Aqui está o que o Telescópio Espacial James Webb irá mirar a seguir

O mundo se reuniu na semana passada em uma rara demonstração de unidade internacional para admirar as primeiras imagens científicas produzidas pelo Telescópio Espacial James Webb. Décadas em construção e resultado dos esforços de milhares de pessoas de todo o mundo, o telescópio está pronto para revolucionar a astronomia, permitindo-nos observar mais profundamente o cosmos do que nunca.

Webb tem o maior espelho já lançado no espaço, bem como o maior escudo solar, e é o telescópio espacial mais poderoso já construído. As primeiras imagens são apenas uma amostra do que esta notável peça de tecnologia é capaz de fazer. Então, para saber mais sobre quais futuras pesquisas científicas serão possibilitadas por esse gigante, conversamos com Mark McCaughrean, Cientista Interdisciplinar Webb da Agência Espacial Européia.

McCaughrean será um dos primeiros pesquisadores a usar Webb para seu trabalho na Nebulosa de Órion , e está envolvido no planejamento do telescópio há mais de 20 anos. Ele nos contou tudo sobre como Webb vai empurrar as fronteiras da astronomia e possibilitar descobertas que nem começamos a imaginar.

Vendo o universo em infravermelho

Quando os astrônomos começaram a imaginar Webb na década de 1980, eles tinham um plano específico em mente: eles queriam uma ferramenta de pesquisa cosmológica para olhar para as primeiras galáxias do universo.

Os cientistas sabiam que essas galáxias primitivas estavam lá fora e estavam perto de serem acessíveis para nós porque o Telescópio Espacial Hubble havia observado algumas galáxias bem antigas. Ao olhar no comprimento de onda da luz visível, o Hubble conseguiu identificar centenas dessas galáxias, que se formaram algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang. Mas essas galáxias já haviam se formado, e os pesquisadores queriam olhar ainda mais para trás, para vê-las realmente se formando.

Para fazer isso, eles precisavam de uma ferramenta que pudesse olhar no comprimento de onda do infravermelho, além da luz visível. Isso porque as primeiras galáxias emitiam luz visível, assim como as galáxias de hoje. Mas o universo está se expandindo ao longo do tempo, e isso significa que as galáxias que vemos no céu estão se afastando de nós. Quanto mais velha a galáxia, mais distante ela está. E essa distância causa um fenômeno chamado redshift.

Semelhante ao efeito Doppler, no qual os sons mudam seu tom percebido à medida que a distância entre a fonte e o observador muda, o comprimento de onda da luz muda à medida que sua fonte se afasta de nós. Esta luz é deslocada para a extremidade mais vermelha do espectro, daí o nome redshift.

As galáxias mais antigas, então, têm luz que é tão desviada para o vermelho que não é mais observável como luz visível. Em vez disso, é visível como infravermelho – e esse é o comprimento de onda em que o Webb opera.

É assim que o Webb é capaz de detectar e identificar as galáxias mais antigas. Se Webb pode ver uma galáxia que está brilhando intensamente no infravermelho, mas que é fraca ou invisível para telescópios baseados principalmente em luz visível como o Hubble, então os pesquisadores podem ter certeza de que encontraram uma galáxia que é extremamente desviada para o vermelho – o que significa que é muito longe e, portanto, muito antigo.

Mesmo na primeira imagem de campo profundo do Webb, você pode ver algumas galáxias extremamente antigas. O aglomerado de galáxias que é o foco da imagem tem 4,6 bilhões de anos, mas por causa de sua massa, ele dobra o espaço-tempo ao seu redor. Isso significa que a luz vinda das galáxias atrás desse aglomerado também é dobrada, então o aglomerado age como uma lupa em um efeito chamado lente gravitacional. Algumas das galáxias vistas neste campo profundo têm cerca de 13 bilhões de anos, o que significa que se formaram no primeiro bilhão de anos do universo.

Expandindo para fazer mais

Se o Webb foi originalmente conceituado como uma ferramenta de cosmologia, logo se expandiu para se tornar muito mais do que isso.

Ao longo de décadas de planejamento para o Webb, os designers perceberam que a ferramenta que estavam construindo poderia ser usada para campos muito mais diversos do que apenas cosmologia. Eles adicionaram novos instrumentos, como o MIRI, que olha no comprimento de onda do infravermelho médio em vez do infravermelho próximo e é mais útil para estudar a formação de estrelas e planetas do que a cosmologia. Essa diferença traz seu próprio desafio, pois este instrumento possui detectores diferentes dos outros instrumentos e requer seu próprio cooler . Mas, junto com outros instrumentos, expande o que o Webb pode fazer em toda uma gama de possibilidades.

“O foco original do telescópio era muito mais no universo com alto desvio para o vermelho”, resumiu McCaughrean. “Esse foi o objetivo mais alto, encontrar essas primeiras estrelas e galáxias que se formaram após o Big Bang. Todo o resto depois disso é um 'bom ter'. Mas ao longo do andamento do projeto, conseguimos transformar isso em quatro temas: cosmologia, formação de estrelas, ciência planetária e evolução das galáxias. E garantimos que o observatório seria capaz de tudo isso.”

Câmeras e espectrógrafos

O Webb tem quatro instrumentos a bordo: a Near-Infrared Camera ou NIRCam, o Near-Infrared Spectrograph ou NIRSpec, o Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph ou NIRISS, e o Mid-Infrared Instrument ou MIRI. Há também um sensor chamado Fine Guidance Sensor (FGS), que ajuda a apontar o telescópio na direção certa.

Os instrumentos são uma mistura de câmeras e espectrógrafos, que são instrumentos para dividir a luz em diferentes comprimentos de onda para que você possa ver quais comprimentos de onda foram absorvidos. Isso permite que você veja do que um objeto é composto, observando a luz que ele emite.

Embora as imagens tiradas pelas câmeras atraiam a maior atenção do público, os espectrógrafos não devem ser subestimados como uma ferramenta científica. Cerca de metade do tempo de observação atualmente alocado é dedicado à espectroscopia, para tarefas como analisar a composição de atmosferas de exoplanetas. Em parte, isso ocorre porque leva mais tempo para obter um espectro de um objeto do que para obter uma imagem dele e, em parte, porque a espectroscopia pode fazer coisas que a imagem não pode.

Câmeras e espectrógrafos também funcionam juntos, pois os filtros usados ​​na geração de imagens são úteis para selecionar objetos a serem estudados com os espectrógrafos.

“Imagine que você faça um campo profundo, tirando algumas imagens profundas com o NIRCam”, explicou McCaughrean. “Então você usa filtros diferentes para selecionar candidatos, porque haverá muitas coisas para olhar nesse campo, uma a uma, com espectroscopia. Portanto, você precisa da imagem para encontrar os candidatos”, como observar as cores em uma imagem para decidir que um determinado objeto é, digamos, uma galáxia com alto desvio para o vermelho e não uma estrela próxima fraca.

Isso já foi demonstrado na prática, com a primeira imagem de campo profundo do Webb . A imagem foi feita com a câmera NIRCam, que foi capaz de capturar um grande número de galáxias próximas e distantes em uma imagem impressionante. Em seguida, alvos específicos, como uma galáxia com mais de 13 bilhões de anos , foram escolhidos e observados com o espectrógrafo NIRSpec, coletando dados sobre a composição e temperatura dessa galáxia primitiva.

“É um espectro tão bonito e limpo”, disse McCaughrean. “Ninguém nunca viu nada assim antes de qualquer lugar. Portanto, agora sabemos que esta máquina funciona de forma incrivelmente poderosa.”

Vários modos

Para entender todos os recursos do Webb, você deve saber que os quatro instrumentos não têm apenas um modo cada – eles podem ser usados ​​de várias maneiras para observar diferentes alvos. No total, existem 17 modos entre os quatro instrumentos, e cada um deles teve que ser testado e verificado antes que o telescópio fosse declarado pronto para iniciar as operações científicas.

Por exemplo, pegue o instrumento NIRSpec. Ele pode realizar vários tipos de espectroscopia, incluindo espectroscopia de fenda fixa, que é um modo altamente sensível para investigar alvos individuais (como analisar a luz emitida pela fusão de estrelas de nêutrons chamadas kilonova), ou espectroscopia de unidade de campo, que analisa espectros para vários pixels em uma pequena área para obter informações contextuais sobre um alvo (como olhar para uma galáxia extremamente distante que foi deformada por lentes gravitacionais).

O terceiro tipo de espectroscopia que o NIRSpec faz é algo realmente especial chamado espectroscopia de múltiplos objetos. Ele usa pequenas persianas semelhantes a janelas dispostas em um formato chamado matriz de microobturadores. “Eles são basicamente pequenos dispositivos com alguns centímetros de diâmetro, dos quais temos quatro. Em cada um desses dispositivos, existem 65.000 pequenas persianas individuais”, disse McCaughrean.

Cada uma dessas persianas pode ser controlada individualmente para abrir ou fechar, permitindo que os pesquisadores selecionem quais partes de um campo estão olhando. Para usar esses microobturadores, os pesquisadores primeiro tiram uma imagem usando outro instrumento como o NIRCam para selecionar os objetos de interesse. Em seguida, eles ordenam que as persianas correspondentes a esses objetos de interesse se abram, enquanto as outras permanecem fechadas.

Isso permite que a luz dos alvos, como galáxias específicas, brilhe nos detectores do telescópio, sem permitir que a luz do fundo também vaze. “Ao abrir apenas a porta onde a galáxia está e fechar todas as outras portas, quando a luz vem desse objeto, ela se espalha em um espectro, e você não tem toda a outra luz passando”, disse McCaughrean. . “Isso o torna mais sensível.”

Essa espectroscopia de múltiplos objetos pode ser usada para observar galáxias particulares em imagens de campo profundo, o que é especialmente útil para estudar as primeiras galáxias que são altamente desviadas para o vermelho. E esse método é capaz de obter espectros de até 100 objetos de uma só vez – tornando-se uma maneira muito eficiente de coletar dados.

Lidando com muita luz

Como os microobturadores demonstram, uma parte complicada de trabalhar com instrumentos altamente sensíveis é lidar com muita luz. Veja o trabalho que James Webb fará em Júpiter em seus primeiros meses de operação – é realmente muito difícil imaginar os anéis e luas ao redor de Júpiter porque o próprio planeta é muito brilhante. Se o objeto fraco que você está tentando observar estiver próximo a um muito brilhante, ele pode apagar suas leituras, de modo que tudo o que você vê é a luz do objeto mais brilhante.

Um problema semelhante surge quando você tenta observar exoplanetas distantes, que são muito fracos em comparação com as estrelas que orbitam. Para lidar com esse desafio, James Webb tem outro truque na manga chamado coronagrafia.

Tanto o NIRCam quanto o MIRI possuem modos de coronagrafia, a forma mais simples é colocar um pequeno disco de metal na frente do objeto brilhante para bloquear sua luz. Então você pode observar as outras fontes de luz mais fracas ao seu redor com mais facilidade. Mas essa abordagem tem suas limitações: se o objeto brilhante se mover atrás do disco, sua luz pode se espalhar pelas bordas e arruinar as observações. Você poderia tornar o disco menor para bloquear apenas o ponto central mais brilhante do objeto, mas ainda teria muito excesso de luz para lidar. Você poderia aumentar o disco, mas bloquearia outros objetos que estão próximos ao objeto brilhante.

Portanto, há outra forma desse modo de coronagrafia que usa hardware chamado máscara de fase de quatro quadrantes. “Esta é uma ótica muito inteligente”, disse McCaughrean. “Ele não tem um disco de metal, mas tem quatro pedaços diferentes de vidro que transmitem diferentes fases à luz que entra. Quando pensamos na luz como uma onda, e não como fótons, a luz tem uma fase. Se você colocar a fonte brilhante na cruz onde essas quatro placas de fase diferentes se encontram, você pode resolver isso de tal forma que a luz realmente se cancela da estrela, devido ao efeito de interferência das ondas.”

Isso significa que se você alinhá-lo exatamente para que o objeto brilhante fique exatamente no meio desses quadrantes, a luz da estrela será cancelada, mas a luz de outros objetos, como planetas, ainda será visível. Isso o torna ideal para observar exoplanetas orbitando perto de suas estrelas hospedeiras que, de outra forma, seriam impossíveis de ver.

Fazendo uso do tempo

Outra maneira de lidar com uma mistura de objetos claros e escuros é fazer várias leituras ao longo do tempo. Ao contrário de algo como o seu telefone, que tira uma foto e reinicia imediatamente, os detectores no Webb podem fazer várias leituras sem reinicializar.

“Assim, podemos tirar uma série de fotos ao longo do tempo com o mesmo detector, pois ele acumula a luz das fontes fracas”, explica McCaughrean. “Mas quando analisamos os dados, podemos usar as primeiras imagens para as fontes brilhantes antes que elas saturem e, em seguida, continuar acumulando luz das fontes fracas e obter a sensibilidade. Ele efetivamente estende a faixa dinâmica lendo os detectores várias vezes.”

Outro modo em que os instrumentos podem operar é chamado de observações de séries temporais, que basicamente consiste em fazer muitas leituras uma após a outra para capturar objetos que mudam ao longo do tempo. Isso é útil para capturar objetos que piscam, como estrelas de nêutrons pulsantes chamadas magnetares, ou para observar exoplanetas que se movem pela face de sua estrela hospedeira em um movimento chamado trânsito.

“À medida que um planeta transita na frente da estrela, você quer pegá-lo nas bordas do trânsito, bem como no meio do trânsito”, disse McCaughrean. “Então você continua assistindo e continua coletando dados.”

Um desafio com esse método é que ele exige que o telescópio fique em um alinhamento quase perfeito, porque se ele se mover um pouco, ele introduzirá ruído nos dados. Mas a boa notícia é que o telescópio está funcionando extremamente bem em termos de apontar para um objeto e permanecer no lugar, graças ao sensor de orientação fina que trava em estrelas próximas e se ajusta a quaisquer distúrbios, como ventos solares.

Desafios em trabalhar com Webb

Tal como acontece com cada peça de tecnologia, existem limitações sobre o que o Webb pode fazer. Uma das grandes limitações práticas para os cientistas que usam o Webb é a quantidade de dados que eles podem coletar do telescópio. Ao contrário do Hubble, que orbita ao redor da Terra, Webb orbita o Sol em uma posição chamada L2 .

Isso fica a cerca de 1 milhão de milhas de distância da Terra, então o Webb está equipado com uma poderosa antena de rádio que pode enviar dados de volta à Terra a uma taxa de 28 megabits por segundo. Isso é bastante impressionante – como McCaughrean apontou, é substancialmente mais rápido do que o Wi-Fi em seu hotel que estávamos usando para conversar, mesmo a uma distância muito maior – mas não é perto da quantidade total de dados que os instrumentos podem receber por segundo.

O observatório tem uma pequena quantidade de armazenamento em estado sólido, em torno de 60 GB , que pode gravar dados por um curto período de tempo se os instrumentos estiverem coletando mais dados do que podem ser enviados de volta, atuando como um buffer. Isso pode não parecer muito em comparação com o tipo de armazenamento que você normalmente obtém em um telefone ou laptop, mas os requisitos de hardware que são seguros contra radiação e podem suportar décadas de uso são bastante diferentes.

Essa limitação significa que os pesquisadores precisam ser seletivos sobre quais dados priorizam nos downlinks do telescópio, escolhendo apenas os dados mais vitais para suas necessidades. Você pode se perguntar por que o Webb não está posicionado mais próximo da Terra nesse caso, mas a órbita L2 é essencial para a maneira como opera – e o motivo é devido às temperaturas.

“As pessoas pensam que o espaço é frio, bem, não se você estiver ao lado de um grande objeto que o aquece todos os dias como a Terra ou o Sol”, disse McCaughrean. “Então, se você quiser olhar no infravermelho, precisa ter certeza de que seu telescópio está incrivelmente frio, para que não emita nos comprimentos de onda que você está tentando detectar.” É por isso que o Webb tem um enorme protetor solar para ajudar a mantê-lo fresco e por que está em L2 para que o protetor solar possa bloquear o calor do sol e da Terra.

“Construímos um observatório que precisa estar em L2, precisa estar lá para esfriar, para que possa entregar essa ciência. E como está em L2, temos apenas uma certa largura de banda”, explicou McCaughrean. “Não existe almoço grátis, digamos assim.”

A comunidade decide

O primeiro ano de observações do Webb é cuidadosamente planejado. Nos primeiros cinco meses de operações científicas, ele trabalhará em programas científicos de lançamento antecipado , que são aqueles projetados para ultrapassar os limites do hardware do Webb e ver do que ele é capaz. Em seu primeiro ano, trabalhará em programas selecionados para o Ciclo 1 , incluindo pesquisas sobre exoplanetas, buracos negros, campos profundos e muito mais.

Além disso, porém, o trabalho futuro a ser feito usando o Webb é amplamente aberto. Os pesquisadores apresentam propostas de quais dados desejam coletar usando o Webb, e essas propostas são revisadas por pares para selecionar aquelas que são mais interessantes cientificamente. “A comunidade decide o que fazer com o observatório”, disse McCaughrean.

Esse envolvimento da comunidade já mudou a maneira como o Webb é usado – por exemplo, a pesquisa de exoplanetas atualmente ocupa cerca de um terço do tempo de observação disponível na primeira rodada de pesquisa. Quando McCaughrean e seus colegas estavam planejando como o Webb poderia ser usado no início dos anos 2000, eles não imaginavam que haveria tanta pesquisa de exoplanetas sendo feita porque poucos exoplanetas haviam sido descobertos naquela época.

Isso torna o Webb diferente de missões com um propósito muito específico, como o observatório Gaia da ESA, projetado especificamente para fazer um mapa 3D da galáxia, e mais como o Hubble, projetado para atender a muitas necessidades de pesquisa. “É definitivamente um observatório de uso geral”, disse McCaughrean. “Você só precisa olhar para o Hubble e como ele evoluiu ao longo dos anos. Em parte através da colocação de novos instrumentos, mas principalmente através da comunidade científica decidindo que existem diferentes prioridades e diferentes áreas que precisam ser feitas.”

Essa flexibilidade é possível porque o Webb foi projetado para ser útil para pesquisas em vários campos — incluindo aplicativos nos quais ainda não pensamos. O Webb está projetado para durar pelo menos 20 anos, e mal começamos a explorar o que ele poderia fazer nesse período.

“Essa é a coisa excitante. Se você construir um observatório de propósito geral muito poderoso e muito capaz, ele será limitado de muitas maneiras apenas pela criatividade da comunidade”, disse McCaughrean. “Webb é o que fazemos dele agora.”