Observatório espacial permitirá uma revolução na Astronomia
O JWST tem um design totalmente novo. Para impedir que a luz solar atinja seus detectores infravermelhos superfrios, ele tem uma proteção solar do tamanho de uma quadra de tênis, composta de cinco camadas de filme de kapton, cada uma não mais grossa do que um saco plástico. Junto com outros tipos de guarnição, o escudo também ajudará a proteger contra impactos de meteoritos. O espelho primário gigantesco do telescópio, com 6,5 metros de diâmetro é um mosaico de 18 segmentos hexagonais ajustados, e tudo deve ser dobrado para caber dentro da coifa de cabeça do foguete para lançamento.
Seu destino final é uma órbita estável em torno do ponto 2 de Lagrange, ou L2, a 1,6 milhão de quilometros da Terra – um ponto que equilibra as forças gravitacionais de Sol, Terra e Lua para que o telescópio precise de um mínimo de propelente para correções de órbita. Ao contrário do Hubble, o JWST não foi projetado para ser servido por astronautas. O Hubble foi salvo em 1993 por uma equipe de reparos que corrigiu o espelho deformado com o qual o telescópio havia sido lançado três anos antes. Não haverá tal resgate se algo der errado com o JWST; o observatório deve funcionar perfeitamente. Garantir que isso aconteça custou à NASA muito tempo e dinheiro à medida que os engenheiros testavam, e criaram redundâncias suficientes – “dois de tudo” – para evitar falhas.
O observatório será protegido do Sol e da Terra pelo grande guarda-sol extensível, e todo o conjunto do telescópio será resfriado passivamente dando ao JWST um desempenho excepcional nas bandas de onda do infravermelho próximo e infravermelho médio. A faixa de comprimento de onda da linha de base para a instrumentação é de 0,6 – 28 µm, e o telescópio será limitado por difração acima de 2 µm. A sensibilidade do telescópio será limitada apenas pelo fundo zodiacal natural, e deve exceder a de observatórios baseados em terra e outros baseados no espaço por fatores de 10 a 100.000, dependendo do comprimento de onda e tipo de observação. O observatório terá uma vida útil de 5 anos (com uma meta de dez anos de operação). A massa total no lançamento é estimada em 6.500 kg.
Como o Hubble, o JWST será usado por uma ampla comunidade astronômica para observar alvos que vão desde objetos no Sistema Solar até as galáxias mais remotas vistas durante sua formação no início do universo.
Lançamento: A ESA, a NASA e a Arianespace definiram conjuntamente para após 22 de dezembro de 2021 como a data de lançamento prevista para o voo VA256 do Ariane 5. Este lançamento do Ariane 5 foi adiado de 18 para “depois do dia 22” após um defeito relacionado com a operação de uma banda ‘clamp band’ retentora nos testes de pré-lançamento na última semana de novembro de 2021. O foguete decolará do espaçoporto europeu na Guiana Francesa.
Estrutura
Em sua configuração estendida e operacional, a espaçonave tem 9,8 metros de altura, 14,82 m de largura e 21,16 metros de comprimento.
O JWST tem dois lados, divididos por seu protetor solar: o lado ‘quente’, voltado para o Sol e a Terra, e o lado ‘frio’ voltado para o espaço. Os painéis solares, antena de comunicação, sistema de navegação e sistemas eletrônicos residem no lado quente. Os espelhos e instrumentos científicos, muito sensíveis à radiação infravermelha, ficam alojados no lado ‘frio’, onde ficam protegidos pelo protetor solar.
ESPELHO PRIMÁRIO: composto pelos 18 segmentos hexagonais que funcionam como um único espelho de 6,5 metros feitos de berílio. Cada segmento de espelho é montado em um hexápodo com atuadores que permitem ajustes finos em seis graus de liberdade: posição x e y, pistão, ponta, inclinação e clocking. Um atuador adicional no centro de cada segmento de espelho primário faz o controle do raio de curvatura. Este sistema permite que os controladores criem o tempo preciso de todos os segmentos para funcionarem como um grande espelho. O conjunto dos espelhos foram construídos em segmentos, sobre uma estrutura que se desdobra , como as folhas de uma mesa rebatível, para que possa caber na coifa de cabeça do foguete. O espelho então se desdobraria após o lançamento. Cada um dos 18 segmentos de espelho em forma hexagonal tem 1,32 metros de diâmetro, de plano a plano. (O espelho secundário tem 0,74 metro de diâmetro.) A forma hexagonal permite um espelho segmentado aproximadamente circular com “alto fator de preenchimento e simetria de seis vezes”. O alto fator de preenchimento significa que os segmentos se encaixam sem lacunas. Se os segmentos fossem circulares, haveria lacunas entre eles. A simetria é “boa” porque só precisa haver 3 prescrições ópticas diferentes para dezoito segmentos, seis de cada . Finalmente, uma forma geral de espelho mais ou menos circular é desejada porque isso focaliza a luz na região mais compacta dos detectores. Um espelho oval, por exemplo, daria imagens alongadas em uma direção. Um espelho quadrado enviaria muita luz para fora da região central.
SUBSISTEMA AFT-OPTICS: contém o espelho terciário fixo e o espelho de direção fino. A característica mais proeminente do Subsistema Óptico-traseiro é um defletor central projetando-se do centro do espelho primário. Este defletor evita que a luz difusa entre na óptica do JWST.
ESPELHO SECUNDÁRIO: disseca a luz do espelho primário para onde ela pode ser controlada pelos instrumentos. O espelho secundário é móvel e pode ser ajustado para focar no telescópio.
MÓDULO DE INSTRUMENTOS CIENTÍFICOS INTEGRADOS (ISIM): Integrated Scientific Instrument Module, é a estrutura que contém os quatro instrumentos científicos.
SUNSHIELD: suas cinco camadas de Kapton impedem que a luz infravermelha (ou calor) do Sol, da Terra e da Lua, bem como a eletrônica do chassi da espaçonave, alcance os espelhos e instrumentos científicos.
ANTENA DE ALTO GANHO: principal antena de dados e meio de comunicação entre a espaçonave e os controladores na Terra. Os dados científicos e imagens são transmitidos à Terra a partir dessa antena.
PAINEL SOLAR: converte a luz solar na energia necessária para operar os instrumentos científicos e os subsistemas das espaçonaves. O painel de seis metros fornecerá toda a energia de que o observatório precisa, convertendo a luz solar em eletricidade. O painel solar do Webb é sua primeira e mais importante extensão. O pequeno – porém eficaz – painel irá se liberar como um acordeão para uma configuração endireitada logo após o lançamento. A eletricidade que ele gerar ajudará a operar os subsistemas de propulsão e comunicação do telescópio, bem como seus instrumentos científicos. O painel solar é composto de cinco painéis articulados para serem dobrados e caberem facilmente na coifa do foguete Ariane 5.
RASTREADORES DE ESTRELAS: usa estrelas-guia para apontar o telescópio de maneira aproximada. Os dados do rastreador de estrelas permitem que o sistema de alinhamento e controle aponte o telescópio para que o alvo apareça no campo de visão do instrumento pretendido. Uma vez que uma observação é iniciada, os Sensores de Orientação Fina (localizados no ISIM com os instrumentos) podem compensar pequenos desvios no alinhamento do observatório e ajudar o telescópio a manter seu bom direcionamento.
CHASSI: oferece as funções de suporte necessárias para o funcionamento do observatório. Ele contém seis subsistemas principais de espaçonaves: Subsistema de Energia Elétrica, Subsistema de Controle de Altitude, Subsistema de Comunicação, Subsistema de Comando e Manipulação de Dados, Subsistema de Propulsão e Subsistema de Controle Térmico.
MOMENTUM TRIM TAB: equilibra a pressão exercida na proteção solar pela luz do sol (fótons). Funciona como uma aba de acabamento na vela. O flap não é ajustável em órbita.
Seu módulo de instrumentos científicos integrado – ISIM – é a carga útil científica. Junto com o telescópio e o chassi da espaçonave, o ISIM é um dos três elementos que compõem o veículo espacial. Com 1.400 kg, representa aproximadamente 20% da massa total do observatório. Para maximizar a eficiência em relação à massa, demanda de eletricidade e custo de engenharia não-recorrente, os quatro instrumentos científicos não foram projetados como sistemas autônomos tradicionais; em vez disso, o ISIM suporta nove subsistemas principais que são compartilhados por cada um dos instrumentos científicos. São eles: a estrutura de medição óptica, o Compartimento Eletrônico ISIM (ISIM Electronics Compartment, IEC), o radiador “de chicote”, o sistema de controle de dados e comando do ISIM (ICDH – ISIM control data and handling), a unidade de serviços remotos ISIM (IRSU – ISIM remote service unit) , o sistema de cablagem elétrica, o sistema de controle térmico, sistema de software de vôo e sistema de script a bordo.
As principais tecnologias a bordo são :
• Grandes espelhos de berílio desdobráveis e leves (um espelho de 6,5 metros composto por 18 segmentos individuais, ajustáveis por atuadores criogênicos). Para caber dentro da coifa de cabeça do veículo lançador, o espelho principal do deve ser dobrado em seções, então desdobrado (estendido) após o lançamento, tornando-o o primeiro sistema óptico segmentado estendido no espaço.
• Extensão de grandes estruturas. Uma vez no espaço, o protetor solar multicamadas que estava dobrado sobre o sistema óptico durante o lançamento atingirá seu tamanho máximo e manterá o telescópio protegido do Sol.
• Introdução da tecnologia MEMS ao sistema de microshutter (microobturador) do instrumento NIRSpec. Os microobturadores são programáveis para permitir a seleção de objetos para o espectrógrafo.
Visão geral dos instrumentos de carga útil:
• NIRCam (Near-Infrared Camera), financiado pela NASA com a Universidade do Arizona como contratante principal. A Agência Espacial Canadense CSA está participando do desenvolvimento do instrumento NIRCam.
• NIRSpec (Near-Infrared multi-object Spectrograph), financiado pela ESA com a EADS Astrium GmbH como contratante principal (os conjuntos de detectores e seu micro-obturador são produzidos pela NASA / GSFC)
• MIRI (Mid-Infrared Camera-Spectrograph) um instrumento conjunto do JPL e da ESA. O instrumento (cerca de 50%) foi fornecido pelos estados membros da ESA, coordenados mas não financiados pela ESA.
• FGS (Fine Guidance Sensor) com TFI (Tunable Filter Imager), financiado pela CSA (Agência Espacial Canadense).
O aparelho é construído principalmente em alumínio 4943. Essa liga 4943 é o primeiro metal de adição de alumínio desenvolvido nos EUA, projetado para uso em aplicações forjadas comerciais, e a ser registrado na Aluminum Association em mais de 50 anos. Este novo metal de adição recebeu a classificação AWS A5.10, alocação de grupo de material de metal de adição ASME de F23 e aprovações do Canadian Welding Bureau e American Bureau of Shipping. O 4943 foi projetado principalmente para oferecer uma alternativa consistente de alta resistência ao metal 4043, na condição soldada – enquanto mantém a facilidade de soldagem e outras vantagens deste.
Propulsão do JWST
O sistema de propulsão oferece capacidade de manobra para inserção orbital, manutenção de estacionamento e gerenciamento de empuxo da espaçonave.
O subsistema de propulsão é a parte do “ônibus” da espaçonave que oferece os meios para corrigir a órbita do veículo no segundo ponto de Lagrange, para controlar a atitude em certos modos ( o attitude control system – ACS) e para descarregar o momentum armazenado das rodas de reação (quando necessário). O JWST nominalmente carrega propelente suficiente para uma missão de 10,5 anos, dependendo do desempenho real em órbita.
As manobras de correção orbital, também conhecidas como manobras delta-V, são usadas para aumentar a velocidade de injeção do foguete e para manter uma trajetória de transferência em órbita em torno do L2 e, em seguida, para manter a órbita em torno do ponto lagrangiano (as manobras de manutenção de estação) para a missão. Existem dois tipos de propulsores para essas funções. Eles são montados no ônibus da espaçonave para evitar a contaminação ou fontes de calor perto dos compartimentos OTE e ISIM do observatório. Os propulsores aumentados de combustão secundária (Secondary Combustion Augmented Thrusters – SCAT) são usados para correção de órbita (delta-V e manutenção de estação), e motores-foguete monopropelentes (MRE-1) são usados para controle de atitude e descarga de impulso das rodas de reação.
Os SCATs são propulsores bi-propelentes, utilizando hidrazina (UDMH) e tetróxido de dinitrogênio (N2O4) como combustível e oxidante, respectivamente. Eles operam em “modo de purga” com um tanque para cada propelente e usando hélio gasoso como agente pressurizante. Existem dois pares de propulsores SCAT (emparelhados para redundância). Um par está localizado próximo ao centro da parte inferior do ônibus da espaçonave, onde ela se conecta ao veículo de lançamento. Eles são usados para as primeiras manobras delta-V para atingir o L2 com a velocidade correta para a órbita operacional. Essas manobras são executadas antes que o protetor solar seja acionado.
O outro par de propulsores SCAT é montado em uma lança na lateral da espaçonave oposta ao painel solar, orientado de forma que sua direção de impulso passe pelo centro de massa do observatório. Eles são usados para a manobra de inserção de órbita e de manutenção de estação. Este par de propulsores SCAT é usado depois que o observatório estiver totalmente desdobrado.
Os propulsores MRE-1 usam hidrazina como propelente. Existem oito MRE-1s na espaçonave, e eles são orientados de forma que o torque possa ser aplicado nos eixos de controle de rotação, inclinação ou guinada. Para descargas de momentum, esses propulsores são acionados de forma que o torque aplicado produza a mudança desejada no momento angular das rodas de reação.
Foguete lançador
O foguete Ariane 5 será utilizado na configuração de lançamento único, com uma longa carenagem de carga útil proporcionando um diâmetro estático máximo de 4,57 metros e comprimento útil de 16,19 metros. Ao segundo estágio estará acoplado o adaptador de carga útil, compreendendo o Cone 3936 mais o suporte inferior ACU 2624 e uma braçadeira, que oferece a interface mecânica e elétrica de separação entre o telescópio e o foguete.
O Ariane 5 foi desenvolvido pela Agência Espacial Europeia para substituir o lançador comercial Ariane 4 da Arianespace. O foguete foi dimensionado originalmente para lançar um par de satélites, cada um pesando 2 a 3 toneladas, para uma órbita de transferência geossíncrona (GTO). Posteriormente, foi atualizado para lidar com cargas úteis duplas de 4 a 5 toneladas.
Ariane 5 usa ‘2,5’ estágios e quatro unidades de propulsão. Na decolagem, seus motores de propelente sólido segmentados duplos produzem mais de 500 toneladas de empuxo cada para aumentar as 110 toneladas de empuxo do motor Vulcain (funcionando com oxigênio LOX e hidronênio LH2 líquidos, de estágio único. O Ariane 5 ECA usa um estágio central “E” (“Evolution”), movido por um Vulcain 2 atualizado de 138 toneladas-força de empuxo e um estágio superior ESC-A. O ESC-A é um terceiro estágio do Ariane 4 de LOX / LH2 modificado com um motor HM7B de 6,4 toneladas de empuxo. Boosters de propelentes sólidos ligeiramente atualizados também foram desenvolvidos para alimentar os veículos “E”. O Ariane 5 ECA pode impulsionar cerca de 10 toneladas para aórbita de transferência geoestacionária ‘GTO’, incluindo o suporte de adaptador de carga útil. Tem 54,60 metros de altura com uma carenagem de carga útil longa.
Órbita
O JWST será colocado numa órbita de Lissajous (ou halo) ao redor do ponto lagrangiano L2. No sistema Sol-Terra, o ponto L2 está no eixo giratório entre os dois, aproximadamente à mesma distância do L1 (1,5 milhões de km, representando 1/100 da distância da Terra ao Sol), mas no lado oposto à Terra. A localização L1 está para dentro da órbita terrestre, enquanto a L2 está para fora. A órbita halo está ligeiramente fora do plano da eclíptica. Esta órbita evita os eclipses do Sol na Terra e na Lua. O período da órbita halo é de cerca de 6 meses. As manobras de manutenção da posição nominal serão realizadas a cada meia órbita (ou seja, em intervalos de cerca de 3 meses). A localização L2 oferece a visualização mais vantajosa para alvos astronômicos (olhando para o universo) devido às condições de iluminação quase constantes (mínimo de luz dispersa). Outra vantagem do L2 é que ele oferece um ambiente térmico estável. O telescópio é mantido em sombras perpétuas olhando na direção do espaço profundo. O espaço oferece uma radiação de corpo negro de 2,7 K. Este dissipador de calor ideal está sendo usado para oferecer o resfriamento passivo para a carga útil a uma faixa de temperatura de cerca de 37 K, protegido da luz solar (chegando na nave pela direção oposta) por uma proteção de cinco camadas [resfriamento passivo é o método mais elegante e econômico disponível para obter as temperaturas operacionais necessárias para detecção de infravermelho].
Sequência de extensão
Durante a órbita de transferência para o L2, diferentes elementos do JWST serão estendidos e o seu comissionamento será iniciado. Durante a jornada de quase um mês para chegar ao seu ponto de estacionamento no espaço, o telescópio irá desdobrar e estender suas partes em uma sequência complexa. Descompactando e estendendo painéis solares, antenas, anteparos, radiadores, espelhos e o próprio protetor solar (que se desdobra como um guarda-sol em camadas), o telescópio resfriará a temperaturas negativas, sendo o tempo todo mantido voltado para longe do Sol, da Lua e a da Terra para manter sua sensibilidade infravermelha. O observatório tem cinco estágios de extensão envolvendo os seguintes elementos:
1) extensão de apêndices da espaçonave (painéis solares, antena de alto ganho etc)
2) extensão do protetor solar (desdobramento dois dias após o lançamento)
3) extensão da estrutura de suporte do espelho
4) extensão do espelho secundário (posicionado em uma estrutura tipo tripé)
5) extensão das abas do espelho primário
A extensão dos painéis solares e da antena de alto ganho está programada para o primeiro dia, para prover os recursos de geração de energia a bordo e o link de comunicação da espaçonave. O desdobramento da proteção solar ocorrerá dois dias após o lançamento, enquanto o cronograma de extensão dos espelhos secundários e primários está previsto após quatro dias. A “primeira luz” ocorrerá cerca de 28 dias após o lançamento, iniciando a detecção da frente de onda e atividades de controle para alinhar os segmentos do espelho. A verificação do instrumento começará 37 dias após o lançamento, bem antes da inserção final na órbita L2 ser obtida após 106 dias. Isso será sendo seguido por procedimentos completos de comissionamento que devem durar até cerca de 6 meses após o lançamento.
“Este é o observatório-espaçonave mais complexo já experimentado”, disse Klaus Pontoppidan, astroquímico e cientista do projeto para operações científicas do JWST no Instituto de Ciência do Telescópio Espacial em Baltimore. Assim como faz com o Hubble, o instituto atua como o centro nervoso do telescópio, produzindo software para sistemas de controle de solo, coordenando a atuação inicial do observatório, agendando observações científicas para astrônomos em todo o mundo e recebendo e arquivando todos os dados.
Os cientistas começaram a trabalhar no projeto no Goddard Space Flight Center da NASA, – no então chamado de Next Generation Space Telescope – em 1995. Alan Dressler, um astrônomo sênior dos Observatórios Carnegie, ajudou a convencer o então administrador da NASA Dan Goldin de que um telescópio infravermelho era necessário no espaço, e que “poderia voltar no tempo” cerca de 13 bilhões de anos para detectar as primeiras estrelas e galáxias. Os cientistas acreditam que durante essa época, algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang, nuvens de gás neutro se condensaram para formar os primeiros objetos luminosos. Devido à expansão do universo, a luz dessas estrelas e galáxias primitivas mudou de seus comprimentos de onda mais curtos originais para o infravermelho. Infelizmente, o Hubble não consegue ver longe o suficiente nessa região do espectro. O telescópio espacial Spitzer da NASA (2003-2020) poderia, mas, com um espelho de menos de um metro de diâmetro, não tinha a capacidade de ver objetos muito distantes.
Cada um dos espelhos do telescópio é coberto por uma camada microscopicamente fina de ouro, que os otimiza para refletir a luz infravermelha – o comprimento de onda primário da luz que este telescópio observará.
“Com o Hubble, especialmente, esperávamos poder ver galáxias nascendo, mas não podemos”, explicou o cientista. “Esses objetos estão muito distantes e muito fracos. A luz deles está mais desviada para o vermelho do que o Hubble pode receber. Então o JWST nos ajudará a entender como o primeiro universo desenvolveu “sementes” que cresceriam em objetos, galáxias e buracos negros. Espera-se que a acuidade do JWST também esclareça sobre as ondas gravitacionais neste material inicial. Se as ondas gravitacionais estavam lá – ou não – faz uma grande diferença em nossa compreensão da física básica.
Orçamento e problemas técnicos
Desde o início, o escopo do projeto foi subestimado e sua execução foi mal orçamentada. As estimativas originais em 1996 para um telescópio menor eram de US $ 1 bilhão a US $ 3,5 bilhões, com uma data de lançamento projetada para em 2007. O preço ultrapassou US $ 9,3 bilhões. Os atropelos não foram uma surpresa total. O administrador da NASA, Dan Goldin, era um grande entusiasta por “fazer as coisas mais barato”. A resposta nas primeiras reuniões foi risos: “Ok, chefe, vamos tentar. Mas você não pode fazer o telescópio com o orçamento que pediu” – disseram os projetistas.
A estrutura e o tamanho do telescópio continuaram se transformando junto com a complexidade do equipamento de solo e dos sistemas de teste para garantir uma operação perfeita no espaço. Novos chips de processador tiveram que ser desenvolvidos para atender aos requisitos de desempenho de baixo ruído. O berílio não-magnético foi escolhido como substrato do espelho – em vez do vidro de sílica usado no Hubble – graças ao seu peso leve, rigidez, forte condutividade elétrica e capacidade de manter sua forma em uma faixa de temperaturas extremas. Para aumentar sua reflectividade, os espelhos tiveram que ser revestidos com uma camada de ouro de apenas 120 nanômetros de espessura, aplicada por deposição a vapor a vácuo.
O berílio atraiu os engenheiros porque esse metal rígido e leve mantém uma forma estável mesmo em temperaturas extremamente baixas. O metal também é resistente o suficiente para resistir a colisões com as minúsculas partículas no espaço – os micrometeoróides.
Essa inovação pediu um vultoso investimento. Muitas missões de astronomia contaram com contrapartes militares e de agências espaciais para sua herança técnica; Mas a NASA acabou pagando a maior parte, embora a Europa e o Canadá, como parceiros, tenham contribuído com dinheiro, pessoal e instrumentos científicos, junto com o lançamento do foguete Ariane.
Os problemas políticos e orçamentários do projeto aumentaram. Mesmo depois que a construção principal do telescópio começou em 2008 e ele passou na revisão crítica do projeto em 2010 com excelentes pontuações técnicas, os excessos de custo levaram o Congresso dos EUA a exigir uma revisão independente. Um ano depois, um comitê de dotações da Câmara dos Representantes até tentou cancelar o projeto reduzindo o orçamento geral da NASA em US $ 1,9 bilhão. Mas em novembro de 2011, os críticos recuaram, em parte porque o JWST recebeu forte endosso da American Astronomical Society e a influente senadora Barbara Mikulski assumiu uma posição de defesa baseada na geração de empregos promovida pelo JWST em seu estado natal, Maryland. O Congresso então limitou o orçamento do telescópio em US $ 8 bilhões. Esse total seria ultrapassado em muito.
O projeto inicial estava abaixo do escopo e, mais tarde, revelou-se tecnicamente difícil. Por um lado, o espelho do telescópio necessário para obter a sensibilidade exigida excederia o tamanho de qualquer carenagem de foguete. Portanto, o espelho teve que ser segmentado e dobrado dentro do cone do nariz.
Os cientistas desenvolveram um mecanismo que se desdobraria em uma sequência de operações e devido ao desejo de detectar radiação infravermelha muito tênue vinda dos confins do universo, o observatório deveria emitir o mínimo de energia térmica possível. A NASA precisava de um novo equipamento de solo para testar a sequencia de desdobramento. E tentar imitar a dinâmica em zero-G em gravidade normal foi complicada, especialmente na fase de testar o protetor solar de cinco camadas, que deve ser cuidadosamente “tensionado” e apertado após se desdobrar. Em 2018, a viga do protetor solar perdeu alguns de seus parafusos e arruelas durante os testes de vibração e acústica. Isso gerou outro atraso enquanto um conselho de revisão independente examinava essa e outras questões técnicas.
O protetor solar é feito de filme de poliimida Kapton, que é estável em temperaturas muito baixas. O Kapton é revestido com alumínio, e as duas camadas mais próximas do Sol também são impregnadas com silício.
Equipamento científico
Em seu auge, cerca de dois mil cientistas e técnicos estavam trabalhando no JWST, com um total de cerca de 10.000 pessoas envolvidas em sua construção ao longo das décadas. A Northrop Grumman foi o contratante principal do telescópio, tendo comprado a TRW, a vencedora do contrato original, em 2002. Além da espaçonave, os espelhos (primário e secundário) e guarda-sol, quatro instrumentos foram projetados e construídos para analisar a luz coletada pelo espelho. A espectroscopia era tão importante quanto a imagem, pois dividia a luz em comprimentos de onda discretos que podem revelar a composição química, o movimento e outras propriedades físicas do objeto de origem.
A Universidade do Arizona produziu a câmera infravermelha, ou NIRCam. A Agência Espacial Européia (ESA), em cooperação com o Jet Propulsion Laboratory (JPL), forneceu o Mid-Infrared Instrument (MIRI), uma combinação de câmera e espectrógrafo que vê mais longe no infravermelho.
A ESA também construiu o NIRSpec, abreviação de Near-Infrared Spectrometer, que é especialmente adequado para estudar galáxias distantes e pode analisar a luz de mais de 100 fontes ao mesmo tempo. É a primeira vez que isso é feito no espaço. Essa capacidade única vem de uma nova matriz de “microshutter” cujas células têm “pálpebras” minúsculas que se abrem e fecham individualmente quando um campo magnético é aplicado, permitindo que o instrumento visualize seletivamente ou bloqueie alvos em seu campo de visão.
Um instrumento final, chamado FGS-NIRISS, abreviação de Sensor de Orientação Fina / Imageador infravermelho próximo e Espectrógrafo sem fenda, construído pela Agência Espacial Canadense, é um espectrógrafo tipo “big cosmos” que pode medir as cores espectrais de todos os objetos celestes em seu campo de vista ao mesmo tempo. A parte FGS do instrumento permitirá ao JWST a se fixar em alvos com grande precisão. É provavelmente o melhor sensor de orientação já construído.
Os NIRISS e NIRSpec são complementares; considerando que o NIRSpec pode selecionar objetos individuais para o NIRISS não há fendas e, portanto, pode-se obter espectros para alguns milhares de fontes no campo, mas às custas de uma sensibilidade inferior. O NIRISS é otimizado para medir o espectro de estrelas relativamente brilhantes junto com aglomerados de galáxias massivas e galáxias de baixa massa cuja luz é distorcida (um fenômeno conhecido como lente gravitacional) por outros objetos massivos na linha de visão entre eles e o telescópio.
Perspectivas de observação
Graças a telescópios espaciais anteriores, como o Cosmic Background Explorer (COBE) e a Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), os astrônomos detectaram o leve resplendor do Big Bang que trouxe o universo à existência. Mas à medida que o material dessa explosão primordial se espalhou pelo espaço, ele esfriou e parou de brilhar. Os cientistas chamam o período que se seguiu de Idade das Trevas. Ao longo das próximas centenas de milhões de anos, a gravitação começou a juntar aglomerados de matéria. Estrelas se formaram, começaram a “queimar fogos nucleares” em seus centros e se reuniram nas primeiras galáxias primitivas. Estes, por sua vez, emitiam radiação que ionizava, ou eletricamente carregada, hidrogênio neutro na névoa difusa. É esse período após a Idade das Trevas – quando as luzes voltaram a se acender – que o James Webb foi projetado para investigar.
Cerca de 50 desdobramentos precisam ocorrer após o lançamento para configurar o sistema. Com as 344 chamadas “falhas de ponto único” – etapas individuais que precisam funcionar para que a missão seja um sucesso – esta configuração se manterá no limite por três semanas ou mais. Para efeito de comparação, isso excede as falhas de ponto único para pousar em Marte por um fator de três, e esse pouso dura apenas sete minutos. Os primeiros seis meses após o lançamento serão dedicados ao comissionamento do observatório – garantindo que a espaçonave e os instrumentos funcionem conforme planejado. Cinco meses ou mais serão dedicados a observações científicas de teste. Astrônomos selecionados irão testar o telescópio em uma ampla gama de alvos, de galáxias distantes a planetas em nosso próprio sistema Solar, para ganhar experiência com as nuances do instrumento.
Outros primeiros usuários serão os chamados “observadores de tempo garantido”, profissionais que passaram anos planejando e construindo o telescópio e terão a primeira chance de usá-lo, sem ter que competir pela vaga. O JWST foi projetado principalmente para a cosmologia do espaço profundo, mas qualquer telescópio deste calibre tem várias aplicações e fará virtualmente todo tipo de observação astronômica – quando e onde sua sensibilidade e poder forem necessários.
Astrônomos de todo o mundo podem se inscrever para obter um tempo usando o JWST, em ciclos anuais em que suas propostas são revisadas por pares e os vencedores recebem tempo de observação. Para o “Ciclo 1”, como são chamados os primeiros projetos, foram aprovadas 6.000 horas dessas observações, para estudar tudo, desde núcleos galácticos ativos e buracos negros supermassivos a populações estelares, discos planetários, exoplanetas e a estrutura em grande escala do universo.
Um projeto chamado COSMOS-WEBB é o maior desses programas gerais de observação selecionados para o primeiro ano do telescópio. O JWST se concentrará no equador celestial criando um mapa físico das primeiras galáxias com os maiores ‘redshifts’. Com o Hubble, era possível estudar galáxias até z ~ 6 [uma medida de redshift] e sem muitos detalhes. Com o JWST, será possível estender até z ~ 10 com resolução aprimorada em todos os ‘redshifts’. Espera-se ver galáxias datando de apenas 300 a 400 milhões de anos após o Big Bang; Isso é uma pequena fração da idade do universo e muito além do que Hubble poderia fazer. A premissa é que será não só possível encontrar galáxias, mas descobrir quão localizadas ou agrupadas elas estão.
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