Telescópio Espacial James Webb é lançado
O alívio foi tão profundo quanto as apostas eram altas. No início da manhã do último dia 25 de dezembro, o foguete que transportava o maior e mais ambicioso telescópio espacial da história, o Telescópio Espacial James Webb (JWST), deixou a plataforma de lançamento na Guiana Francesa, e os membros do controle da missão no Instituto de Ciência do Telescópio Espacial, em Baltimore, comemoraram.
Mas o suspense não acabou. Meia hora após o lançamento, o telescópio ainda precisava se desacoplar de seu foguete hospedeiro, e depois ainda teve que implantar painéis solares para fornecer energia parcial à sua jornada. Somente depois que a primeira implantação se mostrou bem-sucedida, disse um porta-voz da NASA em um comunicado à Scientific American, “agora temos uma missão”.
Tal foguete deu tanto trabalho aos astrônomos quanto o próprio Telescópio Espacial James Webb (JWST). É uma missão de alto risco, que coloca à prova o vasto portfólio de ciências espaciais da NASA,com potencial de definir o futuro da astronomia. Como sucessor do Telescópio Espacial Hubble (HST), o Telescópio Espacial James Webb (JWST) é um daqueles projetos científicos excepcionais. E também capazes de desgastar a paciência dos benfeitores do governo, bem como a credibilidade da agência responsável.
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“Este é um grande dia – não apenas para a América e nossos parceiros europeus e canadenses, mas é um grande dia para o planeta Terra …. [JWST] vai nos levar de volta aos primórdios do universo”, disse o administrador da NASA Bill Nelson, depois do lançamento. “Sabemos que em uma grande recompensa existe um grande risco. É disso que se trata este negócio e é por isso que nos atrevemos a explorar. O Telescópio Espacial James Webb (JWST)é uma parte importante dessa exploração.”
Quando o Telescópio Espacial James Webb (JWST) se separou do estágio superior de seu foguete, um feed de vídeo mostrou a agora independente nave espacial brilhando à luz do sol – a última vista de perto do observatório antes de sua busca para perfurar o véu de escuridão cósmica o levar para longe da Terra. “Quando olhamos mais longe, investigamos mais fundo ou medimos com mais precisão, certamente encontramos algo maravilhoso”, diz Ken Sembach, diretor do Instituto de Ciência do Telescópio Espacial. “Hoje nos despedimos do telescópio no solo e abrimos nossos olhos para o universo.”
No momento em que os painéis solares do JWST emergiram, o controle da missão mudou oficialmente para Baltimore. Para o Instituto de Ciência do Telescópio Espacial, diz Massimo Stiavelli, chefe da missão JWST, “a parte fácil está feita, e a parte difícil começa agora.” Então ele ri. “É o melhor Natal de todos.”
Como tudo começou
O telescópio que se tornaria o Telescópio Espacial James Webb (JWST) já estava em discussão antes mesmo do HST ser lançado em abril de 1990. Ao orbitar a Terra, o HST teria uma linha de visão livre das distorções ópticas da atmosfera do nosso planeta. Seria, portanto, capaz de ver mais longe no universo (e, dado que a velocidade da luz é finita, atrás no tempo) do que qualquer telescópio terrestre.
Mesmo assim, o HST estaria observando principalmente em comprimentos de onda ópticos – a pequena porção do espectro eletromagnético que o olho humano pode detectar. O Telescópio Espacial da Próxima Geração (como o futuro JWST era então conhecido) estaria olhando para o universo em infravermelho, condição na qual a expansão cósmica teria se estendido, ou deslocada para o vermelho, a luz visível emitida há mais de 13 bilhões de anos.
Grande parte da atenção que conduziu ao lançamento de hoje se concentrou na capacidade do JWST de perscrutar mais longe no passado do que o HST, que observou galáxias infantis desde aproximadamente 400 milhões de anos após o big bang. Naquele ponto da história do universo, no entanto, a matéria já havia passado por várias gerações de evolução – galáxias se fundindo e se fragmentando, supernovas semeando espaço com acréscimos de (conforme os seres sencientes na Terra um dia chamariam) elementos da tabela periódica.
O JWST, no entanto, será capaz de ver no passado até 100 milhões de anos após o big bang, um período em que a maior parte da matéria consistia apenas de elementos primordiais e estava apenas começando a se aglutinar em estrelas e galáxias. Desde o início do JWST, o objetivo principal tem sido vislumbrar esses fenômenos – os primeiros objetos luminosos do universo.
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A outra grande fronteira científica que o JWST investigará é aquela que recebeu menos atenção, mas pode se mostrar igualmente profunda em nossa compreensão do universo. É uma espécie de bônus, um assunto de estudo que aqueles visionários da década de 1980 mal poderiam ter previsto: exoplanetas.
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As evidências de planetas orbitando estrelas diferentes do Sol surgiram pela primeira vez na década de 1990 (uma descoberta que rendeu a alguns de seus descobridores uma parte do Prêmio Nobel de Física de 2019). Desde então, os astrônomos encontraram exoplanetas aos milhares, com dezenas de milhares mais certos de que transbordarão de seus catálogos nos próximos anos. Quase todas essas descobertas, no entanto, dependem de evidências indiretas: o brilho e escurecimento regulares de uma estrela conforme um planeta transita em sua face, ou a oscilação no eixo de uma estrela causada pela atração gravitacional de um mundo próximo.
O JWST deve oferecer evidências mais diretas: observações dos próprios planetas, um feito que apenas algumas outras instalações podem realizar – embora nenhuma com a clareza prometida deste novo telescópio espacial. Na luz visível, o brilho de uma estrela supera qualquer objeto próximo, mas ao observar no infravermelho, o JWST reduzirá o contraste para que os planetas possam sair do brilho estelar de fundo como minúsculos pontos de luz.
Essa redução no contraste ajudará ainda mais os observadores a sondar a atmosfera de um punhado de mundos em busca de bioassinaturas potenciais, como o oxigênio (produzido na Terra por plantas fotossintéticas), bem como rastreadores de habitabilidade, como água e dióxido de carbono.
Resumindo: o JWST oferece alguma chance, por menor que seja, de responder a uma pergunta eterna: estamos sozinhos?
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“É lá que estarão as grandes descobertas”, prevê Nicholas Suntzeff, astrônomo da Universidade A&M do Texas, ex-vice-presidente da Sociedade Astronômica Americana. “Existe outra vida no universo? Se mostrar isso, seria a maior descoberta da ciência de todos os tempos. ”
Mas primeiro o JWST terá que, você sabe, funcionar.
Muitos dos membros do projeto JWST ainda não tinham nascido quando o HST foi lançado em 1990. Mas o que aconteceu a seguir os obscurece, assim como assombra toda a NASA. Como alguns “Fantasmas das Missões Passadas”, um evento sombrio dos primeiros dias do observatório arrasta e sacode suas correntes ao longo dos corredores imaculados do Instituto de Ciência do Telescópio Espacial – a sede de operações do HST e agora o controle da missão da JWST.
As observações iniciais do HST estavam fora de foco e os engenheiros logo perceberam que seu espelho havia sido polido de maneira inadequada, levando a um caso desastroso de miopia cósmica e ridículo público generalizado. Embora os astronautas que caminhavam no espaço tenham reparado o espelho posteriormente (a um custo tremendo), o fiasco foi um exemplo clássico de “Você tinha apenas um emprego”, ameaçando tornar o HST quase inútil e deixando a NASA vulnerável à supervisão do Congresso que beirava o estrangulamento.
No caso do JWST, retrocessos significativos semelhantes – técnicos, políticos, sociológicos – precederam o lançamento. A estimativa do orçamento original era de $1,5 bilhão a $3 bilhões, e sua data de lançamento igualmente nebulosa era, digamos, 2010. Naquele prazo, no entanto, não apenas os custos haviam subido para $5 bilhões, mas grande parte do telescópio ainda estava na prancheta. O desenvolvimento da miríade de novas tecnologias básicas da JWST estava se provando mais intratável do que os planejadores haviam imaginado. Apenas um ano depois, o orçamento havia inflado em 60% para $8 bilhões – ponto em que o Congresso interveio, estabelecendo um limite de custo para o JWST: $8 bilhões ou falir.
O Congresso ousaria cancelar uma missão científica de tal ambição? Sim, seria – e uma vez aconteceu. Em outubro de 1993, o presidente Bill Clinton assinou um projeto de lei matando o Supercondutor Super Collider, que teria sido o acelerador de partículas mais poderoso do mundo. Não importa que o projeto já tenha custado $2 bilhões ($3,15 bilhões em 2021 dólares). Não importa que a perfuração subterrânea já tivesse limpado quase 19 dos 51 quilômetros de túnel projetados. Não importa que o acelerador de partículas prometesse descobertas científicas transformadoras. O Congresso considerou o orçamento do projeto fora de controle. O cancelamento abriu um buraco no coração da comunidade de física de partículas dos EUA, que, mesmo três décadas depois, ainda não se recuperou totalmente.
Em 2018, o projeto JWST estava flertando com o limite do Congresso e empurrando a data de lançamento cada vez mais para o futuro. Nos bastidores, os problemas técnicos estavam se multiplicando: os trabalhadores da Northrop Grumman, a principal empreiteira da JWST, descobriram que a aplicação de um solvente inadequado danificou as válvulas de propulsão do observatório. Um erro de fiação destruiu os transdutores de pressão. E durante o teste de vibração, dezenas de parafusos voaram da espaçonave.
O orçamento cresceu mais de $800 milhões, ultrapassando oficialmente o teto do Congresso. E a data de lançamento foi para 2021.
Até o nome do telescópio foi objeto de controvérsia. Em 2002, o então administrador da NASA, Sean O’Keefe, anunciou que o Telescópio Espacial da Próxima Geração seria posteriormente chamado de Telescópio Espacial James Webb. A prática de substituir nomes genéricos de telescópios e observatórios por nomes de cientistas proeminentes é rotineira. O’Keefe, no entanto, violou duas normas: sua escolha do homenageado foi essencialmente uma decisão unilateral, e esse homenageado não era um cientista, mas um colega administrador – na verdade, um dos predecessores de O’Keefe. James E. Webb serviu como chefe da NASA durante o apogeu da corrida até a lua, de 1961 a 1968.
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Nos últimos anos, porém, o nome da missão ganhou outra camada de controvérsia: quem era Webb no coração. O mandato de Webb como segundo em comando no Departamento de Estado no final dos anos 1940 e início dos anos 1950 e depois como chefe da NASA coincidiu com uma busca e expurgo de funcionários LGBTQ. As investigações nos últimos anos revelaram escassas evidências específicas do envolvimento de Webb, mas a associação é próxima o suficiente para que alguns astrônomos insistem em se referir ao projeto apenas como “JWST” e nunca como “Webb”.
Telescópio Espacial James Webb. Créditos: Nasa
O James Webb vai funcionar?
Pequenos atrasos continuaram a atormentar a JWST em seu caminho para a plataforma de lançamento. Nas últimas semanas, a data de lançamento caiu repetidamente, primeiro por causa de um empurrão acidental do telescópio (uma inspeção não revelou nenhum dano) e depois por causa de uma falha em um cabo de comunicação que conecta o telescópio aos sistemas terrestres. Na última terça-feira, uma previsão de ventos fortes para Kourou, o local de lançamento na Guiana Francesa, determinou o momento da decolagem da véspera de Natal para o dia de Natal.
Durante o próximo mês, o JWST ainda terá que executar cerca de 350 manobras potencialmente fatais – ou “pontos únicos de falha” na nomenclatura da NASA – enquanto se prepara para observações científicas. Talvez o mais complicado de tudo seja a implantação do espelho – ou, mais precisamente, espelhos: 18 placas hexagonais revestidas de ouro em um arranjo de favo de mel. Em parte, para que o telescópio não fosse muito pesado para ser lançado, os engenheiros optaram por fazer os espelhos com o elemento relativamente leve berílio. Mas o peso dos espelhos não foi o desafio de design mais difícil. Era o tamanho deles.
Quando os espelhos assumem sua configuração final, eles medem coletivamente mais de 21 pés (em contraste com o diâmetro de 2,5 metros do HST), largos demais para a carenagem de carga útil de um foguete. Assim, os engenheiros desenvolveram uma solução engenhosa: dividir o favo de mel em segmentos que se dobram para caber no foguete na Terra e se desdobram, como uma origem, no espaço.
Se tudo correr bem, cerca de 30 dias após o lançamento, o JWST alcançará seu local de descanso final (por assim dizer): uma região do espaço que os astrônomos chamam de segundo ponto de Lagrange, ou L2, um dos cinco locais no sistema solar daquele século 18 O matemático franco-italiano Joseph-Louis Lagrange determinou que acompanharia o ritmo da Terra em suas órbitas ao redor do sol. Em um ponto de Lagrange, o equilíbrio gravitacional entre a Terra e o Sol atua como uma influência estabilizadora, permitindo assim que a espaçonave economize combustível. (Outros projetos astronômicos que ocuparam L2 incluem a Sonda Wilkinson de Anisotropia de Micro-ondas da NASA e os observatórios espaciais Herschel e Planck.)
No caso do JWST, porém, L2 tem uma vantagem adicional: está no lado da Terra diretamente oposto ao sol, uma posição que reduz a exposição não apenas à luz, mas também ao calor – uma preocupação essencial em um instrumento sensível a comprimentos de onda infravermelhos . Mesmo assim, o JWST ainda precisará de proteção térmica para que possa resfriar gradualmente – ao longo de vários meses – até sua temperatura operacional apenas dezenas de graus F acima do zero absoluto. Durante a primeira semana de sua viagem, o telescópio irá desenrolar uma proteção solar de cinco camadas do tamanho de uma quadra de tênis (FPS um milhão) para separar sua óptica e instrumentos delicados de todos os potenciais poluentes de calor. No lado do telescópio do escudo, a temperatura se aproximará de –200 graus C. No outro lado, pode ficar tão quente quanto 90 graus C ou mais.
Apesar de todas as suas vantagens, L2 vem com uma desvantagem significativa: está longe da Terra – mais um milhão de quilômetros, ou quatro vezes a distância da lua. O HST desfrutou do benefício das missões de serviço humano – por exemplo, para consertar a falha em seu espelho. Mas essa opção não estará disponível para JWST. Se algo quebrar, permanecerá quebrado.
Mas se nada quebrar, o JWST começará a transmitir dados científicos de volta à Terra em meados de 2022 (os colaboradores da NASA na missão, a Agência Espacial Europeia e a Agência Espacial Canadense, receberão 15% e 5% do tempo de observação, respectivamente). Esses tesouros telescópicos conterão não apenas novos insights sobre as origens da estrutura cósmica e a atmosfera dos exoplanetas, mas também os segredos da formação de estrelas na Via Láctea e a geologia dos planetas externos em nosso sistema solar.
Só então os membros da comunidade mundial do JWST poderão relaxar de verdade – e, para aqueles que assim desejarem, celebrar o Natal em julho.
A Scientific American Brasil de dezembro traz uma matéria especial com fotos e passo-a-passo da construção do Telescópio Espacial James Webb, aqui.
Por Richard Panek.
Originalmente publicado no site da Scientific American em 25/12/2021