O Telescópio Espacial James Webb está prestes a turbinar nossa caça aos exoplanetas

Quando o recém-lançado James Webb Space Telescope se desdobrar totalmente e ficar online, não será apenas mais uma ferramenta para os astrônomos explorarem o universo. Com sua tecnologia de espectroscopia de ponta, ele será capaz de perscrutar a escuridão do espaço e ver objetos distantes com mais detalhes do que nunca – muito mais do que seu antecessor, o Telescópio Espacial Hubble. Isso vai revolucionar nossa compreensão dos exoplanetas e pode até nos ajudar a aprender sobre de onde viemos e onde mais no universo podemos ser habitáveis.

Para saber como o Telescópio Espacial James Webb nos ajudará a estudar bolas giratórias de rochas a trilhões de quilômetros de distância (e por que os astrônomos querem), conversamos com dois pesquisadores que trabalharão com James Webb após a implantação: Néstor Espinoza, do Space Telescope Science Institute e Antonella Nota da Agência Espacial Europeia (ESA).

Um salto gigante para a frente

Nos últimos anos, os pesquisadores identificaram planetas fora do nosso sistema solar usando telescópios como o TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) ou o telescópio espacial Kepler . Eles são capazes de olhar para as estrelas mais brilhantes e ver mudanças em seu brilho quando um planeta passa entre eles e nós usando uma técnica chamada método de trânsito . Este é um feito impressionante de observação científica, mas não nos diz muito sobre como são esses planetas – apenas seu tamanho aproximado e, ocasionalmente, sua massa.

Se quisermos saber como é um planeta – ele tem uma atmosfera? do que é composto? existem nuvens no céu? tem água aí? – precisamos olhar muito, muito mais detalhadamente. É isso que Webb fará, mas é um enorme desafio técnico. É por isso que a NASA, a ESA e a Agência Espacial Canadense (CSA) estão todas trabalhando juntas neste projeto.

“Webb é cem vezes mais sensível que Hubble e, por isso, Webb será capaz de revelar os menores detalhes nos cantos mais longínquos de um universo muito distante, com resolução primorosa”, explica Nota.

Embora o Hubble tenha sido usado para aprender mais sobre exoplanetas, Espinoza disse, “a visão que ele oferece é muito limitada. Oferece um recurso, talvez. ” Em comparação, ele disse, Webb será “alucinante”, permitindo-nos ver vários recursos ao mesmo tempo e observar planetas menores. “Vai ser a nossa primeira mudança de olhar para planetas menores em grandes detalhes.”

O Hubble também funciona no comprimento de onda da luz visível, capturando imagens na faixa de luz que podemos ver. Mas James Webb estará trabalhando no comprimento de onda infravermelho, que pode detectar diferentes características e espiar através da poeira obscurecida, “abrindo uma janela para o universo que será completamente novo”, como disse Nota.

Hubble e Webb poderão trabalhar juntos, reunindo dados complementares nos mesmos alvos. Portanto, se você adora as belas imagens do espaço capturadas pelo Hubble , não se preocupe, elas não irão desaparecer. Estaremos simplesmente ganhando outra ferramenta para um entendimento ainda mais profundo.

“James Webb vai ser revolucionário. Literalmente revolucionário ”, disse Espinoza. “Isso nos permitirá ver coisas que esperávamos detectar há muito tempo, mas não tínhamos a tecnologia para ver, e tenho quase certeza de que detectará coisas que não estamos pensando.”

Atualizando a tecnologia da década de 1980 do Hubble

Os pesquisadores fizeram um trabalho notável para encontrar e aprender sobre exoplanetas usando os instrumentos disponíveis atualmente, descobrindo mais de 4.000 exoplanetas até agora. No entanto, este campo é muito recente, com os primeiros planetas fora do nosso sistema solar identificados na década de 1990. Isso significa que muitos instrumentos da geração atual, como o Hubble, nunca foram projetados com estudos de exoplanetas em mente.

“Hubble é a tecnologia dos anos 80”, disse Espinoza. “Nada contra os anos 80 – eu amo os anos 80, especialmente a música! – mas a tecnologia evoluiu muito. O tipo de detectores que tínhamos naquela época não são nada comparados aos tipos de detectores que temos agora. ”

James Webb, por outro lado, foi projetado com a intenção específica de ser usado para caracterização de exoplanetas, e isso tem estado na vanguarda de seus princípios de design. Por exemplo, quando Webb está apontando para uma estrela, ele apontará para um determinado pixel com precisão muito alta e não se moverá, permitindo aos pesquisadores medir com muita precisão quaisquer quedas de brilho que possam dar pistas sobre um planeta em órbita .

Esse nível de precisão permite que Webb execute sua função mais interessante relacionada a exoplanetas: detectar se um exoplaneta tem uma atmosfera e de que composição essa atmosfera. “Os pequenos detalhes que importam muito quando você está tentando detectar atmosferas de exoplanetas”, explicou Espinoza.

Investigando exoplanetas usando luz infravermelha

Embora os pesquisadores tenham descoberto maneiras muito criativas de detectar atmosferas de exoplanetas , não é algo para o qual os instrumentos atuais foram projetados. É por isso que os recursos de Webb serão tão revolucionários.

Para perscrutar o universo, Webb possui quatro instrumentos que examinam o comprimento de onda infravermelho. Eles incluem a câmera de infravermelho próximo (NIRCam) e o espectrógrafo de infravermelho próximo (NIRSpec). Depois, há o Sensor de Orientação Fina / Imageador de infravermelho próximo e o espectrógrafo sem fenda (FGS / NIRISS), que, como seus nomes sugerem, ficará na faixa do infravermelho próximo. Finalmente, há o Instrumento de infravermelho médio (MIRI), que analisa uma ampla faixa no infravermelho distante.

Mas esses são instrumentos sensíveis e requerem um ambiente cuidadosamente mantido para funcionar. Portanto, a tecnologia em torno deles também deve ser de ponta.

“Webb está repleto de tecnologias novas e complexas, desde os detectores de infravermelho sensíveis até a proteção solar Kapton do tamanho de uma quadra de tênis e cinco camadas que protegerá a instrumentação da radiação solar e permitirá que o telescópio e os detectores atingir a temperatura fria necessária para observar no infravermelho ”, disse Nota.

Ela também destacou os detalhes finos dos instrumentos, como a matriz de microshutter do NIRSpec, que é um conjunto de pequenas janelas com venezianas do tamanho de alguns fios de cabelo humanos. Isso permitirá que o instrumento observe centenas de objetos ao mesmo tempo. “Uma novidade absoluta na astronomia espacial, onde a espectroscopia é tradicionalmente feita um objeto por vez”, disse Nota.

Entender de onde viemos

O ímpeto para ver se um planeta distante tem atmosfera não é apenas um floreio científico ou uma curiosidade ociosa sobre como são esses lugares distantes. Em vez disso, é a chave para entender como os planetas – incluindo o nosso – são criados.

Quando se trata de entender como nosso sistema solar se formou, os pesquisadores rodam modelos e tentam ver como poderíamos ter terminado com a composição dos planetas que vemos. “Mas atualmente temos um tamanho de amostra de um”, destacou Espinoza. "Nosso sistema solar. É isso. Agora estamos em uma era em que podemos examinar as composições de outros sistemas solares. E como os planetas se formam define sua composição química. ”

Então, quando olhamos para a atmosfera de um exoplaneta distante, aprendemos como ele surgiu. E a partir disso, podemos construir uma imagem de como os planetas e sistemas solares se formam com base em mais casos do que apenas aquele em nosso quintal. “Portanto, obter essas dicas de assinaturas de formação nesses exoplanetas por meio da química que observamos em suas atmosferas é absolutamente fundamental para entendermos como eles surgiram e, portanto, como viemos a existir”, disse ele.

Caça para habitabilidade

Talvez a razão mais empolgante para observar as atmosferas de exoplanetas seja entender onde mais a vida no universo poderia florescer. “Uma das principais questões que Webb estudará é a origem da vida”, disse Nota. “Existem enormes variedades de exo-mundos, mais do que poderíamos ter imaginado. Existem planetas gasosos do tamanho de Júpiter orbitando muito perto de sua estrela, enormes 'super-Terras' rochosas e 'Neptunes quentes'. Alguns deles podem ter as condições certas de temperatura e a composição certa para hospedar a vida. ”

Mas para determinar se um planeta é habitável, disse Espinoza, não é suficiente apenas saber seu tamanho e massa. Afinal, quando encontramos um planeta do tamanho da Terra e massa semelhante, as pessoas costumam presumir que será um lugar semelhante à Terra. Mas Vênus e Marte têm tamanhos e massas aproximadamente semelhantes aos da Terra e têm atmosferas extremamente inóspitas para nossa forma de vida. “Vênus é o pior lugar para ir de férias!” ele brincou, com sua imensa pressão e atmosfera tóxica cheia de dióxido de carbono. Marte não é muito melhor, com sua atmosfera extremamente fina e irrespirável, que tem apenas 1% da densidade da nossa atmosfera na Terra.

Portanto, precisamos saber sobre as atmosferas para saber se um planeta individual é habitável. E ainda mais importante, para obter uma estimativa de quantos planetas habitáveis ​​podem haver por aí, precisamos saber quais tipos de atmosfera são típicos para planetas do tamanho do nosso. “Qual é a atmosfera mais comum que a natureza forma?” Perguntou Espinoza. “Pode ser como Vênus ou como Marte, e a Terra é uma exceção.” Ou pode ser que as atmosferas semelhantes às da Terra sejam típicas e o número de planetas potencialmente habitáveis ​​lá fora seja enorme.

Alcançando o desconhecido

Webb não estará olhando apenas para exoplanetas. Ele estará realizando uma vasta gama de pesquisas, desde olhar para trás nas primeiras fases do universo para ver as primeiras galáxias se formando, até observar como as estrelas nascem de poeira e gás em turbilhão. Com seu primeiro ano de operações científicas planejado , estamos apenas descobrindo o que esta nova ferramenta poderia ser usada. Teremos que esperar e ver que outras maravilhas astronômicas ele será capaz de desvendar.

“Acho que a maior descoberta será aquela que ninguém espera”, disse Nota. “Aquele que mudará a forma como vemos o universo, aquele que definirá, talvez de uma vez por todas, qual é o nosso lugar no universo.”