Um dos primeiros alvos de James Webb é Júpiter. Aqui está o porquê

Astrônomos de todo o mundo estão ansiosos pela nova ciência que será possível quando o Telescópio Espacial James Webb, o telescópio espacial mais poderoso do mundo, completar seu comissionamento. Desde que o telescópio foi lançado em 25 de dezembro de 2021, ele desdobrou seu hardware em sua configuração final, alcançou sua órbita final ao redor do sol e completou o alinhamento de seus espelhos com sua câmera principal, mas ainda há etapas como a calibração de seus instrumentos para ir antes de estar pronto para uso científico.

Assim que a fase de comissionamento estiver concluída, que deve terminar neste verão, as observações científicas começarão. E é aí que as coisas ficam empolgantes, pois a alta sensibilidade e as capacidades de infravermelho do telescópio permitirão observar objetos extremamente distantes, ainda mais fracos do que os observados pelos atuais telescópios espaciais como o Hubble. Ele dará início a uma nova era de observações astronômicas e poderá ajudar a investigar tópicos tão amplos quanto como as primeiras galáxias se formaram e se planetas em outros sistemas estelares têm atmosferas ou não.

Treze projetos foram escolhidos para testar as capacidades deste novíssimo telescópio em seus primeiros cinco meses de operação e, como você pode imaginar, a competição por quais projetos deveriam ser os primeiros a usar esta nova ferramenta foi acirrada.

A maioria dos 13 projetos escolhidos analisará objetos distantes, como buracos negros ou galáxias distantes. Mas um projeto parecerá mais próximo de casa – em Júpiter, bem em nosso quintal cósmico.

Para saber o que os pesquisadores esperam descobrir sobre este grande e belo gigante gasoso, e para descobrir por que um alvo relativamente próximo está sendo usado para testar um telescópio tão poderoso, conversamos com o astrônomo de Berkeley Imke de Pater, líder do Júpiter equipe de observação.

Todo um sistema para explorar

Em comparação com exoplanetas distantes ou mesmo com os planetas gigantes de gelo mais distantes em nosso sistema solar, os astrônomos sabem muito sobre Júpiter. Temos muitos dados sobre o planeta graças a observações de telescópios terrestres e missões como Galileo, que orbitou o planeta até 2003, e Juno , que ainda está orbitando lá agora.

Mas, como costuma ser o caso da ciência, cada dado que obtemos sobre o planeta pode levantar mais questões. “Estivemos lá com várias naves espaciais e observamos o planeta com o Hubble e muitos telescópios terrestres em comprimentos de onda em todo o espectro eletromagnético (de UV a metros de comprimento de onda), então aprendemos muito sobre o próprio Júpiter, sua atmosfera, interior e sobre suas luas e anéis”, disse de Pater. “Mas cada vez que você aprende mais, há coisas que você ainda não entende – então você sempre precisa de mais dados.”

Algumas das maiores questões em aberto que temos sobre Júpiter dizem respeito à sua atmosfera , como como o calor se move entre as camadas da atmosfera e como a atmosfera interage com a magnetosfera.

Mas o grupo não estará apenas olhando para Júpiter em si, aprimorando detalhes como a Grande Mancha Vermelha (uma tempestade turbulenta tão vasta que pode ser vista como um ponto grande o suficiente para engolir toda a Terra) e o pólo sul do planeta ( com suas distintas auroras). Eles também estarão olhando para todo o sistema joviano, incluindo os anéis fracos do planeta e suas luas, incluindo Io e Ganimedes.

Cada um desses alvos é intrigante por si só – Io é o lugar mais vulcanicamente ativo do sistema solar, por exemplo, e Ganimedes é a única lua conhecida por produzir sua própria magnetosfera. Tomado como um todo, o sistema Jovian é o local ideal para testar os limites das capacidades do Webb.

Perscrutando o infravermelho

Para ajudar a aprender sobre esses tópicos complexos, o grupo de Pater aproveitará os recursos infravermelhos de James Webb, que permitem aos pesquisadores olhar mais profundamente a atmosfera do planeta.

Esses recursos tornam possível estudar a atmosfera além do que seria possível olhando no comprimento de onda da luz visível. “Na faixa de comprimento de onda visível, você basicamente vê nuvens”, explicou ela. “Nos comprimentos de onda infravermelhos, você pode sondar acima das nuvens e abaixo das nuvens, dependendo do comprimento de onda. Em diferentes comprimentos de onda você pode ver diferentes altitudes na atmosfera, dependendo da opacidade na atmosfera (ou seja, quanta 'luz' é absorvida em um determinado comprimento de onda determina o quão profundo se pode olhar para o planeta).”

Particularmente úteis para esta pesquisa serão os comprimentos de onda do infravermelho médio, que podem ser visualizados usando o instrumento MIRI ou Mid-Infrared da Webb.

“A maior vantagem está nos comprimentos de onda do infravermelho médio”, explicou de Pater. “Podemos observar alguns desses comprimentos de onda a partir do solo, mas a atmosfera da Terra é tão turbulenta que o que obtemos no solo, não podemos calibrar muito bem as observações.” Isso significa mais incerteza nos dados; um problema que é exacerbado pela radiação infravermelha de fundo na Terra.

Mas com um telescópio espacial como James Webb, não há atmosfera e menos radiação de fundo para atrapalhar, e isso significa que os dados coletados serão muito mais precisos. Além disso, o Webb oferece estabilidade excepcional, o que significa que pode apontar para um alvo e não oscilar, graças ao seu posicionamento no espaço. Tudo isso significa que ele pode coletar alguns dos dados mais precisos já feitos em Júpiter.

Testando os limites do Webb

Ao avaliar as propostas de como James Webb poderia ser usado, explicou de Pater, o comitê que decidiu quais projetos seguir primeiro queria ver as ideias da comunidade de astronomia sobre o que o telescópio poderia fazer. “Então eles realmente procuraram projetos que levassem o JWST ao limite”, disse ela. “É isso que nosso projeto está fazendo.”

Eles usarão todos os quatro instrumentos do Webb em diferentes combinações para diferentes alvos no sistema, para escolher diferentes características como vulcões, anéis e camadas da atmosfera do planeta.

O plano era observar Júpiter, seus anéis e suas luas Io e Ganimedes, mas vários anos depois que a equipe apresentou sua proposta, surgiu um problema inesperado – o telescópio era realmente muito sensível para grande parte do trabalho planejado em Júpiter. “O telescópio era muito mais sensível do que eles esperavam, então tivemos que mudar várias de nossas observações em Júpiter – e podemos fazer menos em Júpiter do que havíamos previsto originalmente.”

Mas a equipe ainda sabia que poderia obter dados valiosos e encontrar maneiras de fazer o trabalho que desejava. Eles mudaram fatores como quais filtros usariam e analisaram campos de visão menores.

Por que Júpiter oferece tal desafio

A ideia de que um telescópio é muito sensível pode parecer contra-intuitiva. Mas pense nisso como tirar uma fotografia de frente para o sol: todas as cores se apagam para que tudo pareça branco e desbotado e é difícil ver qualquer detalhe. A luz que vem do sol é muito brilhante, levando a uma imagem superexposta.

A mesma coisa acontece ao estudar corpos astronômicos. Os planetas não emitem muita luz em comparação com as estrelas, pois não produzem luz própria, mas apenas refletem a luz de suas estrelas. Isso torna os planetas muito mais escuros do que as estrelas em geral. Mas quando você está olhando para pequenos detalhes ou procurando por corpos ainda menores como luas, ou detalhes finos como anéis, então a luz de um planeta pode criar brilho nos dados que você está coletando.

Esse é o grande desafio ao usar o Webb para estudar as luas ou anéis de Júpiter: tentar permitir a luz do planeta para que esses pequenos objetos possam ser vistos em detalhes. Júpiter é um dos objetos mais brilhantes do céu, então essa não é uma tarefa fácil.

Felizmente, os astrônomos têm muita experiência em observar anéis planetários usando outras ferramentas como o Telescópio Espacial Hubble. “Então, usamos esse conhecimento para as observações do JWST”, explicou de Pater. A equipe observará os anéis em diferentes “ângulos de rotação”, o que significa que os anéis serão deslocados para orientações ligeiramente diferentes no detector. Observando os anéis em diferentes ângulos, eles podem ver como a luz espalhada do planeta incide sobre os anéis. Então essa luz pode ser subtraída, deixando apenas a luz dos próprios anéis.

Estudando planetas em nosso sistema solar e além

Usar o Webb para estudar Júpiter não é apenas uma maneira de testar os limites deste novo telescópio. Estudar planetas em nosso próprio sistema solar também pode ajudar a entender planetas fora de nosso sistema solar, chamados exoplanetas.

Um dos grandes objetivos da ciência de exoplanetas hoje é ir além de identificar um planeta e estimar seu tamanho ou massa, e construir uma compreensão mais completa dele, observando se ele tem uma atmosfera.

Mas para entender planetas em sistemas distantes, ajuda entender os planetas em nosso próprio. Webb estará olhando para as atmosferas de gigantes gasosos distantes, que podemos comparar com o que sabemos das atmosferas de Júpiter e Saturno.

Além disso, usando Webb para estudar Júpiter, a equipe de Pater desenvolverá um conjunto de ferramentas que podem ser usadas por outros na comunidade de astronomia para estudar outros planetas em nosso sistema solar e dar uma ideia do que Webb pode descobrir sobre eles – incluindo os planetas distantes intrigantes e raramente estudados de Urano e Netuno.

“Nossa equipe desenvolverá um software que pode ser usado para o sistema joviano, mas também para o sistema Saturno, para Urano e Netuno. E podemos mostrar às pessoas o que você pode esperar com base em nossas observações”, disse Pater. “Definitivamente, é um desbravador nesse sentido.”