Telescópio Espacial James Webb: Revelando as Origens do Universo

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 Próxima 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 NASA, Agência Espacial Canadense (CSA), Agência Espacial Europeia (ESA), fabricante aeroespacial Northrop Grumman, e o Instituto de Ciência do Telescópio Espacial, que operará o telescópio após seu lançamento.

Tecnologia Infravermelha

O que torna o JWST diferente dos telescópios espaciais que o precederam, como o histórico 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 ficam “esticadas”, o que significa que mudam para comprimentos de onda de energia mais longos e avermelhados. Em algum ponto, a luz 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 especificamente projetado para capturar imagens dessas ondas de luz infravermelha e analisá-las usando espectroscopia de ponta.

O JWST não será a primeira vez que cientistas usam tecnologia infravermelha para explorar o universo. Em 1983, a NASA lançou seu revolucionário Satélite Astronômico Infravermelho (IRAS) em órbita, tornando-o o primeiro telescópio infravermelho baseado no espaço do mundo. Um projeto conjunto engenhado por EUA, Países Baixos e Reino Unido, orbitou a 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 eventualmente resultou no desenvolvimento do Telescópio Espacial Spitzer, lançado em 2003.

Entre esses marcos, a Agência Espacial Europeia, 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 imagem 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 infravermelha equipando-o com a Câmera Infravermelha Próxima e Espectrômetro de Múltiplos Objetos (NICMOS) durante a Missão de Serviço 2 (STS-82).

O NICMOS, um dispositivo combinado de imagem e espectrômetro projetado e construído pela Ball Aerospace & Technologies Corp., apresentava três detectores infravermelhos próximos de telureto de mercúrio e cádmio 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 Missão de Serviço 3B (STS-109), foi eventualmente substituído em 2009 pela Câmera de Campo Largo 3 (WFC3) durante a Missão de Serviço 4 (STS-125). Embora não seja estritamente um instrumento infravermelho — também tinha um canal UV e óptico capaz de gravar imagens na faixa de 200 a 1000 nm — o WFC3 tinha um detector infravermelho próximo projetado para capturar imagens na faixa de 800 - 1700 nm. Embora limitado em sua capacidade infravermelha comparado ao NICMOS (1700 nm vs. 2500 nm), o WFC3 podia ser resfriado termoelectricamente, eliminando a necessidade de resfriamento criogênico.

O Espelho

Argumentavelmente o instrumento científico mais tecnologicamente avançado já lançado ao espaço, o JWST não apenas combinará os melhores aspectos dos telescópios espaciais Hubble e Spitzer, mas os excederá em muito, começando pelo tamanho de seu espelho primário. O espelho do Webb terá 6,5 metros de diâmetro comparado ao espelho de 2,4 metros do Hubble e ao compacto espelho de 0,8 metros do Spitzer.

Como um espelho desse tamanho é grande demais para caber dentro de qualquer veículo de lançamento atual, ele consistirá em 18 segmentos hexagonais individuais feitos de berílio leve que se desdobrarão e ajustarão automaticamente à forma uma vez em órbita. Cada segmento será revestido por deposição de vapor em vácuo 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 g/cm³), isso resulta em 48,25g de ouro — aproximadamente a mesma massa de uma bola de golfe — para revestir uma área de superfície de 25m². Por que ouro? Refletividade superior. O ouro refletirá 98% da luz infravermelha coletada, enquanto um material como alumínio tipicamente reflete apenas cerca de 85% da luz visível.

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

O Protetor Solar

O protetor solar do telescópio, que tem aproximadamente o tamanho de uma quadra de tênis (21,197m × 14,162m), é de longe o maior elemento do JWST. Consistindo em cinco camadas de Kapton® Du-Pont™ revestido de silício, cada camada com menos de 1mm de espessura, o propósito 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 (~110°C), enquanto a camada 5 pode suportar uma temperatura máxima de 221K (~-52°C) e uma temperatura mínima de 36K (~-237°C). Como detectores infravermelhos preferem temperaturas frias e qualquer calor gerado pelos sistemas a bordo do JWST poderia poluir os sinais infravermelhos sendo coletados, a temperatura de operação preferida do telescópio é abaixo de 50K (~-223°C).

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 da viagem espacial. Eles conseguiram isso criando um sistema engenhoso de nervuras de suporte que fornecerão a estabilidade estrutural necessária sem se tornarem quebradiças. O sistema também tolerará pequenos rasgos e furos causados por detritos espaciais sem falhar.

Em termos de tecnologia, o JWST pode ser dividido em três seções: o Módulo Integrado de Instrumentos Científicos (ISIM), o Elemento do Telescópio Óptico, e o Elemento da Espaçonave.

Os Instrumentos Científicos

O ISIM contém os quatro principais instrumentos científicos do JWST: a Câmera Infravermelha Próxima (NIRCam), o Espectrógrafo Infravermelho Próximo (NIRSpec), o Instrumento de Infravermelho Médio (MIRI), e o Sensor de Orientação Fina / Imageador Infravermelho Próximo e Espectrógrafo sem Fenda (FGS/NIRISS).

A Câmera Infravermelha Próxima, construída pela Universidade do Arizona e Lockheed Martin, realizará 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). Projetada para operar a 37K (~-236°C), ela 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 Espectrógrafo Infravermelho Próximo, contribuído pela Agência Espacial Europeia (ESA), é único porque 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 600nm a 5000nm. Ele pode fazer isso graças a um sistema inovador de quatro arrays de máscaras de fenda programáveis contendo aproximadamente 250.000 micro-obturadores, cada um medindo apenas 100 × 200 mícrons. O NIRSpec tem quatro modos operacionais: Espectroscopia de Múltiplos Objetos (MOS), Modo Unidade de Campo Integral (IFU), Espectroscopia de Fenda de Alto Contraste (SLIT), e Modo de Imagem (IMA). Como a Câmera Infravermelha Próxima, será usado para analisar a luz coletada das origens do universo.

O Instrumento de Infravermelho Médio é projetado para funcionar tanto como uma câmera quanto como um espectrógrafo e continua onde os instrumentos de infravermelho próximo param, capturando e analisando luz na faixa de comprimento de onda de 5000nm a 28000nm. A chave para seu desempenho nesta área são seus detectores de silício dopado com arsênio, também conhecidos como Módulos de Plano Focal (FPMs), que têm uma resolução de 1024 × 1024 pixels. O MIRI, que é criogenicamente resfriado a 7K (~-266°C), também contém um Espectrômetro de Baixa Resolução equipado com prismas de germânio e sulfeto de zinco que podem analisar luz na faixa de 5000nm a 12000nm. Também é equipado com coronógrafos, dando-lhe a capacidade de estudar exoplanetas.

Finalmente, o Sensor de Orientação Fina / Imageador Infravermelho Próximo e Espectrógrafo sem Fenda, construído pela Agência Espacial Canadense, é projetado para observar luz na faixa de comprimento de onda de 800nm a 5000nm e realiza duas funções. O Sensor de Orientação Fina fornece o senso de direção do JWST, apontando-o para alvos designados. O Imageador Infravermelho Próximo e Espectrógrafo sem Fenda, que é equipado com um array de mercúrio e cádmio de 2048 × 2048 pixels e tem um campo de visão de 2,2 pés × 2,2 pés, é projetado para detectar e analisar exoplanetas.

O Elemento do Telescópio Óptico (OTE) é, como seu nome implica, os olhos do JWST. Segundo a NASA, consiste nos 18 segmentos hexagonais que compõem o espelho primário de 6,5 metros; o espelho secundário circular de 0,74 metros; os espelhos terciários e de direção fina; o conjunto do painel traseiro do espelho primário e o suporte principal do painel traseiro, que também abriga o módulo de instrumentos; o subsistema de gerenciamento térmico; radiador ISIM destacável (ADIR); e o sistema de detecção e controle de frente de onda da espaçonave.

Os Subsistemas

A peça final do quebra-cabeça é o Elemento da Espaçonave, que consiste no protetor solar e no Barramento da Espaçonave. Além de suportar toda a massa de 6500 kg do telescópio, o Barramento da Espaçonave, feito de material composto de grafite, abriga os seis principais subsistemas do JWST, a saber: o subsistema de energia elétrica, o subsistema de controle de atitude, o subsistema de comunicação, o subsistema de comando e manipulação de dados, o subsistema de propulsão, e o subsistema de controle térmico.

A função principal do subsistema de energia elétrica é converter a energia coletada pelos painéis solares na energia elétrica necessária pelos outros subsistemas. O subsistema de controle de atitude gerencia a orientação e estabilidade do telescópio em órbita. O subsistema de comunicação lidará com a transmissão de dados e sinais de comando através da Rede de Comunicação de Espaço Profundo da NASA. O subsistema de comando e manipulação de dados contém o computador principal do JWST e o Processador de Telemetria de Comando (CTP), bem como seu dispositivo de armazenamento de dados Gravador de Estado Sólido (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 Radiadores Destacáveis e Sombreados e manter temperaturas críticas de operação a bordo da espaçonave.

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

Independentemente do que descubra, como a fictícia nave estelar Enterprise na popular série de televisão Star Trek, o JWST nos dará a capacidade muito real de cientificamente ir “onde nenhum homem jamais esteve”.

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

Fontes

• Ivanova, Nelly. 2012. The James Webb Space
• Telescope Science Guide. Baltimore: Space
• Telescope Science Institute (STScl).
• https://jwst.nasa.gov/
• https://www.nasa.gov/