Resumo

Os grandes observatórios do mundo, atráves de telescópios, têm como objectivo procurar focar numa determinada faixa do espectro eletromagnético, a fim de obter uma análise mais precisa e mais profunda de cada espectro e desta forma melhor entender como o Universo nasceu, como ele é, como será e como ele se desenvolve ao longo do tempo, bem como obter conhecimentos mais precisos sobre a idade do universo primitivo, de buracos negros supermassivos, de exoplanetas, do nascimento e de espasmos estelares e ainda sobre a expansão acelerada do universo. Assim, por várias ocasiões, um mesmo corpo celeste pode ser observado por distintos telescópios, obtendo uma visão mais profunda sobre ele.

Neste contexto, uma série de telescópios espaciais revolucionários lançados ao longo da década de 1990 e no início dos anos 2000, incluindo o famoso Telescópio Espacial Hubble, revelaram muitas novas facetas do nosso Universo. Agora, a tão esperada era dos novos grandes observatórios em que Angola quer fazer parte através do seu histórico na Funda, está a começar com a era do bem-sucedido lançamento do Telescópio JWST (James Webb Space Telescope), no passado dia 25 de Dezembro de 2021, na Guiana Francesa, a bordo de um dos foguetes Ariane 5 da Agência Espacial Europeia e posteriormente levado a uma distância de aproximadamente 0,01 UA (1.495.980 km), até o ponto de Lagrange L2.

O JWST foi planeado e construído para ser o grande sucessor dos telescópios espaciais de nova geração, tais como o telescópio Hubble, marcado por grandes descobertas científicas. Neste artigo além de fazermos um breve interlúdio histórico, também explicamos de forma sucinta os objectivos, a missão e a ciência envolvida no JWS, características inovadoras que traz consigo bem como a sua localização espacial em uma posição conhecida como L2 em relação ao sistema Sol-Terra, que nos remete ao mais celebrado problema da dinâmica, que é o problema de três corpos.

Palavras-chaves: Pontos de Lagrange, Telescópio JWST, problema de três corpos, espectro electromagnético.

1. Introdução

O ano de 2021 foi um marco para uma nova era das observações espaciais e o motivo de tanta alegria deveu-se ao lançamento do telescópio espacial JWST, no passado dia 25 de Dezembro de 2021, na Guiana Francesa, a bordo de um dos foguetes Ariane 5 da Agência Espacial Europeia.

Os planos para este grande observatório já haviam começado mesmo antes do lançamento do Telescópio Espacial Hubble, na década de 1990, com a proposta de um grande telescópio espacial operando no infravermelho – próximo do espectro electromagnético conhecido como Telescópio Espacial da Próxima Geração. O trabalho nesse projecto começou no início dos anos 2000, quando o telescópio foi também oficialmente renomeado para Telescópio Espacial James Webb, em homenagem ao ex-Director da NASA, James Edwin Webb (1906-1992). Ao longo de duas décadas, o telescópio foi montado e testado rigorosamente para garantir que funcionasse conforme o esperado ao atingir o seu destino, a 1,5 milhões de quilômetros da Terra, visto que no JWST não está prevista a manutenção no espaço.

O Telescópio Espacial James Webb (JWST) é um telescópio espacial conjunto da  NASA – ESA – CSA, que foi planeado para suceder ao Telescópio Espacial Hubble, como a missão astrofísica carro-chefe da NASA. O JWST fornece resolução infravermelha aprimorada e sensibilidade em relação ao Hubble e permite uma ampla gama de investigações nos campos da astronomia e cosmologia, incluindo a observação de alguns dos eventos e objetos mais distantes do universo, como a formação das primeiras galáxias.

1. Design e tamanho do JWST

O espelho principal do JWST, o elemento do Telescópio Óptico, é composto de dezoito segmentos de espelho hexagonal de 1,32 metros de diâmetro feito de berílio banhado a ouro que se combinam para criar um espelho de 6,5 metros de diâmetro, consideravelmente maior do que o espelho de 2,4 metros do Hubble. Ao contrário do telescópio Hubble, que observa nos espectros ultravioleta próximo, visível e infravermelho próximo (0,1 a 1 μm), o JWST observará em uma faixa de frequência mais baixa, desde a luz visível de longo comprimento de onda até o infravermelho médio (0,6 a 28,3 μm)  (veja a Fig. 1), o que permitirá que ele observe objetos com alto red-shift que são muito antigos e distantes para o Hubble observar. O telescópio deve ser mantido bem frio a fim de observar no infravermelho sem interferência, então ele está implantado no espaço próximo ao ponto Terra-Sol L2 de Lagrange, e uma grande proteção solar feita de alumínio e silício denominado Kapton revestido manterá seu espelho e instrumentos abaixo de 50 K (−223,2 ° C ou −369,7 ° F).

Figura 1: Espectro electromagnético e os limites de alcance do JWST em relação ao Hubble.

Devido ao seu tamanho, os espelhos e a protecção solar do JWST foram planeados para desdobrarem-se ao longo das primeiras semanas no espaço a caminho de L2, o que já ocorreu com sucesso. Seu famoso espelho primário em forma de favo de mel consiste de 18 segmentos hexagonais, feitos com berílio leve e revestidos com uma fina camada de ouro para melhorar a reflexão de luz infravermelha (veja a Fig. 2). Para comparação, o espelho do Hubble tem apenas 2,4 metros de diâmetro. Um dos princípios fundamentais da astronomia é: quanto maior a superfície que você tem para coletar luz, melhores imagens podemos obter  e neste aspecto o JWST é o maior telescópio no espaço até agora. Anos de inovação e testes foram necessários para tornar esse design de espelho possível.

Figura 2: Comparação entre uma pessoa, o espelho primário do Hubble (2,4 m) e o espelho primário do JWST (6,5 metros).

3.       Missão e duração do JWST

Diferente do Hubble, que orbita a Terra, o JWST está longe do nosso planeta, muito além de onde astronautas poderiam consertá-lo. O telescópio deve orbitar próximo do segundo ponto de Lagrange, L2, uma região de equilíbrio gravitacional entre a Terra e o Sol (veja a Fig. 2). Isso é porque o telescópio precisa funcionar a temperaturas bem baixas para observar com sucesso no infravermelho, de modo que deve estar longe da luz brilhante do Sol, da Lua e da Terra para mantê-lo fresco. Para ajudar nisso, o telescópio também está equipado com um escudo solar do tamanho de uma quadra de tênis, que o protege da luz solar para mantê-lo frio.

O JWST tem quatro objetivos científicos principais:

• procurar luz das primeiras estrelas e galáxias que se formaram no Universo após o Big Bang;
• estudar a formação e evolução das galáxias;
• entender a formação de estrelas e sistemas planetários;
• estudar os sistemas planetários e as origens da vida.

Esses objectivos podem ser alcançados de forma mais eficaz pela observação em luz infravermelha próxima, em vez de luz na parte visível do espectro. Por este motivo, os instrumentos do JWST não medirão luz visível ou ultravioleta como o telescópio Hubble, mas terão uma capacidade muito maior para realizar astronomia infravermelha . O JWST será sensível a uma faixa de comprimentos de onda de 0,6 (luz laranja) a 28 micrômetros (radiação infravermelha profunda a cerca de 100 K (−173 ° C; −280 ° F)).

A duração planeada para a missão é de 5 anos, mas há combustível suficiente a bordo para o JWST manter sua órbita em L2 por 10 anos. Embora pareça um pouco assustador que o telescópio esteja muito longe para ser consertado, não é o primeiro telescópio a estar em uma órbita distante, pois os telescópios Spitzer e Herschel tiveram missões bem-sucedidas longe da Terra.

Figura 3: Órbita do JWST em torno de L2, com o Sol, a Lua e a Terra como referência.

4.         A ciência e tecnologia escondida no JWST

O JWST foi projectado para observar no infravermelho próximo e médio. O infravermelho nos permite olhar através da poeira do universo, como o Telescópio Espacial Spitzer fez, mas com seu espelho maior, o JWST terá uma resolução incrível.

O telescópio está equipado com quatro instrumentos principais: a Near Infrared Camera (NIRCam), o Near Infrared Spectrograph (NIRSpec), o Mid-Infrared Instrument (MIRI) e o Fine Guidance Sensor/Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS). A NIRCam é o principal instrumento de imagem do JWST, observando no infravermelho de 0,6 a 5 mícrons, e contém um coronógrafo para bloquear a luz de estrelas e detectar objectos fracos, como planetas. O NIRSpec também opera de 0,6 a 5 mícrons, mas tem um trabalho diferente: obter espectros de objetos para determinar suas composições e outras propriedades. Ele pode obter até 100 espectros simultaneamente graças a uma nova tecnologia chamada matriz de micro-obturadores, que permite aos astrônomos bloquear estrategicamente partes do céu para focar apenas nos objetos de interesse.

O MIRI opera no infravermelho mais distante, de 5 a 28 mícrons, com uma câmara de imagem e um espectrógrafo. Para observar esses comprimentos de onda longos, o MIRI é resfriado ativamente usando um criorefrigerador que mantém sua temperatura abaixo de 7 Kelvin (-266ºC). A parte FGS do FGS/NIRISS ajuda o JWST a apontar corretamente para seus alvos, e o NIRISS fornece outros recursos de observação especializados para complementar o NIRCam e o NIRSpec na faixa de 0,6 a 5 mícrons.

Todos estes instrumentos são projectados para atender aos objectivos científicos da missão. Com seus poderosos recursos de infravermelho, o JWST poderá observar o passado do Universo, revelado por objectos distantes, cuja luz viajou por bilhões de anos até chegar à Terra. Como o Universo está se expandindo, a luz de objetos distantes é desviada para o vermelho devido ao efeito Doppler, de modo que os objetos mais distantes do Universo precisam ser observados no infravermelho.

Em menor escala, o JWST examinará a poeira ao redor de regiões de formação de estrelas e planetas para entender melhor esse processo. Embora tenhamos uma boa ideia de como as estrelas se formam, ainda há muitas questões pendentes: por que tantas estrelas se formam em grupos? Como as estrelas espalham elementos pesados pela galáxia quando morrem? Quais são os detalhes de como os planetas se formam?

1. Características, proteção solar e óptica do JWST

O JWST é orientado para a astronomia do infravermelho próximo, mas também pode ver a luz visível laranja e vermelha, bem como a região do infravermelho médio, dependendo do instrumento. O design enfatiza o infravermelho próximo a médio por três razões principais: objetos com desvio alto para o vermelho têm suas emissões visíveis deslocadas para o infravermelho, objetos frios, como discos de detritos e planetas emitem mais fortemente no infravermelho e esta banda é difícil de estudar do solo ou por telescópios espaciais existentes, como o Hubble.

Os telescópios terrestres devem olhar através da atmosfera da Terra, que é opaca em muitas bandas infravermelhas. Mesmo onde a atmosfera é transparente, muitos dos compostos químicos alvo, como água, dióxido de carbono e metano, também existem na atmosfera da Terra, complicando enormemente a análise. Os telescópios espaciais existentes, como o Hubble, não podem estudar essas bandas porque seus espelhos são insuficientemente frios (o espelho do Hubble é mantido a cerca de 15 ° C (288 K)), portanto, o próprio telescópio irradia fortemente nas bandas infravermelhas.

O JWST opera perto do sistema Terra-Sol no L 2, aproximadamente 1.500.000 quilômetros além da órbita da Terra. A título de comparação, o Hubble orbita 550 quilômetros acima da superfície da Terra, e a Lua está a cerca de 400.000 quilômetros da Terra. Essa distância tornou o reparo ou atualização pós-lançamento do hardware JWST virtualmente impossível com os veículos espaciais disponíveis durante o projeto do telescópio e o estágio de fabricação. Objetos próximos a este ponto de Lagrange podem orbitar o Sol em sincronia com a Terra, permitindo que o telescópio permaneça a uma distância aproximadamente constante e use uma única proteção solar para bloquear o calor e a luz do Sol e da Terra. Este arranjo manterá a temperatura do telescópio abaixo de 50 K (−223,2 ° C; −369,7 ° F), necessário para observações no infravermelho.

Protecção solar

Para fazer observações no espectro infravermelho, o JWST deve ser mantido abaixo de 50 K (−223,2 ° C ou −369,7 ° F) caso contrário, a radiação infravermelha do próprio telescópio sobrecarregaria seus instrumentos. Portanto, ele usa uma grande proteção solar para bloquear a luz e o calor do Sol, da Terra e da Lua, e sua posição perto do ponto Terra-Sol L2 mantém todos os três corpos no mesmo lado do telescópio o tempo todo. Seu halo orbita em torno do ponto L2 evita a sombra da Terra e da Lua, mantendo um ambiente constante para o protetor solar e as matrizes solares. A blindagem mantém uma temperatura estável para as estruturas no lado escuro, o que é crítico para manter o alinhamento preciso dos segmentos do espelho primário.

A protecção solar de cinco camadas, cada camada tão fina quanto um cabelo humano, é construída a partir de Kapton E, um filme de poliimida disponível comercialmente da DuPont, com membranas especialmente revestidas com alumínio em ambos os lados e silicone dopado no lado voltado para o sol das duas camadas mais quentes para reflectir o calor do Sol de volta ao espaço. Rasgos acidentais da delicada estrutura do filme durante os testes em 2018 estiveram entre os factores que atrasaram o projeto. O protector solar foi projetado para ser dobrado doze vezes para caber na carenagem de carga útil do foguete Ariane 5. Uma vez implantado no ponto L2, ele se desdobrou tendo o tamanho de 14,162 × 21,197 m.

Óptica

O espelho primário do JWST é um reflector de berílio revestido de ouro com 6,5 metros de diâmetro e uma área de coleta de 25,4 m2. Se fosse construído como um único espelho grande, seria muito grande para os veículos de lançamento existentes. O espelho é, portanto, composto de 18 segmentos hexagonais que se desdobram após o lançamento do telescópio. A detecção de frente de onda do plano de imagem através da recuperação de fase é usada para posicionar os segmentos do espelho no local correto usando micromotores muito precisos. Após essa configuração inicial, eles precisarão apenas de atualizações ocasionais a cada poucos dias para manter o foco ideal. Isso é diferente dos telescópios terrestres, por exemplo, os telescópios Keck , que ajustam continuamente seus segmentos de espelho usando óptica ativa para superar os efeitos da carga gravitacional e do vento. O telescópio Webb usará 126 pequenos motores para ajustar ocasionalmente a óptica, pois há uma falta de distúrbios ambientais de um telescópio no espaço.

6. Órbita e astronomia infravermelha do JWST

Normalmente, um objecto circulando o Sol mais longe do que a Terra levaria mais de um ano para completar sua órbita, mas perto do ponto L2 a atracção gravitacional combinada da Terra e do Sol permite que um veículo espacial orbite o Sol no mesmo tempo que leva a Terra. O telescópio fará um círculo em torno do ponto L2 em uma órbita de halo, que será inclinado em relação à eclíptica, terá um raio de aproximadamente 800.000 quilómetros e levará cerca de meio ano para ser concluído. 

Figura 5: Duas visualizações alternativas do Telescópio Espacial Hubble da Nebulosa Carina, comparando a astronomia ultravioleta e visível (em cima) e infravermelha (em baixo). Muito mais estrelas são visíveis neste último.

Astronomia infravermelha

O JWST é o sucessor formal do Telescópio Espacial Hubble (HST) e como sua ênfase principal é na astronomia infravermelha, também é um sucessor do Telescópio Espacial Spitzer. O JWST ultrapassará em muito esses dois telescópios, sendo capaz de ver muito mais estrelas e galáxias muito mais antigas. A observação no espectro infravermelho é uma técnica chave para conseguir isso, por causa do red-shift ( desvio para o vermelho) cosmológico, e porque penetra melhor obscurecendo poeira e gás. Isso permite a observação de objetos mais frios e escuros. Como o vapor de água e o dióxido de carbono na atmosfera terrestre absorvem fortemente a maior parte do infravermelho, a astronomia infravermelha terrestre é limitada a faixas estreitas de comprimento de onda, onde a atmosfera absorve com menos intensidade.

Quanto mais distante um objeto está, mais jovem ele parece: sua luz demorou mais para chegar aos observadores humanos. Como o universo está se expandindo, conforme a luz viaja, ela se torna vermelha, e objetos em distâncias extremas são, portanto, mais fáceis de ver se vistos no infravermelho. Espera-se que as capacidades infravermelhas do JWST o permitam ver no tempo as primeiras galáxias que se formaram apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang.

A radiação infravermelha pode passar mais livremente por regiões de poeira cósmica que espalham a luz visível. As observações no infravermelho permitem o estudo de objetos e regiões do espaço que seriam obscurecidos por gás e poeira no espectro visível, como as nuvens moleculares onde as estrelas nascem, os discos circunstelares que dão origem aos planetas e os núcleos de galáxias ativas.

Objetos relativamente frios emitem sua radiação principalmente no infravermelho, conforme descrito pela lei de Planck . Como resultado, a maioria dos objetos mais frios do que estrelas são melhor estudados no infravermelho. Isso inclui as nuvens do meio interestelar, anãs marrons, planetas em nosso próprio e em outros sistemas solares, cometas e objectos do cinturão de Kuiper que serão observados com o instrumento infravermelho médio (MIRI).

Algumas das missões na astronomia infravermelha que impactaram o desenvolvimento do JWST foram o Spitzer e a sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). O Spitzer mostrou a importância do infravermelho médio, que é útil para tarefas como observar discos de poeira ao redor das estrelas. Além disso, a sonda WMAP mostrou que o universo estava iluminado no redshift 17, destacando ainda mais a importância do infravermelho médio.  Ambas as missões foram lançadas no início de 2000, a tempo de influenciar o desenvolvimento do JWST.

 

 Figura 7: As observações infravermelhas podem ver objetos escondidos na luz visível, como o HUDF-JD2 mostrado aqui.

1. Conclusão

Concluímos que as futuras observações do JWST irão gerar informações que darão continuidade às investigações sobre a origem do universo e dos seus constituíntes de forma mais clara. Os objectivos científicos deste telescópio envolvem a medição das distâncias dos primeiros raios luminosos emitidos após o Big-Bang, o fim da era escura, estudos mais detalhados sobre a matéria escura, a evolução do sistema solar, a formação das galáxias, e a busca por sistemas solares que possam ser habitáveis.

Algumas características consideradas chaves como resolução espacial, espectral e temporal aumentaram em questões qualitativas se comparados aos telescópios anteriores como o telescópio Hubble e o Spitzer.

REFERÊNCIAS

1. https://www.nasa.gov/feature/nasa-s-james-webb-space-telescope-to-be-launched-spring-2019.
2. https:// keplerscience.arc.nasa.gov/.
3. P. Gardner, S. Massimo, L. Mather and JWST Science, Working Group, James Webb Space Telescope, Studies.
4. Norwood, H. Hammel, S. Milam, J. Stansberry, J. Lunine, N. Chanover, D. Hines, G. Sonneborn, M. Tiscareno, M. Brown and P. Ferruit, Solar System Observations with the James Webb Space Telescope (Cornell University Library, New York 2014), v. 2.
5. Li, J. Liu, X. Ren, W. Zuo, X. Tan, et al., Space Science Reviews 190, 85 (2015).

Autor:

Lumonansoni André

4ª Ano de Doutoramento em Física e Astronomia, na Especialidade de Mecânica Orbital e Física da Matéria Condensada pela Universidade Estatal de Tver, Rússia.