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Sim, o telescópio espacial James Webb realmente deve ser lançado em 2021

Um dos últimos testes que serão realizados no James Webb da NASA é uma verificação final da sequência de implantação do espelho na íntegra. Com todos os testes de estresse ambiental agora fora do caminho, esperamos que essas últimas verificações sejam rotineiras, abrindo caminho para um lançamento bem-sucedido em 2021. (EQUIPE DE TELESCÓPIO ESPACIAL DA NASA / JAMES WEBB)

O sucessor do Hubble está quase pronto para lançamento. Ele está realmente chegando este ano, também!

O Telescópio Espacial James Webb da NASA, originalmente proposto na década de 1990, está finalmente programado para ser lançado ainda este ano: no final de outubro de 2021. De muitas maneiras, é o telescópio sucessor do Hubble, capaz de nos mostrar o Universo além de nossos limites atuais . Não apenas James Webb será o maior telescópio já enviado ao espaço, capaz de coletar mais luz e alcançar resolução superior em comparação com qualquer observatório espacial anterior, mas também será especializado em comprimentos de onda do infravermelho próximo e do infravermelho médio, permitindo que ele perscrute através do gás e da poeira que obscurece a visão de nossos outros telescópios de última geração.

Mas uma série de eventos infelizes - de metas de engenharia perdidas a problemas de financiamento, problemas com gerenciamento de projetos e a atual pandemia - adiaram a data de lançamento prevista ano após ano. Uma data de lançamento inicial de 2007 foi adiada para 2011, depois para 2014, depois para 2018 e agora, o mais tardar, para 2021. Muitos expressaram publicamente seu ceticismo de que esse observatório, cujo custo vitalício agora se aproxima de US $ 9 bilhões, seja lançado. Pela primeira vez, no entanto, o ano de lançamento alvo agora corresponde ao ano atual e todos os sinais apontam para um lançamento dentro do prazo por volta de 31 de outubro de 2021. Aqui é onde estamos hoje.

À medida que exploramos cada vez mais o Universo, somos capazes de olhar mais longe no espaço, o que equivale a mais longe no tempo. O Telescópio Espacial James Webb nos levará a profundidades, diretamente, que nossas instalações de observação atuais não podem igualar, com os olhos infravermelhos de Webb revelando a luz estelar ultra-distante que o Hubble não pode esperar ver. (NASA / JWST E EQUIPES HST)

É importante reconhecer que o Telescópio Espacial James Webb, a primeira missão emblemática da astrofísica da NASA desde os quatro grandes observatórios originais do Hubble, Compton, Chandra e Spitzer, representa uma série de estreias sem precedentes. É o primeiro telescópio espacial em qualquer lugar perto de seu tamanho, com um diâmetro de espelho primário de ~ 6,5 metros (21,3 pés), quase o dobro do diâmetro e com o quádruplo do poder de captação de luz do recordista anterior: o Telescópio Herschel da Agência Espacial Europeia .

É o único telescópio espacial equipado com seu conjunto de instrumentos modernos. É o único a ter um sistema de apontamento tão sofisticado. É o primeiro telescópio desta escala que estará localizado não em órbita próxima à Terra, mas a cerca de 1.500.000 quilômetros de distância: no ponto L2 Langrange além dos confins da Lua. É o primeiro espelho multissegmentado que terá que se desdobrar e calibrar-se para uma tolerância de 20 nanômetros no espaço. E é o primeiro telescópio a empregar um protetor solar multicamadas, projetado para resfriar passivamente o telescópio e seus instrumentos abaixo das temperaturas do nitrogênio líquido.

Concepção de um artista (2015) de como será o Telescópio Espacial James Webb quando 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. (NORTHROP GRUMMAN)

Sempre que você faz algo novo pela primeira vez, fica muito difícil prever que tipo de obstáculos você encontrará. De muitas maneiras, James Webb parece ter sido um projeto azarado de várias maneiras, já que alguns de seus problemas eram completamente imprevisíveis, mas outros foram lições caras aprendidas pela divisão de astrofísica da NASA. A estimativa de custo inicial para esta versão do Webb (em sua configuração atual) foi de apenas US$ 5,1 bilhões, e houve má gestão inicial no início como marcos foram perdidos e medidas insuficientes foram tomadas.

Em 2010, ficou claro que a data de lançamento (que era 2014 na época) não era viável, e tanto a revisão crítica interna do projeto quanto uma revisão externa Painel de Revisão Abrangente Independente concluiu que o principal culpado era a falta de reservas suficientes de curto prazo. Quando novos problemas inesperados foram descobertos, o projeto simplesmente não tinha os recursos disponíveis para resolvê-los adequadamente. Na época, os componentes do projeto estavam 85% concluídos, enquanto aproximadamente US$ 3,5 bilhões (da estimativa inicial de US$ 5,1 bilhões) já haviam sido gastos.

Os 18 segmentos de James Webb em laboratório, após a montagem concluída e todos os revestimentos aplicados. Do ambiente de gravidade zero do espaço, esses segmentos individuais devem formar um plano único perfeito dentro de uma tolerância de 20 nanômetros. O ouro é visualmente impressionante, mas há muito pouco dele: cerca de 4 gramas, no total. (NASA/CHRIS GUNN)

Então, como acabamos com uma missão de quase US$ 9 bilhões? É importante observar os resultados daquele Independent Comprehensive Review Panel de 2010. Eles concluíram que James Webb poderia ser lançado no final de 2015, com um custo total de US$ 6,5 bilhões, mas somente se mais US$ 250 milhões fossem fornecidos em 2011 e 2012. O painel foi inequívoco ao afirmar que este era o plano de lançamento mais antigo e menos caro para James Webb, e que qualquer atraso no financiamento resultaria em uma missão mais cara.

É claro que esses fundos adicionais não foram fornecidos, e isso causou um grande número de demissões, pois o pessoal necessário para concluir o trabalho - com o conhecimento e a experiência adquiridos com o trabalho até agora - não foi mantido. Componentes foram atrasados ​​como resultado. À medida que as pessoas que trabalhavam nele encontravam outros empregos, ficou claro que concluir James Webb se tornaria muito mais caro e sofreria atrasos iniciais. Haveria um extra de ~ $ 1,5 bilhão necessário para completar o telescópio devido ao atraso e muitos anos extras, e aproximadamente $ 800 milhões ($ 0,8 bilhão) foram lançados no custo para apoiar os 5 anos de operação que a missão principal de James Webb exigia.

O Telescópio Espacial James Webb da NASA fica dentro da Câmara A no Centro Espacial Johnson da NASA em Houston depois de ter concluído seus testes criogênicos em 18 de novembro de 2017. Isso marcou o teste criogênico final do telescópio e garantiu que o observatório estivesse pronto para o ambiente frio e sem ar do espaço. Outros testes iniciais, como testes de vibração, não saíram conforme o planejado. (NASA/CHRIS GUNN)

Desde então, as tecnologias que precisavam ser desenvolvidas foram desenvolvidas, mas houve contratempos ao longo do caminho. Durante o teste de vibração, que simula as condições de lançamento da espaçonave, os parafusos se soltaram e caíram , juntamente com arruelas, exigindo uma série de intervenções imprevistas. Durante um teste em que eles desdobraram o protetor solar de 5 camadas, ele pegou uma parte do elemento da espaçonave, rasgando um pouco antes do teste ser abortado . Válvulas com vazamento foram encontradas ao longo do caminho, e muitos outros obstáculos foram encontrados. Parecia, para um observador externo, que tudo que podia dar errado deu errado.

Mas durante todo esse tempo, o progresso legítimo ainda estava sendo feito. Os espelhos foram concluídos e os elementos primário e secundário concluíram os testes sem problemas. Os instrumentos científicos foram completados e integrados, e os testes de eletrônica e sistemas de computador têm sido bem sucedidos até agora. Os problemas acima mencionados foram identificados e resolvidos. Na ciência, como na vida, não é importante acertar tudo de primeira; é importante acertar no final.

Testes de vibração de espaçonaves, como o James Webb da NASA, são uma necessidade para garantir que a espaçonave e todos os seus componentes possam sobreviver ao processo de lançamento intactos e totalmente funcionais. Missões tripuladas e não tripuladas devem sobreviver a esse teste, que foi aplicado ao Webb em várias fases. (NASA / CHRIS GUNN)

E agora, no início de 2021, estamos quase na linha de chegada. No ano passado, apesar da pandemia mundial, viu James Webb alcançar vários marcos importantes .

• Dentro março de 2020 , eles usaram equipamentos de compensação de gravidade para simular como o telescópio se desenrolaria no espaço, alcançando uma implantação de espelho 100% bem-sucedida.
• Dentro maio daquele ano , todo o observatório montado foi dobrado em sua posição de lançamento pela primeira vez. Ele foi explicitamente projetado para caber e embalar dentro de uma seção de 5,4 metros (17,8 pés) de um foguete Ariane 5, e atingiu esse marco perfeitamente.
• Em julho , passou por uma verificação abrangente dos sistemas, onde cada software e cada componente elétrico foram testados por 15 dias consecutivos: seu primeiro teste desse tipo desde que foi totalmente montado. Cada componente passou.
• em agosto , eles demonstraram que os comandos enviados do Centro de Operações da Missão no Instituto de Ciências do Telescópio Espacial poderiam ser conectados com sucesso à Deep Space Network e à espaçonave, com o hardware de voo real e o sistema terrestre passando em todos os testes necessários.
• E, em outubro de 2020 , foi concluído um teste de vibração e acústico, seguido de uma inspeção de luzes apagadas. Ao contrário dos testes de vibração anteriores, tudo foi bem sucedido desta vez.

Após a conclusão de um teste de vibração e acústico, ocorre uma inspeção de apagamento das luzes, pois qualquer possível contaminação é mais fácil de encontrar no escuro. O Telescópio Espacial James Webb da NASA foi submetido a vários desses testes nos últimos anos, com o telescópio passando no teste final, concluído em outubro de 2020, em todos os sentidos. (NASA / CHRIS GUNN)

Os sucessos continuaram desde então. Após seus testes ambientais bem-sucedidos, passou por testes pós-ambientais. As implantações de ônibus da espaçonave, que servem como teste para suas implantações no espaço, foram testadas com sucesso e concluídas em novembro. O teste final e a implantação do protetor solar de 5 camadas, um componente totalmente exclusivo de James Webb, foi concluído (com sucesso) em dezembro .

Com 2021 chegando, o momento da verdade – lançamento e implantação no espaço – se aproxima rapidamente. Restam apenas algumas etapas e todas estão programadas para ocorrer dentro ou antes do previsto este ano. O próximo teste será uma verificação final abrangente dos sistemas: o quinto teste a ser realizado. Se tudo correr bem, deve ser concluído até o final do próximo mês ou antes. Em março, as primeiras propostas de observação terão suas revisões concluídas, para que o programa científico inicial (o que chamamos de ciclo 1) de James Webb possa ser estabelecido nessa época. O pára-sol será dobrado e guardado pela última vez, e então será realizado um segundo exercício de prontidão para lançamento; isso deve ser concluído até o final de março.

O processo de desenrolar e tensionar o protetor solar de 5 camadas é mostrado aqui. O teste mais importante da implantação deste protetor solar foi concluído em dezembro de 2020, e apenas os testes e verificações finais permanecem antes que a espaçonave seja declarada pronta para o lançamento. (EQUIPE DE TELESCÓPIO ESPACIAL DA NASA / JAMES WEBB)

Até o final de maio, o último teste de montagem de torre implantável será concluído, garantindo que os espelhos e instrumentos do Webb possam ser levantados a uma distância segura acima do protetor solar inferior e do elemento da espaçonave. Essa lacuna será necessária para permitir que os principais elementos do telescópio sejam resfriados às temperaturas apropriadas, o que é necessário para garantir que James Webb possa funcionar nos comprimentos de onda infravermelhos necessários para realizar sua missão científica.

E então, em julho, o observatório será guardado pela última vez. Ele passará por uma revisão final e exercício de preparação para lançamento no parque Northrop-Grumman na Califórnia e, em agosto, será transportado para o local de lançamento na Guiana Francesa. Uma vez lá, os testes finais (de rotina) serão realizados e, em seguida, a espaçonave será embalada no foguete Ariane 5 que a lançará no espaço. Desde que o clima, a temperatura e outras condições cooperem, temos uma data de lançamento nominal para James Webb: 31 de outubro de 2021.

O Telescópio Espacial James Webb da NASA é mostrado em sua configuração totalmente mostrada. Esta é a mesma configuração que terá ao ser carregado no foguete Ariane V para lançamento. Mesmo durante a pandemia do COVID-19, os cientistas conseguiram concluir testes vitais no James Webb, e agora estamos a caminho de um lançamento em outubro. (NORTHROP GRUMMAN)

Se o clima não cooperar, isso não é um problema; há uma janela de lançamento por mais de uma semana em ambos os lados dessa data que ainda seria boa para um lançamento. Se perdermos essa janela, outra se repetirá após apenas algumas semanas.

Embora eu só tenha conseguido obter dados da janela de lançamento para o período de 18 meses de julho de 2018 a dezembro de 2019, a física do lançamento de um foguete Ariane 5 totalmente carregado permanece muito semelhante de ano para ano. Como você pode ver (abaixo), existem muitas janelas de lançamento que funcionarão e não há intervalos de mais de um mês em nenhum momento.

Embora os dados mostrados neste gráfico mostrem a duração da janela de lançamento em cada dia ao longo de uma janela específica de 18 meses, a física do lançamento de um foguete não muda ano a ano e, portanto, semelhante (mas não idêntica) ) são esperados em torno da janela de 31 de outubro de 2021. (NASA/STSCI/H. HAMMEL (COMUNICAÇÃO PRIVADA))

Supondo que o telescópio seja lançado com sucesso e implantado corretamente, podemos esperar muitos anos de ciência fantástica de James Webb. Em particular, quatro importantes registros cósmicos é quase certo que serão quebrados nos próximos anos.

1. O recorde atual para a galáxia mais distante, GN-z11, nos envia luz de um tempo apenas ~407 milhões de anos após o Big Bang. James Webb deve ver através da poeira cósmica que o Hubble não consegue, revelando galáxias que podem aparecer apenas 200 milhões de anos após o Big Bang.
2. Devemos quebrar o recorde de menor atmosfera de exoplaneta já medida. No momento, podemos obter atmosferas para mundos do tamanho de Saturno em torno de estrelas semelhantes ao Sol, mas Webb nos levará a mini-Netunos em torno dessas mesmas estrelas e mundos do tamanho da Terra em torno de anãs vermelhas.
3. As primeiras estrelas imaculadas - estrelas feitas apenas de hidrogênio e hélio, os elementos formados no quente Big Bang - deveriam ser descobertas por James Webb; populações estelares que nos escaparam até agora.
4. E no que diz respeito à imagem direta de exoplanetas, o Webb deve revelar planetas com apenas 150% do tamanho da Terra, quebrando o recorde atual.

Um lançamento de foguete experimenta intensidade sonora e vibrações que são 100 vezes maiores em intensidade e 20 decibéis maiores em volume do que os assentos mais barulhentos de todos em um show de rock. Para simular o lançamento de um foguete, são necessários testes acústicos e vibracionais. (NASA/ARIANESPACE)

Embora seja sempre arriscado supor que nada imprevisto vai dar errado daqui para frente, a verdade é que as partes mais difíceis dessa missão que os humanos podem controlar já foram resolvidas com sucesso. A menos de 12 meses do lançamento, mesmo durante uma pandemia, estamos absolutamente dentro ou à frente do cronograma em todos os sentidos para cumprir a data de lançamento de 31 de outubro. Salvo uma catástrofe acidental ou sabotagem de algum tipo, este telescópio está pronto para ser usado.

Temos certeza de que está equipado para provocar uma revolução em nossa compreensão do cosmos, com a possibilidade mais emocionante de encontrar algo totalmente inesperado e surpreendente; essa é a melhor parte de ultrapassar as fronteiras da descoberta. Uma vez no espaço, a vida útil de James Webb deve ser limitada apenas pela quantidade de combustível de foguete de hidrazina a bordo, necessária para manter a espaçonave em sua órbita quase estável e permitir que ela aponte para seus alvos. Com combustível suficiente para uma missão de 5 anos, alguns estimam que um excelente gerenciamento de combustível poderia estendê-lo para uma missão de 10 anos, onde a opção de reabastecimento ainda não foi descartada.

Com extrema confiança, agora podemos afirmar que 2021 será o ano em que o Telescópio Espacial James Webb finalmente será lançado. O que vem depois disso dependerá do que está lá fora no Universo.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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