O incrível telescópio espacial da NASA observará 13,7 bilhões de anos no passado

Depois de quase um quarto de século e vários atrasos, o Telescópio Espacial James Webb de US $ 9,6 bilhões está prestes a ser lançado em 2021.

O incrível telescópio espacial da NASA observará 13,7 bilhões de anos no passado

É uma visão de um romance de ficção científica - uma torre elevada de espelhos hexagonais de ouro no topo de uma enorme proteção solar prateada de cinco camadas e um ônibus espacial circular. Polidos com precisão de nanômetros, os espelhos enfrentam um quarteto de instrumentos complexos sensíveis o suficiente para decifrar atmosferas alienígenas e espiar até o início dos tempos.



Desde que o último dos componentes concluídos chegou das bases da NASA em todo o país em agosto passado, o 14.000 libras. Telescópio espacial James Webb (JWST) se reuniu em uma sala limpa cavernosa no Northrop Grumman Space Park em Redondo Beach, Califórnia. Do ponto de vista do deck de observação, a única indicação de sua altura de quatro andares são engenheiros em miniatura vestidos com macacões brancos, correndo em torno de sua base. Esta é a primeira vez que a imprensa - convidada no mês passado para um briefing sobre os próximos passos da missão - viu o observatório totalmente montado.

Nos últimos anos, trabalhamos em duas metades. Até o verão do ano passado, eles tinham um noivado muito longo e se casaram, ri Scott Willoughby, gerente do programa JWST da Northrop Grumman. Colocamos as duas metades juntas para criar um observatório. Estamos comemorando esse sucesso.



Após 24 anos e vários atrasos, a missão de US $ 9,6 bilhões está entrando em seu último ano de ajustes e testes antes que o telescópio seja enviado ao Centro Espacial da Guiana, na Guiana Francesa, para um lançamento em março de 2021. A jornada envolveu milhares de cientistas e engenheiros de 24 países em três agências espaciais - NASA, a Agência Espacial Canadense e a Agência Espacial Europeia. Foi construído em várias instalações nos EUA, com foco de atividades na Northrop Grumman e no Goddard Space Flight Center em Greenbelt, Maryland.

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Orbitando a 1 milhão de milhas da Terra, o JWST observará cerca de 13,7 bilhões de anos no passado, uma fração de segundo (ou 100 milhões de anos das coordenadas da Terra) após o Big Bang, conforme o universo passou de um estado de plasma escuro para formar a primeira luz , estrelas e galáxias. Ele também irá analisar a composição atmosférica de exoplanetas rochosos menores orbitando outras estrelas para determinar sua hospitalidade à vida.

De onde viemos e estamos sozinhos, é a missão abrangente, diz Willoughby. Nunca vimos uma estrela formada que não fosse produto de uma estrela explodida. O que fez a 'massa' se juntar e acender as primeiras estrelas? Cada vez que você pensa que sabe de algo, você quer provar, para realmente ver como isso acontece.



[Imagem: NASA]

No início, o universo infantil era composto principalmente de hidrogênio e hélio - antes de eras de fusão solar produzirem a abundância de outros elementos encontrados hoje. As estrelas eram 300 vezes maiores que o Sol e viveram apenas alguns milhões de anos antes de morrer em supernovas gigantes. O telescópio foi projetado para capturar vestígios de luz infravermelha dessas explosões, que, quando analisadas, dirão aos cientistas de que foram feitas e os ambientes em que foram formadas. É o próximo capítulo do universo depois medindo o calor cósmico do Big Bang , que rendeu a John Mather e George Smoot o Prêmio Nobel de Física em 2006.

De onde vem a luz? Como passamos do Big Bang para nós? diz Mather, cientista de projeto sênior da JWST em Goddard. As pessoas são fascinadas pela história, sua genealogia. Eles querem saber: ‘Para onde estamos indo?’ Então, esta é a nossa parte para descobrir um pouco disso.



Um conceito artístico dos sete exoplanetas rochosos do sistema TRAPPIST-1, localizados a 40 anos-luz da Terra. Os astrônomos vão observar esses mundos com o Telescópio Espacial James Webb.
[Imagem: NASA e JPL / Caltech]

Em grande escala, encontrar mundos semelhantes à Terra é o primeiro passo para garantir a sobrevivência humana depois que nosso sol morre em 5 bilhões de anos - se não nos matarmos primeiro. Mais imediatamente, pode oferecer pistas sobre nossas origens terrenas e mudança de habitat.

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Uma maneira de entender melhor a Terra é encontrar outros lugares e descobrir como eles funcionavam, diz Mather. Ainda podemos encontrar vestígios de nossa história geológica, mas isso só conta uma história. Então, se você pudesse dizer, 'Como era Vênus antes de se tornar uma estufa?' Ou 'Como era Marte antes de secar?' o ambiente. Esses outros lugares são um laboratório em miniatura para a compreensão.

Desafios sem precedentes

Quando os engenheiros começaram a considerar o JWST em 1996, eles precisavam de 10 tecnologias que ainda não existiam. Isso incluiu um espelho de 21,3 pés de diâmetro que teve que ser dividido em 18 partes individuais, mas funcionam como uma unidade, e cinco protetores solares do tamanho de uma quadra de tênis para bloquear a radiação do sol e resfriar a temperatura do telescópio até -388˚F. O conjunto em sua totalidade teve que se dobrar para caber dentro de uma carenagem de foguete Ariane de 5 metros de diâmetro e ser programado para se desenrolar a um milhão de milhas de distância. Também exigia uma nova geração de detectores mais sensíveis do que os anteriores.

Muito mais investigação científica pode ser feita em menos tempo.

Bill Ochs, Goddard Space Flight Center A observação de objetos a bilhões de anos-luz de distância requer um espelho grande o suficiente para captar a luz de objetos muito tênues. O espelho JWST tem o tamanho de sete telescópio espacial Hubble espelhos e verá objetos centenas de vezes mais fracos do que os atuais telescópios terrestres e espaciais.

O Hubble pesava 25.000 libras e tinha uma óptica de 2,4 metros (7,87 pés). O Webb custa 14.000 libras para uma óptica de 6 metros e meio (21,3 pés), diz Willoughby. Então aumentamos a óptica em sete vezes a área de coleta, com metade do peso, que cabia no foguete.

Em vez de um vidro muito mais pesado, o espelho é feito de berílio, um metal raro que é mais forte que o aço, mas mais leve que o alumínio. É então revestido com uma camada microscopicamente fina de ouro 24K, que reflete 98% da luz infravermelha. São algumas alianças de casamento que valem ouro, diz Bill Ochs, gerente de projeto JWST em Goddard.

[Imagem: NASA]

O espelho primário foca a luz infravermelha no espelho secundário, que a envia de volta para quatro instrumentos científicos atrás do espelho, analisando a faixa de comprimentos de onda infravermelha, digitalizando a informação e transmitindo-a de volta à Terra. Um desses instrumentos, o Espectrógrafo de Infravermelho Próximo, possui milhares de micro-microestores programáveis ​​especialmente projetados, com aberturas do tamanho de alguns fios de cabelo humanos. As venezianas podem diminuir melhor o volume da luz que entra e realizar observações simultâneas.

Outros instrumentos espectroscópicos já voaram no espaço antes, mas nenhum teve a capacidade de permitir a observação de alta resolução de até 100 objetos simultaneamente, diz Ochs. Isso significa que muito mais investigações científicas podem ser feitas em menos tempo.

Mantendo a calma

Os instrumentos da JWST medem o espectro infravermelho próximo a médio, onde os comprimentos de onda variam de 0,6 a 28 mícrons, respectivamente na fronteira com a cor vermelha e as microondas. O infravermelho nos permite ver mais longe no universo (portanto, mais para trás no tempo), porque o universo está se expandindo, criando um efeito de desvio para o vermelho. Os objetos que se afastam de nós emitem comprimentos de onda eletromagnéticos mais longos que aparecem na parte vermelha e infravermelha do espectro.

Para determinar as composições químicas das atmosferas de exoplanetas, os espectrógrafos a bordo medirão as flutuações da luz infravermelha - correspondendo a diferentes elementos - das estrelas-mãe à medida que seus planetas percorrem seus caminhos.

Como as câmeras infravermelhas são mais sensíveis à radiação (ou seja, luz e calor), o telescópio deve estar longe o suficiente do sol e de sua luz refletida na Terra e na lua, e ter um escudo que bloqueie os raios do sol e mantenha o telescópio frio o suficiente para evitar a interferência da radiação infravermelha proveniente do telescópio.

No lado frio, a ótica funciona a -388˚F, porque é onde eles estão coletando a luz infravermelha, diz Willoughby. O lado quente, onde o ônibus está e o sol está brilhando, atinge 185˚F. Portanto, criamos quase um diferencial de 600˚F. E a estatística divertida é, se fosse protetor solar, seria um FPS de 1 milhão.

Um resfriador criogênico resfria ainda mais os instrumentos científicos para -448˚F. Esses detectores são tão sensíveis que temos que esfriar mais do que podemos fazer passivamente, diz Ochs.

Coelhinho necessário

Como o rover Mars 2020, a construção do JWST requer as condições originais de uma sala limpa sem partículas. Os engenheiros usam ternos de coelho - macacões de poliéster branco, botas, capuzes, máscaras cirúrgicas e luvas de látex. Os espelhos foram polidos com precisão de 20 nanômetros de superfície, menor do que o tamanho de uma única bactéria. A superfície é tão lisa porque qualquer solavanco faria um fóton desviar em uma direção diferente, diz Willoughby. Você tem que se preocupar com cada partícula de poeira, o que as pessoas usam e até mesmo com colônias e perfumes. O fato de que você pode cheirá-los significa que eles estão emitindo átomos e moléculas. Não queremos essas moléculas presas ao protetor solar ou aos espelhos.

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Com o último dos testes térmicos concluídos - sujeitando a ótica, a blindagem e o ônibus a temperaturas extremas - o maior desafio no ano passado foi unir a ótica ao protetor solar. Embora tenha levado apenas um dia para ser concluído, é o resultado de anos de planejamento e prática.

Temos engenheiros que acabaram de construir equipamentos que ajudaram a implantar as coisas, diz Willoughby. Acontece que seu trabalho é tão difícil quanto construir o que vai para o espaço.

A gravidade é provavelmente a nossa coisa mais difícil com que lidamos agora.

Scott Willoughby da Northrop Grumman Parte do desafio era replicar a ausência de peso ou contabilizar a gravidade. Uma vez em órbita, a ótica e o protetor solar se separarão a um metro para permitir que o protetor seja implantado. Mas juntar-se a eles na Terra envolveu a colocação de 8.000 libras de telescópio em seis postes no topo dos escudos. Eles foram capazes de simular 70 libras de gravidade zero por meio de uma dança complexa de motores, polias de teto e contrapesos de parede.

A gravidade é provavelmente a nossa coisa mais difícil com que lidamos agora, diz Willoughby. No espaço, ele vai flutuar em zero G. Então, quando estávamos pousando a ótica no topo, ela teve que tocar os cantos dos 6 pés e ser posicionada dentro de 0,004 de polegada. E uma vez que você sai de três, é difícil fazer um avião.

A equipe treinou por meio ano com modelos e rastreadores a laser antes de tentar com o negócio real. Essa é provavelmente uma das implantações mais complicadas que fizemos, acrescenta ele. Foi perfeito. Foi realmente lindo.

O ano que vem

Durante o próximo ano, as equipes administrarão cerca de 400 tarefas antes de deixar a sala limpa. Eles incluem a verificação dos desdobramentos da óptica e do protetor solar, o funcionamento do observatório por meio de inspeções elétricas e ambientais e a simulação da acústica e das vibrações do lançamento e do voo espacial. De lá, o JWST fará a viagem de duas semanas pelo Canal do Panamá até o local de lançamento, embalado em um contêiner ambientalmente controlado. Uma vez lá, os engenheiros passarão 72 dias conduzindo outras 800 tarefas antes que ele finalmente decole. (O lançamento perto do equador aproveita o impulso da rotação da Terra para ajudar a catapultá-la para o espaço, exigindo menos combustível de foguete.)

Enquanto isso, o Space Telescope Science Institute (STSI) na Universidade Johns Hopkins em Baltimore, o centro de operações do JWST, tem alinhado a astronomia a ser estudada. Com os primeiros seis meses do observatório já programados, o STSI preencherá o restante de seu primeiro ano escolhendo entre 1.500 propostas de ciências previstas. O Instituto emitirá solicitações de novas propostas anualmente e arquivará as imagens recebidas para as respectivas equipes científicas.

Nem todas as descobertas do JWST estão no futuro. Algumas de suas tecnologias já encontraram aplicações terrestres. Por exemplo, um mecanismo de foco em microscópios oftálmicos foi inventado por engenheiros que criaram os espelhos do telescópio. Portanto, há uma conexão que você nunca vê, diz Mather.

Uma vez em órbita

Levará quase três semanas para que a nave alcance a órbita - uma posição chamada de segundo ponto Lagrangiano ou L2 - onde as forças gravitacionais combinadas da Terra e do sol permitem que um objeto gire o sol no mesmo ritmo que a Terra. Durante a rota, os controladores de solo ordenarão que os 178 dispositivos que os mantêm unidos para o lançamento abram e iniciem a implantação programada da sonda.

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Aqueles de vocês que cobriram a sonda de Marte, onde disseram que tiveram os ‘sete minutos e meio de terror’? diz Ochs, referenciando Vídeo teaser dramático de Curiosity . Eu brincando me referi a isso como ‘duas semanas e meia de alta ansiedade. & Apos;

Uma vez em órbita, e ao longo dos seis meses seguintes, cerca de 500 atividades diferentes serão envolvidas na espaçonave, instrumentos científicos e telescópio para torná-la operacional. E então, a ciência pode começar.

Em última análise, o JWST transportará combustível de hidrazina suficiente para mantê-lo funcionando por até 14 anos com gerenciamento cuidadoso. Uma equipe de Goddard está trabalhando em uma missão de reabastecimento robótico que pode estender ainda mais a vida útil do observatório.

Este é um período de tempo realmente emocionante porque tudo está se encaixando, diz Ochs. Estamos ansiosos para lançar a ciência. Todas essas pessoas têm trabalhado juntas por este período de tempo. Tenho pessoas trabalhando para mim que começaram quando seus filhos eram pequenos e agora estão se formando na faculdade.