O que o Telescópio Espacial James Webb é capaz de fazer?

Nesta semana, o mundo parou para assistir às primeiras imagens do Telescópio Espacial James Webb, divulgadas pela Nasa. Lançado ao espaço no dia 25 de dezembro de 2021, em parceria com a ESA e a CSA, o equipamento custou US$ 10 bilhões.

E as imagens reveladas na última terça-feira (12), mostram as Nebulosas de Carina e do Anel do Sul; o exoplaneta WASP-96b; o Quinteto de Stephen; e o campo profundo do universo, o aglomerado de galáxias SMACS 0723.

Diante da qualidade e podemos falar, até beleza das imagens, muitas pessoas passaram a se interessar pelo Telescópio, e se perguntar tudo que ele é capaz de fazer. Sendo assim, confira abaixo, tudo que o Telescópio Espacial James Webb é capaz de fazer.

Origem do Telescópio Espacial James Webb

Quando os cientistas planejaram e projetaram o Telescópio Espacial Hubble, o observatório astronômico mais inovador de sua época, havia muitas coisas sobre o universo que eles não conheciam.

Dentre essas incógnitas, estavam as estrelas e galáxias que já existiam algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang, disse Mark McCaughrean, conselheiro sênior de ciência e exploração da Agência Espacial Europeia (ESA).

Entretanto, mesmo que soubessem sobre essas primeiras estrelas e galáxias, eles não tinham a tecnologia para fazer o Hubble vê-las. "O Hubble tinha um monte de metas de primeira linha, muitas das quais tinham cerca de 20 anos", disse McCaughrean, que também é cientista interdisciplinar no grupo de trabalho científico James Webb Space Telescope (JWST) da NASA.

"No momento em que a construíram, a ciência havia se movido, a ciência tinha mudado em algumas áreas. E uma das coisas que os astrônomos descobriram na década de 1980 [antes do lançamento do Hubble em 1990], foi que as galáxias se formaram muito antes do esperado", explica McCaughrean.

Diante disso, tornou-se óbvio que outro observatório espacial, ainda maior, seria necessário para chegar a essas primeiras estrelas e galáxias - aquelas que haviam iluminado o universo após centenas de milhões de anos de escuridão que se seguiram ao Big Bang quando o espaço em expansão estava apenas cheio de átomos de hidrogênio.

A tecnologia que eventualmente permitiria que este observatório, agora conhecido como Telescópio Espacial James Webb (originalmente chamado de Telescópio Espacial da Próxima Geração), foi lançado ao espaço no final do ano passado, e surpreende por tudo que ele é capaz de fazer.

O que diferencia James Webb do antecessor Hubble?

Abaixo, confira todas as aprimorações que o Telescópio Espacial James Webb tem em relação ao Telescópio Hubble.

1. O poder do infravermelho

A peça de tecnologia que faltava no Hubble eram os detectores infravermelhos que seriam capazes de coletar a luz fraca proveniente dessas estrelas e galáxias primitivas a mais de 13 bilhões de anos-luz de distância.

O Hubble foi construído para detectar luz visível e ultravioleta. Essas galáxias primitivas emitem luz visível, mas devido à sua distância, o comprimento de onda desta luz é estendido na parte infravermelha do espectro eletromagnético pelo chamado desvio vermelho.

McCaughrean, então estudante de doutorado na Universidade de Edimburgo, na Escócia, foi um daqueles cientistas que desenvolveram detectores infravermelhos precoces, uma tecnologia que agora atingiu seu ápice em quatro instrumentos científicos de ponta do Telescópio Espacial James Webb.

"Na década de 1980, fotos infravermelhas foram tiradas com um detector escaneando o céu um pixel de cada vez", disse McCaughrean. "Demorou uma eternidade. Minha tese de doutorado era sobre a primeira câmera que poderia tirar imagens infravermelhas 2D. Tínhamos 58 vezes 62 pixels, e isso era 4.000 vezes mais do que todos tinham, porque eles só tinham um."

McCaughrean mais tarde mudou-se para os EUA para trabalhar no Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS), o primeiro detector infravermelho instalado no Telescópio Espacial Hubble durante sua 2ª missão de manutenção em 1997. NICMOS, composto por três detectores infravermelhos, cada um com 256 por 256 pixels, abriu a primeira porta para o Hubble no universo infravermelho.

A tecnologia percorreu um longo caminho desde os primeiros anos do Hubble, e o projeto do Telescópio Espacial James Webb tem sido empurrando-o mais adiante ao longo do caminho. "Os detectores no JWST têm 2000 por 2000 pixels. E temos muitos deles", disse McCaughrean. "Temos muito mais pixels infravermelhos [no JWST] do que o Hubble tinha pixels ópticos quando foi lançado."

O que todos esses pixels vão permitir que o James Webb faça?

O espelho gigante do Telescópio Espacial James Webb alimentará a luz de estrelas e galáxias em quatro instrumentos de ponta projetados não apenas para tirar imagens, mas também para analisar a composição química do universo próximo e distante.

Isso é feito com uma técnica conhecida como espectroscopia, que analisa como a matéria no universo absorve a luz. À medida que diferentes elementos químicos absorvem a luz em diferentes comprimentos de onda, os astrônomos serão capazes de reconstruir o que estrelas, nebulosas, galáxias e planetas dentro da visão do Telescópio Espacial de James Webb são feitos.

2. Desembaraçar a formação de estrelas e galáxias

Foi a Wide Field Camera 3 que abriu algumas das melhores vistas para o universo primitivo. Webb, disse Kimble, está agora posicionado para superar esse legado. "Quando se trata dessas galáxias distantes, a Câmera de Campo Largo 3 fica sem comprimento de onda", disse Kimble.

"Algumas dessas detecções ficam meio duvidosas e será muito interessante ver quais delas estão certas. Webb será capaz de fazer esse tipo de coisa, dizer exatamente que vemos esta galáxia em particular 250 milhões de anos após o Big Bang", explica Kimble.

Hubble, diz McCaughrean, pode ver até 13 bilhões de anos no passado. E já vê galáxias que naquele momento em sua evolução podem ter formado várias gerações de estrelas.

"Se estamos vendo esse material cerca de 500 milhões de anos após o Big Bang, ele deve ter sido feito ainda mais cedo por estrelas que ainda não vimos", disse McCaughrean. "Grandes estrelas se formam e morrem rapidamente, em apenas alguns milhões de anos, então depois de 500 milhões de anos, você pode ter tido muitas gerações de estrelas massivas."

3. A evolução química do universo

Olivia Jones, uma cientista do JWST no Observatório Real de Edimburgo, está mais interessada no que acontece quando essas primeiras estrelas morrem, liberando seu material em seus arredores, para dar à luz novas estrelas.

Os astrônomos sabem que o universo primitivo tinha uma composição química muito diferente do que vemos hoje. Consistia apenas de hidrogênio, hélio e um pouco de lítio, disse Jones. Todos os outros elementos químicos que vemos agora, incluindo aqueles que tornam a vida possível, foram preparados em todo éons dentro dessas estrelas.

Os espectroscópios a bordo do Telescópio Espacial James Webb serão capazes de sondar as cozinhas químicas dessas galáxias primitivas, vendo o que estava cozinhando dentro de estrelas individuais e o que eles fertilizaram o cosmos mais amplo com quando explodiram em supernovas poderosas.

"Espectroscopia é o verdadeiro poder de Webb", disse Jones. "Normalmente vemos esse processo em escalas galácticas, mas com Webb, teremos uma resolução tão alta que seremos capazes de visualizar objetos individuais."

4. Espiar através da poeira para as regiões formadoras de estrelas

Enquanto o Telescópio Espacial James Webb e o Telescópio Espacial Hubble são frequentemente comparados, suas imagens serão bem diferentes, revelando diferentes aspectos do universo.

Enquanto a força do Hubble está visualizando o universo visível, as superpotências infravermelhas de Webb permitirão que o telescópio veja através da poeira apenas no coração de nebulosas, galáxias e regiões formadoras de estrelas que estão escondidas da visão do Hubble.

"Sabemos que as estrelas estão nascendo em lugares como a Nebulosa de Órion e outras nebulosas no céu", disse McCaughrean. "Mas não pudemos vê-los na óptica porque a luz óptica é absorvida pela poeira."

Observatórios infravermelhos anteriores, como o Telescópio Espacial Spitzer da NASA, eram muito menores que Webb. Portanto, eles não podiam ver tanto quanto Webb, e quando o fizeram, eles só vislumbraram essas regiões formadoras de estrelas em uma resolução limitada.

Embora os astrônomos tenham sido capazes de mapear a formação de estrelas em nossa própria galáxia, a Via Láctea, o Telescópio Espacial James Webb rasgará centros de nascimento de estrelas abertas em mais longe do universo.

5. Sistema solar exterior

"Com o JWST, não podemos olhar para dentro em direção ao sol, mas seremos capazes de olhar para fora", disse McCaughrean. "Podemos olhar para planetas como Marte, Júpiter, Saturno, Urano e Netuno, mas também para o Cinturão de Kuiper."

O Cinturão de Kuiper é um repositório de cometas, asteroides e outros detritos que circunda o sistema solar exterior além da órbita de Netuno. É uma região escura e fria que é muito difícil de explorar porque esses objetos refletem muito pouca luz.

"O JWST pode fazer uma espectroscopia fantástica nos objetos do Cinturão de Kuiper", disse McCaughrean. "Esses objetos são muito frios, não refletem muita luz, então você precisa de um grande telescópio infravermelho. Sabemos que eles têm gelos e várias moléculas em suas superfícies, e esperamos ser capazes de ver isso."

6. Exoplanetas

Assim como no Hubble, a ciência avançou desde a concepção do Telescópio Espacial James Webb e novas áreas surgiram que podem não ter sido previstas quando a primeira máquina de luz foi concebida pela primeira vez. Em 1995, os dois primeiros planetas orbitando outra estrela do que o nosso Sol foram descobertos.

Desde então, milhares de exoplanetas de vários tamanhos e tipos foram detectados. E embora não tenha sido projetado com essas potenciais outras Terras em mente, o Telescópio Espacial James Webb acaba por estar posicionado não só para descobrir muitos mais, mas também para nos dizer detalhes muito mais finos sobre sua natureza do que qualquer outra missão antes.

Um dos instrumentos do JWST, a Câmera Infravermelha Próxima (NIRCAM) é equipada com implementos extras chamados coronógrafos, que bloqueiam a luz de uma estrela para ver mais claramente o que está acontecendo ao seu redor. Isso, de fato, pode envolver sistemas alienígenas de planetas, alguns dos quais podem ser habitáveis, com água e atmosfera que poderiam suportar a vida como a Terra.

7. As grandes incógnitas

O Telescópio Espacial James Webb foi construído para revolucionar a astronomia. Daqui a 10 anos, muitas de suas descobertas mais inovadoras podem vir de reinos que ainda são completamente desconhecidos hoje. "O que é tão emocionante tanto no Hubble quanto no Webb é que eles são observatórios de propósito geral", disse Kimble.

"O Telescópio Espacial James Webb mudará nossa visão do universo", disse Jones. "E é só graças às pessoas que pensaram nisso quando eu estava talvez apenas na escola primária, que pessoas como eu agora podem aproveitar ao máximo nesta fase de nossas carreiras."

Quais os instrumentos do Telescópio Espacial James Webb?

A câmera infravermelha próxima (NIRCAM)

A NIRCam será crucial para alcançar o objetivo principal de Webb: detectar a luz das primeiras estrelas e galáxias. Não é apenas uma simples câmera infravermelha, mas é equipada com alguns implementos extras chamados coronógrafos.

Os coronógrafos permitirão que os astrônomos bloqueiem a luz de uma estrela e vejam o que está acontecendo ao seu redor, o que a torna ótima para descobrir exoplanetas em órbita.

O espectrógrafo infrared próximo (NIRSpec)

NIRSpec é a principal ferramenta para quebrar a química do universo. Dividirá a luz vinda do universo distante em espectros, revelando as propriedades dos objetos observados, incluindo sua temperatura, massa e composição química.

Como alguns desses objetos são extremamente distantes e a luz que vem deles será extremamente fraca, o Telescópio Espacial James Webb, apesar de seu espelho gigante, terá que olhar para eles por centenas de horas. Para tornar essas observações mais eficientes, o NIRSPec será capaz de observar 100 galáxias tão distantes ao mesmo tempo.

O Instrumento Infravermelho Médio (MIRI)

MIRI é uma combinação de uma câmera e um espectrógrafo, mas ao contrário dos dois anteriores, ele observa nos comprimentos de onda mais longos da parte infravermelha média do espectro eletromagnético.

Isso, tornará um instrumento para todos que procuram estudar tudo, desde cometas e asteroides nos arredores do sistema solar até estrelas recém-nascidas e galáxias distantes. As imagens do MIRI serão as mais semelhantes às que transformaram o Telescópio Espacial Hubble em uma lenda.

O sensor de orientação fino/imager infravermelho próximo e espectrógrafo sem fenda (FGS/NIRISS)

A FGS/NIRISS também contribuirá para a detecção da primeira luz, detectar exoplanetas e analisar sua química.