Aqui está o que o telescópio espacial James Webb observará a seguir

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

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. Portanto, para saber mais sobre o que a futura investigação científica será possibilitada por este gigante, falámos com Mark McCaughrean, Cientista Interdisciplinar Webb da Agência Espacial Europeia.

McCaughrean será um dos primeiros pesquisadores a usar Webb em seu trabalho no Nebulosa de Órion, e ele está envolvido no planejamento do telescópio há mais de 20 anos. Ele nos contou tudo sobre como Webb irá expandir as fronteiras da astronomia e permitir descobertas que nem sequer começamos a imaginar.

Vendo o universo em infravermelho

Quando os astrónomos começaram a imaginar Webb, na década de 1980, tinham um plano específico em mente: queriam uma ferramenta de investigação cosmológica que analisasse as primeiras galáxias do Universo.

Os cientistas sabiam que essas galáxias primitivas existiam e estavam perto de serem acessíveis para nós porque o Telescópio Espacial Hubble havia observado algumas galáxias bastante primitivas. Ao observar o comprimento de onda da luz visível, o Hubble conseguiu identificar centenas destas galáxias, que se formaram algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang. Mas estas galáxias já se tinham formado e os investigadores queriam olhar ainda mais para trás, para vê-las realmente a formar-se.

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

Semelhante ao efeito Doppler, no qual os sons mudam sua altura percebida conforme a distância entre a fonte e o observador mudam, 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 desvio para o vermelho.

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

É assim que Webb consegue detectar e identificar as primeiras galáxias. Se Webb puder ver uma galáxia que brilha 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 extremamente desviada para o vermelho – o que significa que está muito distante e, portanto, muito velho.

Mesmo no primeira imagem de campo profundo de Webb, você pode ver algumas galáxias extremamente antigas. O enxame de galáxias que é o foco da imagem tem 4,6 mil milhões de anos, mas devido à sua massa, curva o espaço-tempo à sua volta. Isto significa que a luz proveniente das galáxias atrás deste aglomerado também é curvada, de modo que o aglomerado funciona como uma lupa num efeito chamado lente gravitacional. Algumas das galáxias vistos neste campo profundo têm cerca de 13 mil milhões de anos, o que significa que se formaram nos primeiros mil milhões de anos do Universo.

Expandindo para fazer mais

Porém, se Webb foi originalmente concebido como uma ferramenta cosmológica, logo se expandiu para se tornar muito mais do que isso.

Ao longo de décadas de planejamento para Webb, os designers perceberam que a ferramenta que estavam construindo poderia ser usada em campos muito mais diversos do que apenas a 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 o seu próprio desafio, uma vez que este instrumento detectores diferentes dos outros instrumentos e exige a sua próprio refrigerador. Mas, juntamente com outros instrumentos, expande o que Webb pode fazer numa ampla gama de possibilidades.

“O foco original do telescópio estava muito mais no universo com alto desvio para o vermelho”, resumiu McCaughrean. “Esse era o objetivo maior, encontrar as primeiras estrelas e galáxias que se formaram após o Big Bang. Todo o resto depois disso é ‘bom ter’. Mas ao longo do progresso 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 fazer tudo isso.”

Câmeras e espectrógrafos

Webb tem quatro instrumentos a bordo: a câmera de infravermelho próximo ou NIRCam, o espectrógrafo de infravermelho próximo ou NIRSpec, o Near InfraRed Imager e 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 a composição de um objeto observando a luz que ele emite.

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

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 faz um campo profundo, tirando algumas imagens profundas com o NIRCam”, explicou McCaughrean. “Então você usa filtros diferentes para selecionar os candidatos, porque haverá muitas coisas para observar nessa área, uma por uma, com espectroscopia. Portanto, você precisa da imagem para encontrar os candidatos”, por exemplo, observando as cores de uma imagem para decidir que um determinado objeto é, digamos, uma galáxia com alto redshift e não uma estrela próxima fraca.

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

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

Vários modos

Para compreender todas as capacidades do Webb, você deve saber que os quatro instrumentos não possuem apenas um modo cada – eles podem ser usados ​​de diversas maneiras para observar alvos diferentes. 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. 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 chamada quilonova), ou espectroscopia de unidade de campo, que analisa espectros de múltiplos pixels sobre uma pequena área para obter informações contextuais sobre um alvo (como olhar para uma galáxia extremamente distante que foi deformada pela gravidade lente).

O terceiro tipo de espectroscopia que o NIRSpec faz é algo realmente especial chamado espectroscopia multiobjeto. Ele usa pequenas venezianas em forma de janela dispostas em um formato chamado conjunto de microobturadores. “São basicamente pequenos dispositivos com alguns centímetros de diâmetro, dos quais temos quatro. Em cada um desses dispositivos existem 65 mil pequenas venezianas individuais”, disse McCaughrean.

Cada uma dessas venezianas pode ser controlada individualmente para abrir ou fechar, permitindo aos pesquisadores selecionar quais partes do 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, ordenam que as venezianas correspondentes a esses objetos de interesse se abram, enquanto as demais permanecem fechadas.

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

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

Lidando com muita luz

Como demonstram os microobturadores, uma parte complicada do trabalho com instrumentos altamente sensíveis é lidar com muita luz. Pegue o trabalho James Webb fará em Júpiter nos primeiros meses de operação – na verdade, é muito difícil obter imagens dos anéis e das 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 objeto muito brilhante, ele poderá atrapalhar suas leituras, de modo que tudo o que você verá será a luz do objeto mais brilhante.

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

Tanto o NIRCam quanto o MIRI possuem modos de coronagrafia, cuja 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 esta abordagem tem as suas limitações: se o objeto brilhante se mover atrás do disco, a sua luz pode espalhar-se pelas bordas e arruinar as observações. Você poderia diminuir o disco 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 isso bloquearia outros objetos próximos ao objeto brilhante.

Portanto, há outra forma desse modo de coronografia que usa hardware chamado máscara de fase de quatro quadrantes. “Esta é uma peça óptica muito inteligente”, disse McCaughrean. “Ele não tem disco de metal, mas tem quatro peças diferentes de vidro que conferem 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 bem na cruz onde essas quatro placas de fase diferentes se encontram, você pode resolva isso de forma que a luz seja realmente cancelada na estrela, devido à interferência da onda efeito."

Isso significa que se você alinhá-lo corretamente de forma 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.

Aproveitando o tempo

Outra maneira de lidar com uma mistura de objetos claros e escuros é fazer múltiplas 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, à medida que ele acumula luz a partir de fontes fracas”, explica McCaughrean. “Mas quando olhamos para os dados, podemos usar as primeiras imagens para as fontes brilhantes antes de saturarem e depois continuarmos a acumular luz a partir das fontes fracas e obter a sensibilidade. Ele amplia efetivamente 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 brilham, 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 deseja capturá-lo tanto nas bordas do trânsito quanto no meio do trânsito”, disse McCaughrean. “Então você continua observando e coletando dados.”

Um desafio deste método é que ele exige que o telescópio permaneça num alinhamento quase perfeito porque, se se movesse ligeiramente, introduziria ruído nos dados. Mas a boa notícia é que o telescópio tem um desempenho extremamente bom em termos de apontar para um objeto e permanecer no mesmo lugar. lugar, graças ao Sensor de Orientação Fino que trava em estrelas próximas e se ajusta a quaisquer perturbações, como energia solar ventos.

Desafios em trabalhar com Webb

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

Isso fica a cerca de 1 milhão de milhas de distância da Terra, então Webb está equipado com um antena de rádio poderosa 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 do hotel que estávamos usando conversar, mesmo a uma distância muito maior – mas não chega perto da quantidade total de dados que os instrumentos podem captar por vez. segundo.

O observatório possui uma pequena quantidade de armazenamento em estado sólido, cerca de 60 GB, que pode registrar dados por um curto período de tempo se os instrumentos coletarem 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 o os requisitos de hardware que seja seguro contra radiação e possa resistir a décadas de uso são bastante diferentes.

Esta limitação significa que os investigadores têm de ser seletivos quanto aos dados que priorizam nas ligações descendentes do telescópio, escolhendo apenas os dados mais vitais para as suas necessidades. Você pode se perguntar por que Webb não está posicionado mais próximo da Terra nesse caso, mas a órbita L2 é essencial para a forma como opera – e a razão é devido às temperaturas.

“As pessoas pensam que o espaço é frio, bem, não se você estiver próximo a um grande objeto que o aquece todos os dias, como a Terra ou o Sol”, disse McCaughrean. “Então, se você quiser observar no infravermelho, você 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 Webb tem um protetor solar enorme para ajudar a mantê-lo fresco e está em L2 para que o protetor solar possa bloquear o calor do sol e do ar. Terra.

“Construímos um observatório que precisa estar em L2, precisa estar lá para esfriar, para poder entregar essa ciência. E porque 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, trabalhará em programas científicos de lançamento antecipado, que são aqueles projetados para ultrapassar os limites do hardware de Webb e ver do que ele é capaz. No seu primeiro ano, trabalhará em programas que foram selecionados em 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 está em grande parte aberto. Os pesquisadores enviam propostas sobre quais dados desejam coletar usando o Webb, e essas propostas são revisadas por pares para selecionar aqueles que são mais interessantes cientificamente. “A comunidade decide o que será feito com o observatório”, disse McCaughrean.

Este envolvimento da comunidade já mudou a forma como o Webb é utilizado — por exemplo, a investigação de exoplanetas ocupa actualmente cerca de um terço do tempo de observação disponível na primeira ronda de investigação. Quando McCaughrean e seus colegas estavam planejando como o Webb poderia ser usado no início dos anos 2000, eles não imaginavam haveria quase tanta pesquisa sobre exoplanetas sendo feita porque tão poucos exoplanetas foram descobertos naquela época tempo.

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

Essa flexibilidade é possível porque o Webb foi projetado para ser útil para pesquisas em vários campos – incluindo aplicações nas quais ainda não pensamos. Webb é projetado para durar pelo menos 20 anos, e mal começamos a explorar o que isso poderia fazer nesse período.

“Isso é o que é emocionante. Se você construir um observatório de uso geral muito poderoso e capaz, ele será, em muitos aspectos, limitado apenas pela criatividade da comunidade”, disse McCaughrean. “Webb é o que fazemos agora.”

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