Um resumo da história do telescópio espacial

Por Jonathan Amos
BBC Science

A escuridão completa pode ser conseguida no fundo de uma caverna, talvez; ou em um porão quando a energia é desligada. Mas geralmente há um brilho fraco vindo de algum lugar. Mesmo o céu noturno nunca parece realmente preto, até porque geralmente há uma ou duas estrelas brilhando à distância.

Portanto, é difícil imaginar uma época em que tudo o que existia eram trevas, quando você poderia viajar em qualquer direção por milhões de anos e ainda não ver absolutamente nada. Mas esta é a história que os cientistas nos contam, da “idade das trevas” que se apoderou do Universo antes de as primeiras estrelas se inflamarem. E muito em breve, eles pretendem nos mostrar aquela época, ou melhor, como ela terminou – como o cosmos finalmente se encheu de luz.

Eles farão isso usando o maior telescópio já colocado fora da Terra: o Telescópio Espacial James Webb.

Com lançamento previsto para os próximos dias, o JWST tem a missão de olhar mais fundo no Universo – e, portanto, mais para trás no tempo – do que até mesmo o lendário Telescópio Espacial Hubble, que teve sucesso.

Espelho principal Webb — “Simplesmente hipnotizante”: o enorme espelho do Webb é feito de berílio revestido de ouro

Equipado com um espelho de 6,5 m de largura e quatro instrumentos super-sensíveis, Webb ficará olhando por dias para um ponto muito estreito no céu para detectar a luz que viajou através da imensidão do espaço por mais de 13,5 bilhões de anos.

“Eles serão apenas pequenas manchas vermelhas”, disse o cientista sênior do projeto da JWST e ganhador do Prêmio Nobel, John Mather.

“Achamos que deveria haver estrelas, galáxias ou buracos negros talvez começando 100 milhões de anos após o Big Bang. Não haverá muitos deles para encontrar, daquela época, mas o telescópio Webb pode vê-los se eles estiverem lá , e tivermos sorte “, disse o pesquisador da agência espacial dos EUA em uma edição especial do Discovery no BBC World Service .

É uma ideia surpreendente que se ainda possa testemunhar tal coisa. Mas essa é a consequência de a luz ter uma velocidade finita em um cosmos vasto e em expansão. Se você continuar sondando cada vez mais fundo, deverá eventualmente conseguir recuperar a luz das estrelas pioneiras à medida que elas se agrupam nas primeiras galáxias.

Mas com que propósito? Por que gastar 10 anos concebendo, e outros 20 anos construindo, uma máquina de US $ 10 bilhões para detectar algumas manchas vermelhas e fracas no céu?

Bem, basicamente tudo se resume à questão mais fundamental: De onde viemos?

Quando o Universo foi formado no Big Bang, ele continha apenas hidrogênio, hélio e um punhado de lítio. Nada mais. Todos os elementos químicos da Tabela Periódica mais pesados do que esses três tiveram que ser forjados em estrelas. Todo o carbono que constitui os seres vivos; todo o nitrogênio na atmosfera da Terra; todo o silício nas rochas – todos esses átomos tiveram que ser “fabricados” nas reações nucleares que fazem as estrelas brilhar e nas poderosas explosões que acabam com sua existência. Só estamos aqui porque as primeiras estrelas e seus descendentes semearam o Universo com o material para fazer coisas.

“A missão do Webb é sobre a formação de todas as semelhanças; é o argumento do ‘somos todos feitos de poeira estelar'”, pondera Rebecca Bowler, astrônoma da Universidade de Oxford que é membro da equipe do instrumento NIRSpec de Webb. “É sobre a formação do primeiro átomo de carbono de todos os tempos. É absolutamente incrível para mim que pudemos realmente observar esse processo em andamento.”

Não sabemos muito sobre as primeiras estrelas. Podemos colocar as leis da física em modelos de computador e executá-los para ter uma noção do que pode ser possível. E isso parece fantástico.

“As estimativas variam de 100 a 1.000 vezes a massa do nosso Sol”, disse Marcia Rieke, a principal investigadora do instrumento NIRCam do Webb. “E, de fato, todas as estrelas seguem a regra de que o período de tempo em que podem existir como uma estrela é inversamente proporcional à sua massa – ou seja, quanto mais massiva uma estrela, mais rápido ela esgota seu combustível. E assim essas estrelas primitivas pode ter durado apenas no máximo um milhão de anos ou algo assim. “

A ênfase na busca pela primeira luz das estrelas faz o JWST soar como uma “flauta de uma nota”. Na verdade, é bem mais. Ele observará quase tudo o que há para ver além da Terra – desde as luas geladas e cometas em nosso próprio Sistema Solar até os buracos negros colossais que parecem residir no centro de todas as galáxias. Deve ser particularmente apto ao estudo de planetas ao redor de outros sóis.

O telescópio, entretanto, foi ajustado para olhar para todos os seus alvos de uma maneira muito particular – no infravermelho.

O Hubble foi projetado para ser sensível à luz predominantemente em comprimentos de onda ópticos ou visíveis. É o mesmo tipo de luz que detectamos com nossos olhos. O Webb, por outro lado, está configurado especificamente para detectar comprimentos de onda mais longos, que, embora invisíveis aos nossos olhos, estão exatamente no regime em que aparecerá o brilho dos objetos mais distantes do Universo.

“A luz das estrelas distantes é esticada pela expansão do Universo e muda para a região infravermelha do espectro. Chamamos isso de redshift“, explica Richard Ellis, astrônomo da University College London que está impaciente para explorar o fim da idade das trevas.

“O fator limitante que temos com o Hubble, por exemplo, é que ele não chega longe o suficiente no infravermelho para detectar o sinal da luz das estrelas que queremos. Também não é um telescópio particularmente grande. Foi uma máquina pioneira, com certeza. Incrível em suas fotos. Mas o diâmetro de seu espelho é de apenas 2,4 m, e a potência de um telescópio é dimensionada com o quadrado do diâmetro do espelho. E é aí que entra o JWST. “

Foi o astrônomo do século 18, William Herschel, quem descobriu o infravermelho. Ele também revolucionou a produção de espelhos telescópicos. Suas máquinas de polimento com manivela podiam alcançar uma superfície refletiva superlisa em um disco fundido de uma liga de estanho e cobre.

Herschel teria apreciado a inovação incluída na produção dos espelhos do Webb.

Eles são feitos do metal berílio, que é leve e mantém sua forma em temperaturas muito baixas. E então há o revestimento de ouro. É extremamente fino, com apenas algumas centenas de átomos de espessura, mas essa adição transforma os espelhos em refletores quase perfeitos ao infravermelho.

Noventa e oito por cento da luz incidente é devolvida, garantindo que a emissão de estrelas distantes sofra perdas mínimas quando chega aos instrumentos do Webb.

Como os telescópios cobrem diferentes partes do espectro eletromagnético

Qualquer um que tenha visto o espelho primário segmentado de 6,5 m do telescópio atestará sua qualidade hipnotizante. Mesmo aqueles que trabalharam nele por duas décadas nunca se cansam de sua beleza. “Houve um tempo em que o espelho estava apontado para baixo e eu tinha que passar por baixo dele para fazer uma inspeção da ótica da traseira”, lembra Lee Feinberg da NASA, que liderou a equipe de espelhos. “Então, lá estava eu em minha roupa de coelho – o traje extralimpo usado nos trabalhos de precisão -, olhando para todas aquelas superfícies douradas e me vendo sendo refletido de volta. Foi realmente incrível – todas essas superfícies focando em mim. Tive uma sensação incrível de energia, estar no centro de tudo. “

O Hubble ficou famoso por ter um grande problema com seu espelho primário. Quando o telescópio entrou em órbita em 1990, os cientistas perceberam que o refletor não havia sido polido corretamente. Suas imagens iniciais de galáxias estavam borradas. Não foi até que os astronautas pudessem adotar algumas medidas corretivas que o Hubble começou a ver o cosmos com clareza. E talvez não sem razão, é por causa dessa experiência que todos perguntam se o espelho de Webb tem garantia de perfeição.

Os engenheiros colocaram o telescópio no simulador espacial que foi usado na década de 1960 para controlar o equipamentos da nave espacial Apollo e até mesmo astronautas com trajes espaciais.

A câmara A, como é conhecido o recipiente a vácuo, tem um volume gigantesco e foi capaz de engolir o telescópio inteiro (sem a proteção solar). O objetivo do teste de três meses era levar o Webb à temperatura operacional de pouco menos de -233 ° C (40 kelvin), para ver se todos os seus espelhos focariam conforme o planejado. Isso também daria às equipes que trabalham nos quatro instrumentos a chance de ver como seus sistemas funcionavam em condições simuladas de outro mundo.

Em determinada ocasião, uma tempestade atingiu a área de preparação da espaçonave, e em certo momento, os consoles de computador que conversavam com telescópio dentro da Câmara A tinham que ser cobertos por uma folha de plástico para protegê-los do risco de pingar água do teto. Mas escondido atrás das grossas paredes do recipiente de vácuo, o próprio Webb estava seguro e demonstrando que não tinha um “problema de Hubble”.

“Os segmentos no espelho primário têm atuadores atrás deles que nos permitem movê-los, até mesmo mudar sua curvatura”, explica Lee Feinberg. “Quando implantados pela primeira vez no espaço, esses segmentos ficarão desalinhados. Mas todos esses atuadores nos levarão de um desalinhamento medido em milímetros para apenas nanômetros. Um fator de melhoria de um milhão.” Esses atuadores farão com que os 18 segmentos se comportem como se fossem um único espelho monolítico.

A engenheira de sistemas de instrumentos da NASA, Begoña Vila, acrescenta: “Isso é o que demonstramos na câmara de teste. Sabemos que quando focamos em uma estrela no espaço pela primeira vez, veremos 18 pontos de luz diferentes porque os 18 segmentos de espelho individuais não estão alinhados. Mas então nós ajustaremos esses espelhos para reunir todos os pontos para fazer uma única estrela que não seja aberrada e boa para operações normais. Sabemos que o Webb funcionará.

Uma cientista segura uma caixa plástica da Tupperware: “Este não é um Tupperware antigo; é um Tupperware qualificado para uso espacial. Ele atende a todos os padrões internacionais para manter as coisas perfeitamente limpas por anos”, disse o diretor do Centro de Tecnologia de Astronomia do Reino Unido.

Se você quer entender o quão avançado é JWST, mas também por que sua construção demorou tanto – cerca de 20 anos na fase de construção – você precisa olhar na caixa de plástico de Gillian. Ele contém um “espelho de corte” sobressalente do Mid-Infrared Instrument (MIRI) que ela e seus colegas construíram para o telescópio.

Mais ou menos do tamanho de uma moeda britânica de 50 centavos, parece um mini acordeão musical feito para uma boneca. O pequeno espelho – mais uma vez revestido de ouro – contém uma série de “degraus” inclinados.

O arranjo permite que o espelho adquira uma imagem do céu, mas também corte a luz de, digamos, uma galáxia ou a borda de um buraco negro, e então envie essa luz para um espectrógrafo. Este dispositivo irá revelar a química, temperatura, densidade e velocidade dos alvos em estudo.

“Mas não apenas em um ponto da imagem, mas em todos os pontos da imagem, todos ao mesmo tempo. Você vai de 2D para 3D – para o que chamamos de cubo de dados”, ela diz.

James E Webb foi uma figura-chave na NASA encarregada de implementar o projeto Apollo de pousos na Lua

Isso havia sido feito na astronomia terrestre, mas era uma novidade para o James Webb. Além do mais, o nível de precisão de engenharia exigido era extremamente desafiador. Os degraus tinham que ser usinados com muito cuidado para que tivessem bordas extremamente nítidas, caso contrário, a luz de diferentes comprimentos de onda iria sangrar através do espelho, contaminando os dados.

Demorou um ano para convencer as agências espaciais de que os espelhos cortantes do MIRI atenderiam às especificações. E o negócio é o seguinte: este é apenas um pequeno componente em uma parte de um telescópio gigante.

Quando eles montaram o Webb, cada um desses elementos teve que ser testado e, em seguida, testado novamente quando unido a outro elemento. Todo o edifício foi construído como uma boneca russa matrioshka – elemento dentro de elemento.

O ex-cientista do projeto da NASA, Mark Clampin, explica: “Por ser um observatório tão grande e complexo e também porque tem que funcionar em temperaturas criogênicas, você não pode simplesmente juntar tudo de uma vez e depois testá-lo. Você coloca tudo em compartimentos selados , pacotes isolados termicamente, começando com as menores peças e indo para cima, testando em cada estágio. E então, conforme tudo fica cada vez maior, torna-se virtualmente impossível voltar porque você encontrou um problema em um detector, digamos. “

Imagine que no final da construção do telescópio eles percebessem que um dos espelhos cortantes do MIRI estava com defeito. Desmontar o observatório multibilionário para chegar à parte com defeito seria o pesadelo de todos os pesadelos.

James Webb *dobrado* para caber no nariz de seu foguete de lançamento

Mark McCaughrean é um astrônomo britânico especializado em infravermelho que trabalhou no projeto por 23 anos como consultor da Agência Espacial Européia. Ele já viu pedaços do Webb antes, mas apenas semanas antes do lançamento esperado, do espaçoporto de Kourou na Guiana Francesa, ele terá a chance de examinar o observatório concluído pela primeira vez.

“Não tenho ideia do que dizer. É surpreendente.” Há emoção em sua voz.

Os espelhos e mantas isolantes são uma mistura de ouro e prata. A última cor tem um leve tom púrpura. Estamos vendo o Webb em sua configuração dobrada, mas ainda assim é do tamanho de um único ônibus de piso duplo.

Este “ônibus” foi levantado para caber confortavelmente no nariz de seu foguete-portador Ariane 5.

“Tem uma escala incrível”, comenta Mark. “Quando se desenrolar no espaço – será um pássaro voando livremente no cosmos – isso seria uma linda coisa de se ver!”

O Webb teve que lutar contra os opositores durante todo o seu desenvolvimento. “É muito complexo”, diziam eles. E quando você considera a sequência de operações que o telescópio deve completar para começar suas observações do cosmos, é meio assustador.

Os engenheiros referem-se a “falhas de ponto único” para descrever as ações que, se não ocorrerem na hora e na ordem certa, provavelmente prejudicarão todo o empreendimento. O Webb teve que superar 344 desses obstáculos decisivos.

Algumas ações devem ser muito diretas, como a implantação de um painel solar e antena de rádio minutos imediatamente após o lançamento.

Mesmo a abertura das abas do espelho primário deveria ser considerada uma operação bastante normal. Mas as ações se concentraram em torno do desdobramento do escudo do tamanho de uma quadra de tênis que manterá Webb resfriado e protegerá sua visão do brilho do Sol – isso é outro assunto.

“Algumas dos principais mecanismos incluem 140 motores de liberação, cerca de 70 conjuntos de dobradiça, oito motores de extensão; temos rolamentos, molas, engrenagens; cerca de 400 polias são necessárias e 90 cabos, totalizando 400 metros”, disse Krystal Puga, da indústria aeroespacial fabricante Northrop Grumman.

“Para aperfeiçoar a sequência, realizamos vários testes de implantação ao longo de vários anos em modelos pequenos e grandes. Praticamos não apenas a implantação, mas também o processo de armazenamento. Isso nos dá a confiança de que Webb será estendido com sucesso.” Amber Straughn, uma astrofísica da equipe científica do JWST da NASA, explica por que o telescópio é tão importante e emocionante. “Para aqueles de nós que não estiveram diretamente envolvidos no projeto, todo o processo de desdobramento parece assustador. E se um dos cordões que puxam as membranas superfinas se soltar ou, pior ainda, se quebrar?”

John Mather é a voz calma. Seus muitos anos no empreendimento o levaram a uma posição filosófica. “Estou confiante”, diz ele, “e, no entanto, também estou ciente de que não importa quão bom seja o plano que temos – e temos um plano muito bom – coisas ruins ainda podem acontecer. Mas minha opinião não tem efeito sobre o sistema. E, conseqüentemente, minha preocupação também não tem efeito. Então, eu geralmente não me preocupo. “

Borboleta — Dado tudo o que o Hubble nos mostrou, o antigo telescópio agora parece um investimento muito sólido

E agora, o custo do telescópio espacial.

O valor que todos citam é de US $ 10 bilhões (em libras, £ 7,5 bilhões; euros, € 9 bilhões). Abrange o período de construção direta de 20 anos, o lançamento e cinco anos de operações no espaço.

Como um número frio, é de lacrimejar. Mas vale lembrar que o Hubble também era muito caro. O lendário observatório custou mais de US $ 7 bilhões em dólares quando foi lançado e reparado. Deve estar mais perto do dobro agora.

Mas, considerando tudo o que Hubble nos mostrou sobre o Universo e nosso lugar nele, o antigo telescópio parece ter um bom valor.

Telescópio webb — Para os europeus, o custo do Webb equivale ao preço de uma xícara de café barato

Se o Webb tiver sucesso em nos mostrar nossas origens atômicas, quem continuará a reclamar dos custos? “No valor de face, há muitos zeros, e só a Europa gastou € 700 milhões (£ 600 milhões; US $ 800 milhões) no James Webb”, disse o ex-gerente de projetos da Agência Espacial Europeia, Peter Jensen.

“Mas quando você olha para isso como um custo por habitante na Europa, isso se resume a uma xícara de café em uma lanchonete barata, bebido por um período de 20 anos.”