e como os planetas estão se formando ativamente agora. Isso nos permitirá visualizar diretamente objetos semelhantes a Júpiter e detectar moléculas no espaço interestelar. Ele pode encontrar bioassinaturas tão distantes quanto o centro galáctico. Ele nos ensinará se os planetas mais comuns do tamanho da Terra, aqueles em torno de estrelas anãs vermelhas, têm atmosferas. Ele encontrará galáxias e aglomerados de estrelas mais antigos do que já vimos, e deve encontrar estrelas feitas puramente de material intocado desde o Big Bang: de hidrogênio e hélio puros.

Mas para fazer essa ciência, precisamos que o telescópio funcione. Devido ao tremendo trabalho realizado por inúmeras pessoas e um plano executado com cuidado e precisão sem precedentes, estamos a apenas um ano do lançamento do principal observatório da astronomia e de um salto científico sem precedentes para o 3º milênio. O Universo está esperando; cabe a nós ir.


Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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