Detalhes que você ainda não viu das primeiras imagens do Telescópio James Webb
Uma pequena seção da Nebulosa Carina conhecida como Penhascos Cósmicos, onde nascem estrelas, capturada pelo Telescópio James Webb. Crédito: Nasa, ESA, CSA e STScI.
As primeiras imagens divulgadas pelo Telescópio James Webb (JWST) revelaram novas visões do cosmos em detalhes requintados e nunca antes vistos. Isso se deve em grande parte à cuidadosa construção do telescópio. Haverá muita ciência a ser produzida com o Telescópio James Webb durante sua missão, desde como as galáxias evoluem até a composição das atmosferas dos exoplanetas.
Os dados do telescópio já começaram a ser divulgados. Eventualmente, todas as suas medições estarão disponíveis para qualquer um usar. “Qualquer um pode ir e explorar o Universo; não estamos mantendo nenhum segredo aqui”, diz Susan Mullally, cientista assistente do projeto JWST no Instituto de Ciência de Telescópio Espacial, em Baltimore. Essa é uma coisa maravilhosa sobre os projetos da Nasa: os dados são de acesso aberto. “A ciência é um processo muito aberto”, diz Mullally. “É por meio de um conhecimento coletivo que alcançamos uma compreensão do nosso lugar no Universo.”
Essas primeiras imagens e dados são apenas uma pequena parte do que a equipe que administra o Telescópio James Webb espera que saia da missão. “Foi apenas uma demonstração. Vamos obter [enormes quantidades de dados] todos os dias com o JWST”, diz Mullally. À medida que os cientistas começam a aproveitar a torrente de informações e imagens do Telescópio James Webb, ela antecipa uma infinidade de novas informações interessantes a serem descobertas sobre o nosso Universo. Algumas descobertas confirmarão o que já suspeitamos, enquanto outras descobertas podem mudar o paradigma. “Fique de olho”, diz ela. “Isto é apenas o começo.”
O campo profundo mais profundo do Telescópio James Webb — por enquanto
A primeira imagem divulgada pelo Telescópio James Webb se concentra no SMACS 0723, um aglomerado de galáxias a mais de quatro bilhões de anos-luz de distância. Crédito: Nasa, ESA, CSA e STScI
A primeira imagem lançada pelo Telescópio James Webb é coloquialmente referida como o primeiro “campo profundo” do observatório, referindo-se a uma técnica em que os astrônomos visam regiões aparentemente estéreis do céu, com longos olhares telescópicos, para revelar objetos fracos ocultos.
Embora esta imagem seja descrita como uma imagem de campo profundo, na verdade é um nome impróprio, diz Becky Smethurst, pesquisadora de astrofísica da Universidade de Oxford. “Não é um campo profundo”, diz ela, porque o alvo da imagem não era o céu vazio, mas sim o SMACS 0723, um aglomerado de galáxias a mais de quatro bilhões de anos-luz de distância. A primeira imagem verdadeira de campo profundo do observatório, diz Smethurst, provavelmente será lançada em janeiro ou fevereiro de 2023, após a pesquisa programada para o telescópio na mesma seção do céu onde o Telescópio Espacial Hubble capturou sua imagem de campo ultraprofundo. Quando essa imagem for divulgada, ela prevê que muitos recordes da “galáxia mais antiga” serão quebrados graças à capacidade do telescópio de ver mais profundamente o cosmos do que o Hubble jamais conseguiu.
Ainda que não seja uma verdadeira imagem de campo profundo, a visão do JWST do SMACS 0723 é a imagem mais profunda e nítida deste aglomerado de galáxias até hoje. No entanto, levou apenas 12,5 horas de tempo de observação para ser gerada – aproximadamente uma ordem de magnitude menor do que o tempo necessário para produzir uma imagem semelhante, mas inferior, usando o Hubble. A massa contida dentro do SMACS 0723 é tanta que curva dramaticamente o tecido circundante do espaço-tempo, agindo como uma “lente gravitacional” para deformar e amplificar a luz que viaja ao seu redor e aumentar a visão de galáxias de fundo distantes. Parte da luz capturada dessas galáxias ainda mais distantes foi emitida menos de um bilhão de anos após o Big Bang.
Aranhas estelares, uma distorção galáctica e um salão cósmicos de espelhos
A forma única do conjunto espelho-suporte do Telescópio James Webb dá aos corpos cósmicos brilhantes oito pontos distintos, como esta estrela tingida de vermelho (esquerda). Uma galáxia vermelha distorcida por lentes gravitacionais está no centro. O arco vermelho que se estende de cima para baixo é uma galáxia deformada e espelhada por lentes gravitacionais (direita). Crédito: Adaptado da Nasa, ESA, CSA e STScI
A forma dos espelhos e suportes de um telescópio pode alterar a aparência de objetos brilhantes, como a estrela tingida de vermelho vista perto do centro na imagem à esquerda. Dezoito espelhos hexagonais individuais compõem o grande espelho primário segmentado do JWST, formando uma abertura gigante em forma de favo de mel. O espelho primário reflete a luz infravermelha – que os humanos não podem ver, mas podem sentir como o calor irradiando de uma fonte de luz – em um espelho secundário menor.
Por sua vez, o espelho secundário envia a luz para detectores dentro do telescópio para fazer uma imagem ou coletar outros dados. A forma do espelho primário cria um padrão de difração de seis pontas para fontes suficientemente brilhantes: cada “pico” neste padrão se estende em direção a um dos pontos de um hexágono. Os suportes que mantêm o pequeno espelho afastado do espelho primário adicionam mais seis picos de difração: dois visivelmente irradiam horizontalmente a partir do centro de um objeto brilhante. E quatro se sobrepõem aos picos causados pela forma do espelho primário. Juntos, contituem oito picos de difração visíveis em torno das estrelas mais brilhantes nas imagens do JWST, dando-lhes uma aparência de “aranha”.
Notavelmente, a óptica do telescópio é tão sensível que os padrões de difração aparecem até mesmo para galáxias brilhantes que são livres de picos nas imagens do Hubble. “Se você ampliar algumas das galáxias, poderá ver a forma muito fraca, no centro”, diz Smethurst. Esta poderia ser uma “ferramenta de identificação muito legal”, acrescenta ela, porque poderia significar um buraco negro supermassivo brilhante e crescente no centro de tal galáxia.
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A galáxia vermelho-alaranjada na parte ampliada do campo profundo SMACS 0723 do JWST, mostrada na imagem central, aparece esticada e deformada por causa da lente gravitacional. A massa de um enorme objeto celeste, como um aglomerado de galáxias, pode dobrar o espaço-tempo o suficiente para mudar o caminho que a luz segue. A luz desta galáxia viajou por 8,4 bilhões de anos antes de ser capturada pelo JWST, colocando a formação da galáxia em cerca de 5,4 bilhões de anos após o nascimento do Universo. Os cientistas podem atribuir distâncias e idades aproximadas às galáxias medindo cuidadosamente os deslocamentos na cor da luz emitida.
Todas as galáxias no céu, exceto algumas que são relativamente próximas da nossa, estão se afastando de nós em alta velocidade, carregadas pela expansão do próprio Universo. Quanto mais distante uma galáxia está de nós, mais rápido ela se move por meio da expansão cosmológica – e, graças à velocidade finita da luz, mais antiga é a luz que chega até nós. Ela é “desviada para o vermelho” pela expansão, seus comprimentos de onda são esticados e se tornam mais longos e mais vermelhos à medida que viajam pelo espaço intergaláctico. A quantificação precisa desse “redshift” (desvio para o vermelho) produz uma estimativa de distância e idade.
Já a lente gravitacional não apenas faz com que galáxias distantes pareçam deformadas; também pode produzir imagens galácticas espelhadas. Na imagem à direita, o arco central parece ser a mesma galáxia vermelha espelhada e esticada em torno de galáxias massivas em primeiro plano na SMAC 0723. Essas imagens espelhadas surgem quando a luz de um objeto percorre vários caminhos em torno de uma lente gravitacional.
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Nesse caso, os arcos poderiam ser duas galáxias distintas, mas semelhantes, cada uma experimentando sua própria instância de lente gravitacional. Mas sem dados adicionais, é difícil saber de qualquer maneira. Felizmente, alguns dos instrumentos do JWST podem coletar espectros de luz para muitos, se não todos, os alvos celestes em um determinado campo de visão.
Esses espectros são diagnósticos cruciais, revelando não apenas o movimento, a distância e a idade de um alvo, mas também sua composição, porque diferentes átomos e moléculas criam sua própria impressão espectroscópica na luz emitida por um corpo. Uma análise espectral cuidadosa pode revelar quais arcos em imagens de campo profundo são na verdade imagens espelhadas e quais são miragens. A comparação dos espectros neste arco confirma esta especulação: representam uma única galáxia, deformada e espelhada por lentes gravitacionais.
Um bafo espectral de ar quente pelo Telescópio James Webb
O espectro de transição coletado do exoplaneta gigante gasoso WASP-96 b. Crédito: Nasa, ESA, CSA e STScI
A coleta de espectros de alta resolução de corpos celestes também permite ao JWST sondar exoplanetas distantes com mais detalhes do que nunca. “Uma das coisas que me anima é tentar perscrutar atmosferas de planetas rochosos”, diz Mullally, “realmente não sabemos o que vamos encontrar quando olharmos para lá”. Perguntas-chave sobre atmosferas de exoplanetas, como do que são feitos, podem ser respondidas usando um espectro de transição como o mostrado aqui. Ele foi coletado do exoplaneta gigante gasoso WASP-96 b, que orbita infernalmente perto de uma estrela a 1.150 anos-luz da Terra.
Um espectro de transição é coletado como o de um exoplaneta “em trânsito” na frente da estrela que orbita, permitindo que a luz estelar que passa por sua atmosfera superior seja isolada e estudada. Moléculas na atmosfera absorvem diferentes comprimentos de onda de luz e atuam como filtros específicos de comprimento de onda. Comparar o espectro da luz de uma estrela hospedeira antes e durante o trânsito de um planeta pode revelar os átomos e moléculas predominantes na atmosfera daquele mundo.
Este é o primeiro espectro de transição a coletar uma faixa tão ampla de comprimentos de onda infravermelhos para o espectro de um exoplaneta em trânsito em uma única observação. Ele revela a presença de vapor de água e outras moléculas na atmosfera extremamente quente de WASP-96 b. A ilustração de fundo é baseada no melhor palpite dos astrônomos sobre a aparência desse mundo, com base nos dados cumulativos disponíveis.
Primeiro vislumbre de uma dupla dinâmica pelo Telescópio James Webb
Imagens da Nebulosa do Anel Sul tiradas com a Câmera de Infravermelho Próximo, ou NIRCam, do JWST, (esquerda), e com o Instrumento para Infravermelho Médio, ou MIRI (direita). Crédito: Nasa, ESA, CSA e STScI
Existem duas porções do espectro eletromagnético em que o JWST mais se destaca: luz infravermelha próxima e média. O mesmo alvo pode parecer muito diferente quando visto lado a lado em ambas as variedades de luz, como mostram essas imagens da Nebulosa do Anel Sul, que fica a cerca de 2.500 anos-luz de distância. A Câmera de Infravermelho Próximo (NIRCam) do telescópio capturou a da esquerda, e seu Instrumento para Infravermelho Médio (MIRI) gerou a da direita. Embora a imagem do NIRCam possa fazer parecer que apenas uma estrela está no centro desse anel de poeira, duas estrelas estão realmente presentes. A imagem da MIRI revela a segunda estrela, uma anã branca, que está escondida pelos picos de difração de sua vizinha na imagem da NIRCam. Isso confirmou as suposições de que um sistema binário criou a nebulosa. “Nós nunca tínhamos visto aquela [anã branca] antes”, diz Smethurst. “O JWST essencialmente a revelou pela primeira vez.”
Esses insights decorrentes de várias visualizações de um único alvo são parte integrante dos recursos de infravermelho de banda larga do James Webb. Enquanto a luz do infravermelho próximo é transparente à poeira, a poeira aquecida por estrelas emite termicamente luz no infravermelho médio, fazendo com que a anã branca envolta em poeira pareça mais brilhante e maior na imagem MIRI. Esta estrela é a que criou as conchas de material em forma de anel ao redor do par. Antes de se tornar uma anã branca, a estrela era muito parecida com o nosso Sol. Mas à medida que envelheceu em senescência estelar, ejetou grande parte de suas camadas externas de gás para o espaço, criando a nebulosa. Seu vizinho em órbita ajudou a espalhar o material, resultando na linda imagem capturada pelo JWST.
À beira dos penhascos cósmicos
Uma pequena seção da Nebulosa Carina conhecida como Penhascos Cósmicos, onde as estrelas nascem. Crédito: Nasa, ESA, CSA e STScI.
Uma imagem de um berçário estelar na Nebulosa Carina, a cerca de 7.600 anos-luz de distância, mostra estrelas massivas jovens envoltas em redemoinhos de gás e poeira. As estrelas mais jovens aparecem como pontinhos vermelhos de luz na nuvem. Esta imagem foi tirada pela NIRCam do JWST, permitindo capturar recursos anteriormente ocultos dentro e atrás da poeira oclusiva. A radiação ultravioleta de alta energia – o mesmo tipo de luz que causa queimaduras solares – e os ventos estelares de estrelas recém-nascidas, erodiram parte do material circundante, esculpindo o que os astrônomos chamam de Penhascos Cósmicos.
Na verdade, o que parece ser um vapor branco subindo das “falésias” é poeira quente e gás ionizado fluindo enquanto a radiação ultravioleta interage com a nebulosa. Esta é apenas uma pequena parte da borda de uma ramificação semelhante a uma bolha de toda a Nebulosa Carina, que se estende por mais de 200 anos-luz de espaço. Em comparação, esta imagem tem apenas cerca de 16 anos-luz de diâmetro.
Um close-up do penhasco
Um composto MIRI e NIRCam dos Penhascos Cósmicos revela estrelas recém-nascidas empoeiradas. Crédito: Adaptado da Nasa, ESA, CSA e STScI
Nesta imagem composta MIRI-NIRCam, ampliada dos Penhascos Cósmicos, anéis de poeira formadores de planetas aparecem em rosa e vermelho ao redor das estrelas, e os hidrocarbonetos emitem um brilho diáfano muito parecido com as nuvens vistas no céu crepuscular da Terra. À esquerda do centro, uma estrela recém-nascida é identificável por sua cauda dourada. Embora pareça um cometa na imagem anterior somente da NIRCam, a adição de dados do MIRI revela o bebê empoeirado expelindo um jato protoestelar em forma de cone. À direita do centro, outra estrela explode em uma erupção de poeira e gás, destacada em dourado.
Uma festa dançante intergaláctica
Cinco galáxias parecem compartilhar o céu, embora uma esteja 250 milhões de anos-luz mais perto da Terra. Crédito: Nasa, ESA, CSA e STScI
A maior imagem que o JWST capturou até agora é de um aglomerado de galáxias conhecido como Quinteto de Stephan, em homenagem ao homem que o observou pela primeira vez em 1877, através de um telescópio terrestre muito mais modesto. Do suposto quinteto de galáxias, apenas quatro estão de fato próximas o suficiente para interagir gravitacionalmente umas com as outras. A quinta galáxia restante (mais à esquerda) fica cerca de 250 milhões de anos-luz mais perto da Terra. As quatro próximas o suficiente para estarem envolvidas em uma dança cósmica podem nos dar uma melhor compreensão de como essa interação pode impulsionar a evolução galáctica.
Esta imagem composta mostra a luz infravermelha próxima e média. E, como muitas outras imagens, revela detalhes anteriormente ocultos de cada galáxia, incluindo ondas de choque geradas quando a galáxia no topo do par central se choca com as outras em sua região do aglomerado. As ondas de choque ao redor desse par estão destacadas em vermelho e dourado. O fundo preto é salpicado de estrelas de oito pontas e galáxias distantes.
Foco do Telescópio James Webb nos buracos negros supermassivos
Imagens da galáxia mais alta no Quinteto de Stephan tiradas com o MIRI (esquerda) e a NIRCam (direita). Crédito: Adaptado da Nasa, ESA, CSA e STScI (esquerda); adaptado da Nasa, ESA, CSA e STScI (direita)
Quando você vê picos de difração semelhantes a aranhas emanando de um corpo celeste em uma imagem do JWST, você sabe que está olhando para algo brilhante. Neste caso, a imagem somente da MIRI do Quinteto de Stephan à esquerda revela um monstro brilhante à espreita em uma das galáxias do grupo. Os picos de difração aqui vêm de um buraco negro supermassivo que contém mais de 24 milhões de vezes a massa do nosso sol. Poeira, gases e outros materiais presos pelas garras gravitacionais do buraco negro geram atrito e aquecem a temperaturas enormes à medida que giram em torno de sua boca.
Embora nenhuma luz escape do próprio buraco negro, o material incrivelmente quente em espiral emite enormes quantidades de luz no infravermelho médio. Em contraste, a imagem exclusiva do NIRCam desta galáxia à direita revela apenas uma fração evanescente de tais detalhes em um redemoinho de luz branca que emana das estrelas da galáxia, algumas das quais você pode ver como picadas vermelhas de alfinetes.
Fionna M. D. Samuels
Publicado originalmente no site da Scientific American dos EUA em 21/07/2022; aqui em 28/07/2022.