O Telescópio Espacial James Webb

Com o lançamento do Telescópio Espacial James Webb (JWST), a compreensão da humanidade sobre o universo – e suas origens – aumentará exponencialmente.

Originalmente chamado de Telescópio Espacial de Nova Geração (NGST) e renomeado em setembro de 2002 para homenagear o ex-administrador da NASA James Webb, o JWST representa uma colaboração internacional de parceiros, incluindo a NASA, a Agência Espacial Canadense (CSA), a Agência Espacial Européia (ESA), o fabricante aeroespacial Northrop Grumman e o Space Telescope Space Institute, que operará o telescópio após o lançamento.

Tecnologia infravermelha

O que torna o JWST diferente dos telescópios espaciais que vieram antes dele, como o Telescópio Espacial Hubble? Por um lado, o Hubble, lançado em 1990, é um telescópio óptico; o JWST é um telescópio infravermelho. À medida que as ondas de luz viajam pelo universo em constante expansão, elas são “esticadas”, o que significa que mudam para comprimentos de onda de energia mais longos e mais vermelhos. Em algum momento, a luz antes visível das estrelas mais distantes do universo muda para comprimentos de onda infravermelhos que não podem mais ser detectados por telescópios ópticos como o Hubble. O JWST é projetado especificamente para capturar imagens dessas ondas de luz infravermelha e analisá-las usando espectroscopia de última geração.

O JWST não será a primeira vez que os cientistas usarão a tecnologia infravermelha para explorar o universo. Em 1983, a NASA lançou seu inovador Satélite Astronômico Infravermelho (IRAS) em órbita, tornando-o o primeiro telescópio infravermelho baseado no espaço do mundo. Um projeto conjunto desenvolvido pelos EUA, Holanda e Reino Unido, orbitou 559 milhas acima da Terra em uma missão que durou 10 meses e observou mais de 250.000 fontes infravermelhas nos comprimentos de onda de 12, 25, 60 e 100 micrômetros. O sucesso dessa missão levou à instalação de um telescópio infravermelho refrigerado a hélio a bordo do ônibus espacial Challenger em 1985 (STS-51) e acabou resultando no desenvolvimento do Telescópio Espacial Spitzer, lançado em 2003.

Entre esses marcos, a Agência Espacial Européia, trabalhando com a NASA e o Instituto de Ciência Espacial e Astronáutica do Japão (ISAS), lançou o Observatório Espacial Infravermelho (ISO) em novembro de 1995 em uma missão de três anos projetada para observar aproximadamente 30.000 fontes infravermelhas, realizar imagens na faixa de 2,5 a 240 micrômetros e espectroscopia na faixa de 2,5 a 196,8 micrômetros e transmitir os dados de volta à Terra em tempo real. E em 1997, a NASA deu ao telescópio óptico Hubble capacidade de infravermelho, equipando-o com a câmera infravermelha e o espectrômetro multiobjeto (NICMOS) durante a Missão de Manutenção 2 (STS-82).

O NICMOS, um dispositivo de imagem combinado e espectrômetro projetado e construído pela Ball Aerospace &Technologies Corp., apresentava três detectores de infravermelho próximo de telureto de cádmio de mercúrio que foram ligados a substratos de safira e projetados para operar no comprimento de onda de 0,8 a 2,5 micrômetros. O NICMOS, que operou de 1997 a 1999 antes de ficar sem refrigerante, e novamente de 2002 a 2008 após a instalação de um novo sistema de resfriamento criogênico durante a Servicing Mission 3B (STS-109), acabou sendo substituído em 2009 pelo Wide Field Câmera 3 (WFC3) durante a Missão de Manutenção 4 (STS-125). Embora não seja estritamente um instrumento infravermelho - ele também tinha um canal UV e óptico capaz de gravar imagens na faixa de comprimento de onda de 200 a 1.000 nm - o WFC3 tinha um detector de infravermelho próximo projetado para capturar imagens na faixa de comprimento de onda de 800 a 1.700 nm. Embora limitado em sua capacidade de infravermelho em comparação com NICMOS (1700 nm vs. 2500 nm), o WFC3 pode ser resfriado termicamente, eliminando a necessidade de resfriamento criogênico.

O espelho

Indiscutivelmente o instrumento científico tecnologicamente mais avançado já lançado no espaço, o JWST não apenas combinará os melhores aspectos dos telescópios espaciais Hubble e Spitzer, mas os excederá em muito, começando com o tamanho de seu espelho primário. O espelho do Webb terá 6,5 metros de diâmetro em comparação com o espelho de 2,4 metros do Hubble e o espelho compacto de 0,8 metros do Spitzer.

Como um espelho desse tamanho é muito grande para caber dentro de qualquer veículo de lançamento atual, ele consistirá em 18 segmentos individuais em forma de hexágono feitos de berílio leve que se desdobrarão e se ajustarão automaticamente à forma uma vez em órbita. Cada segmento será deposição de vapor a vácuo revestido com uma fina camada de ouro com apenas 1000 angstroms (100 nanômetros) de espessura. Para colocar isso em perspectiva, dada a densidade do ouro à temperatura ambiente (19,3 gm/cm ³ ), que resulta em 48,25 g de ouro — aproximadamente a mesma massa de uma bola de golfe — para revestir uma área de 25 m ² . Por que ouro? Refletividade superior. O ouro refletirá 98% da luz infravermelha coletada, enquanto um material como o alumínio normalmente reflete apenas cerca de 85% da luz visível.

O JWST foi projetado para orbitar o ponto L2, 1,5 milhão de quilômetros acima da Terra. Quanto mais distante da atmosfera da Terra um telescópio estiver, menos elementos haverá para impactar negativamente a qualidade dos dados coletados. Também estará longe o suficiente do campo magnético protetor da Terra, onde os raios cósmicos de alta energia podem interferir em seus sinais ou criar cargas elétricas que podem danificar os instrumentos sensíveis do telescópio. Como seguro adicional, o JWST foi projetado com blindagem especial e materiais condutores para evitar que a tensão se acumule e danifique os protetores solares e subsistemas da embarcação. O telescópio fará uma órbita completa em torno de L2 a cada 198 dias... caso você queira observá-lo.

O Escudo do Sol

A proteção solar do telescópio, que é aproximadamente do tamanho de uma quadra de tênis (21,197m × 14,162m), é de longe o maior elemento do JWST. Consistindo em cinco camadas de Du-Pont™ Kapton® revestido de silicone, cada camada com menos de 1 mm de espessura, o objetivo principal do protetor solar é separar o lado frio do telescópio, onde a instrumentação está alojada, do lado voltado para o sol. A temperatura máxima que a camada 1 pode suportar é 383K (~231°F), enquanto a camada 5 pode suportar uma temperatura máxima de 221K (~-80°F) e uma temperatura mínima de 36K (~ -394°F). Como os detectores infravermelhos preferem temperaturas frias e qualquer calor gerado pelos sistemas de bordo do JWST pode poluir os sinais infravermelhos que estão sendo coletados, a temperatura operacional preferida do telescópio é inferior a 50 K (~ -370 ° F).

Dado o tamanho do protetor solar e quão finos são seus materiais, um dos desafios de engenharia enfrentados por seus projetistas foi torná-lo forte o suficiente para suportar os rigores das viagens espaciais. Eles conseguiram isso criando um engenhoso sistema de nervuras de suporte que fornecerá a estabilidade estrutural necessária sem se tornar quebradiço. O sistema também tolerará pequenos rasgos e rasgos causados ​​por detritos espaciais sem falhar.

Em termos de tecnologia, o JWST pode ser dividido em três seções:o Integrated Science Instrument Module (ISIM), o Optical Telescope Element e o Spacecraft Element.

Os instrumentos científicos

O ISIM contém os quatro principais instrumentos científicos do JWST: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 câmera de infravermelho próximo, construída pela Universidade do Arizona e pela Lockheed Martin, desempenhará duas funções importantes. A primeira é capturar imagens na faixa de comprimento de onda de 600nm a 5000nm usando uma exposição de 10.000 segundos (aproximadamente 2,8 horas). Projetado para operar a 37K (~ -393°F), ele observará e registrará a luz produzida por algumas das primeiras estrelas e galáxias formadas no universo após o Big Bang. Sua outra função importante é monitorar constantemente o desempenho dos 18 segmentos do Espelho Primário, garantindo que o telescópio permaneça em foco.

O Near-Infrared Spectrograph, contribuído pela Agência Espacial Europeia (ESA), é o único que pode analisar simultaneamente até 100 objetos em um campo de visão de 3 minutos de arco × 3 minutos de arco na faixa de comprimento de onda de 600 nm a 5000 nm. Ele pode fazer isso graças a um sistema inovador de quatro matrizes de máscaras de fenda programáveis ​​contendo cerca de 250.000 micro obturadores, cada um medindo apenas 100 × 200 mícrons. O NIRSpec tem quatro modos operacionais:Espectroscopia de múltiplos objetos (MOS), modo de unidade de campo integral (IFU), espectroscopia de fenda de alto contraste (SLIT) e modo de imagem (IMA). Assim como a Near Infrared Camera, ela será usada para analisar a luz coletada desde as origens do universo.

O instrumento de infravermelho médio foi projetado para funcionar como uma câmera e um espectrógrafo e capta onde os instrumentos de infravermelho próximo param, capturando e analisando a luz na faixa de comprimento de onda de 5.000 nm a 28.000 nm. A chave para seu desempenho nessa área são seus detectores de silício dopados com arsênico, também conhecidos como Focal Plane Modules (FPMs), que possuem resolução de 1024 × 1024 pixels. O MIRI, que é resfriado criogenicamente a 7K (~ -447°F), também contém um espectrômetro de baixa resolução equipado com prismas de germânio metálico e sulfeto de zinco que podem analisar a luz na faixa de comprimento de onda de 5000nm a 12000nm. Também está equipado com coronógrafos, dando-lhe a capacidade de estudar exoplanetas.

Finalmente, o Fine Guidance Sensor/ Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph, construído pela Agência Espacial Canadense, foi projetado para observar a luz na faixa de comprimento de onda de 800nm ​​a 5000nm e desempenha duas funções. O sensor de orientação fina fornece o senso de direção do JWST, visando alvos designados. O Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph, que é equipado com uma matriz de mercúrio-cádmio de 2048 × 2048 pixels e tem um campo de visão de 2,2 pés × 2,2 pés, foi projetado para detectar e analisar exoplanetas.

O Optical Telescope Element (OTE) é, como o próprio nome indica, os olhos do JWST. Segundo a NASA, é composto pelos 18 segmentos hexagonais que compõem o espelho primário de 6,5 metros; o espelho secundário circular de 0,74 metros; os espelhos de direção terciários e finos; o conjunto do painel traseiro do espelho primário e o acessório de suporte do painel traseiro principal, que também abriga o módulo de instrumento; o subsistema de gestão térmica; radiador ISIM desdobrável na popa (ADIR); e o sistema de detecção e controle de frente de onda da espaçonave.

Os Subsistemas

A peça final do quebra-cabeça é o Spacecraft Element, que consiste no protetor solar e no Spacecraft Bus. Além de suportar toda a massa de 6.500 kg do telescópio, o Spacecraft Bus, que é feito de material compósito de grafite, abriga os seis subsistemas principais do JWST, a saber, o subsistema de energia elétrica, o subsistema de controle de atitude, o subsistema de comunicação, o comando e subsistema de manipulação de dados, o subsistema de propulsão e o subsistema de controle térmico.

A função primária do subsistema de energia elétrica é converter a energia coletada pelos painéis solares em energia elétrica necessária pelos outros subsistemas. O subsistema de controle de atitude gerencia a orientação e a estabilidade do telescópio em órbita. O subsistema de comunicação lidará com a transmissão de dados e sinais de comando através da Deep Space Communication Network da NASA. O subsistema de manipulação de comandos e dados contém o computador principal do JWST e o Command Telemetry Processor (CTP), bem como seu dispositivo de armazenamento de dados Solid State Recorder (SSR). O subsistema de propulsão consiste nos foguetes e tanques de combustível necessários para apontar o telescópio e mantê-lo em sua órbita adequada. E o subsistema de controle térmico é projetado para controlar os quatro conjuntos de sombra de radiador implantáveis ​​e manter temperaturas operacionais críticas a bordo da espaçonave.

Com base na extraordinária quantidade e qualidade dos dados coletados pelos Telescópios Espaciais Hubble e Spitzer, a sensação de antecipação e entusiasmo em relação ao que podemos aprender com o JWST é compreensivelmente alta. Sua duração de missão projetada é de 5 a 10 anos e, dentro desse período, os cientistas esperam não apenas aprender mais sobre as origens e formação do nosso universo, mas também reunir informações valiosas sobre outros mistérios, como buracos negros, supernovas, galáxias bebês e galáxias distantes. planetas que podem ter o potencial para sustentar a vida.

Independentemente do que descobrir, como a ficcional Starship Enterprise na popular série de televisão Star Trek, o JWST nos dará a capacidade real de ir cientificamente “onde nenhum homem foi antes”.

Este artigo foi escrito por Bruce A. Bennett, Editor, Photonics &Imaging Technology, SAE Media Group (Nova York, NY).

Fontes

• Ivanova, Nelly. 2012. O Espaço James Webb
• Guia de ciência do telescópio . Baltimore:Espaço
• Telescope Science Institute (STScl).
• https://jwst.nasa.gov/
• https://www.nasa.gov/