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Telescópio James Webb: o arqueólogo das estrelas

Duas décadas e US$ 9,7 bilhões depois, o maior e mais complexo telescópio espacial que a humanidade já construiu está pronto para enxergar a luz (invisível) das primeiras galáxias do Universo. Entenda como ele funciona e veja as primeiras fotos.

Por Luisa Costa Atualizado em 9 ago 2022, 13h42 - Publicado em 13 jul 2022, 13h10

Texto Luisa Costa  Ilustração Tayrine Cruz 

Design Natalia Sayuri Lara  Edição Bruno Vaiano

O Big Bang foi um evento iluminado: frações de segundo após o marco zero, quando o Universo conhecido estava espremido no volume de uma partícula, a temperatura desse embrião cósmico era septilhões de graus maior que a do núcleo do Sol – um número com 29 zeros. Haja luz. Porém, conforme o espaço se expandiu, ele esfriou e escureceu. E assim ficou: por uns 300 milhões de anos após seu nascimento, o cosmos consistiu em uma nuvem imensa dos gases hidrogênio e hélio, gelada e no breu completo. É o que os astrônomos chamam de “Idade das Trevas”. 

Até que houve um acidente: um acúmulo de hidrogênio particularmente gordo desabou sob a própria gravidade. O miolo dessa nuvem de gás ficou tão espremido que os átomos começaram a se fundir e liberar energia no processo. Pela primeira vez em muito tempo, algo no Universo estava denso o suficiente para emitir alguma luz. Nada comparado a um Big Bang, claro (em que o Universo como um todo era a coisa espremida). Mas a nuvem começou a brilhar, mesmo assim. Nascia uma estrela. A primeira de muitas que estavam por vir.

A luz desses astros pioneiros – que logo se juntaram nos condomínios estelares chamados “galáxias” – já está viajando há 13 bilhões de anos. E passa despercebida pelas redondezas da Terra a todo momento, porque se tornou um tipo de luz para o qual nossos olhos e cérebro não são ajustados. A partir de agora, porém, esses fósseis de radiação eletromagnética não vão mais ficar no vácuo: o Telescópio Espacial James Webb já está posicionado especialmente para captá-los, e tem a tecnologia necessária para isso. 

Trata-se da maior e mais complexa engenhoca de observação que já mandamos para o espaço. O projeto, liderado pela Nasa, teve início em 1996. Na época, chamava-se “Telescópio Espacial da Próxima Geração”, sem a homenagem a James Edwin Webb – administrador da agência espacial americana durante as missões Apollo. 

A ideia era construir um sucessor para o Telescópio Espacial Hubble, lançado em 1990. O Webb levou mais de duas décadas, entre atrasos, revisões técnicas e estouros de orçamento. O custo previsto inicialmente era de US$ 3,5 bilhões. No fim, a conta saiu US$ 9,7 bilhões.

Em 25 de dezembro de 2021, ele finalmente decolou a bordo de um foguete Ariane 5 da Agência Espacial Europeia (ESA) – lançado do Centro Espacial da Guiana Francesa, aqui pertinho do Amapá. Dali em diante, foram meses de viagem, configuração, testes e calibragens para garantir que tudo funcionasse nos trinques.

As primeiras fotos do Webb já chegaram, e você pode rolar até o final deste texto se quiser vê-las direto (montamos uma galeria lá embaixo). Continue conosco, porém, se quiser entender como elas foram feitas. 

A luz

Para sacar como o James Webb enxerga as primeiras luzes emitidas no Universo, é preciso entender, primeiro, por que um telescópio óptico comum, como o Hubble, não é capaz do mesmo.

Veja só: a luz é uma onda eletromagnética. Ondas têm duas características essenciais, que são a distância entre duas oscilações (o comprimento) e um número de oscilações por segundo (a frequência). Ondas curtas têm alta frequência e carregam bastante energia, enquanto as longas têm baixa frequência e são menos energéticas.

Nós podemos organizar essa variedade em um espectro, da mais curta à mais comprida. A luz que nós enxergamos corresponde a comprimentos de onda entre 380 e 700 nanômetros, que são milionésimos de milímetro. Dentro dessa janela, nosso cérebro entende que as mais compridas (700 nm) são o vermelho, e as mais curtas (380 nm) são o violeta.

Além do violeta, existem o ultravioleta, os raios X e os raios gama – as ondas mais curtinhas e energéticas de todas. No outro extremo estão ondas compridas e preguiçosas. Antes do vermelho, existem o infravermelho, as micro-ondas e as ondas de rádio. Nós, é claro, não vemos nada disso. 

O problema é que a luz que os corpos celestes antigos emitiram chega até nós na faixa do infravermelho. A culpa é de um aumento no comprimento de onda chamado redshift (ou “desvio para o vermelho”). Ele é causado por um fenômeno que você certamente já experimentou com ondas sonoras: o efeito Doppler.

Sobre sirenes e galáxias

Imagine uma ambulância passando por você em alta velocidade. O som da sirene fica mais agudo à medida que o veículo se aproxima, e mais grave quando começa a se afastar. É que o veículo espreme a onda quando está vindo (deixando-a mais aguda) e então estica a onda quando está se afastando (deixando-a mais grave). 

A mesma coisa acontece com a luz. Como o Universo está se expandindo, a maioria das galáxias está se afastando de nós. Por causa disso, o brilho das mais distantes acaba esticado e chega aqui em ondas bem compridas e preguiçosas – que saem do espectro visível e entram na zona do infravermelho. Aí você pergunta: “Por que construir um telescópio que vê em infravermelho se poderíamos olhar só coisas que estão pertinho e evitar esse problema do redshift?”

Então: o Webb, você já sabe, quer observar astros formados logo após o Big Bang, há 13 bilhões de anos. A notícia boa é que dá, sim, para observar uma estrela do passado: a luz que ela emitiu continua se propagando pelo Universo, é só captar. A notícia ruim é que, se a luz de uma dessas estrelas está passando pela Terra agora, é porque ela demorou 13 bilhões de anos (todo o tempo de existência do cosmos) para chegar. E isso significa que ela está muito distante. Em resumo: todas as estrelas antigas que podemos observar estão longe, porque a luz das mais próximas já passou faz tempo. E, com tanta distância, o redshift fica brutal. O Webb é um microfone no Rio de Janeiro tentando captar o som de uma ambulância que já chegou em São Paulo.

Outra sutileza é que precisamos obrigatoriamente de telescópios espaciais para observar essa luz. Não adianta instalar o dito-cujo na superfície do planeta porque a maior parte do infravermelho que chega até a Terra é absorvida pela atmosfera – principalmente por moléculas de água e dióxido de carbono (CO2). É a mesma coisa com o efeito estufa: o Sol esquenta a superfície da Terra e parte da radiação infravermelha gerada fica por aqui, retida pela atmosfera.

Enxergando o invisível

A sensibilidade do James Webb se deve, em parte, ao seu tamanho. Quanto maior o espelho principal de um telescópio, mais luz ele pode coletar – como um balde maior coleta mais água da chuva. E o James Webb tem um espelho de 25 m² e 6,5 m de diâmetro.

Isso é enorme para os padrões dos telescópios espaciais. WISE e Spitzer, aposentados da Nasa que observavam infravermelho, tinham espelhos de 40 e 85 cm, respectivamente. O espelho do Hubble, que observa principalmente luz visível, tem diâmetro de 2,4 m – ele é até cem vezes menos sensível que o Webb.

O telescópio é tão grande que não caberia em foguete nenhum. Por isso, foi planejado como um origami. Ele deixou a Terra dobrado dentro do transporte e, como se espreguiçasse lentamente, atingiu sua forma final enquanto viajava em direção ao seu destino no espaço.

E como se dobra um espelho gigante? Construindo-o em pedacinhos. O espelho principal do James Webb é formado, na verdade, por dezoito segmentos de espelhos hexagonais – um formato ideal, segundo os astrônomos, porque oferece encaixes sem folgas e boa simetria entre todas as partes.

Eles são feitos de berílio, um metal leve e relativamente forte, e cobertos com uma fina camada de ouro. (Fina mesmo: menos de um centésimo da espessura de um fio de cabelo.) O uso do metal não é ostentação: o ouro melhora a reflexão da luz infravermelha – assim como o alumínio reflete bem a luz visível.

Para que os segmentos funcionem como um espelho único, todos têm pequenos motores na parte de trás, que os movimentam e ajustam sua curvatura com precisão microscópica. Alinhados, eles refletem a luz que recebem na direção do espelho secundário, que então manda a radiação para dentro do telescópio. 

Assim a luz chega aos instrumentos científicos do James Webb. Há três sistemas de câmeras e sensores que trabalham com o “infravermelho próximo” (“próximo”, no caso, da luz visível). Um quarto instrumento capta o “infravermelho médio”, que são ondas um pouco mais compridas e distantes da maior cor que vemos, o vermelho.

Ilustração da parte de baixo do telescópio James Webb, com um botão escrito
Clique aqui para abrir o infográfico. Tayrine Cruz/Superinteressante

So far away

Dissemos que humanos não veem infravermelho. Errado: nós vemos, mas é com a pele. A radiação infravermelha é o que você chama de calor, detectado pelo tato. Todos nós emitimos. E o problema é que, no espaço, o telescópio está exposto a muitos calores que acabam gerando interferência: Sol, Terra e até seu próprio maquinário. Seus instrumentos de observação precisam ficar isolados de tudo isso.

Por outro lado, o Webb precisa que sua antena esteja apontada para a Terra, para transmitir informações, e que seu painel solar esteja direcionado… para o Sol, claro. 

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A solução para esse impasse começa pela escolha de sua localização: ele fica a 1,5 milhão de km de nós, quase quatro vezes a distância da Lua, no segundo ponto de Lagrange (ou L2) – nome que homenageia o astrônomo italiano Joseph Louis Lagrange (1736-1813).

Lagrange percebeu que o cabo de guerra gravitacional entre o Sol e a Terra gera cinco pontos em que as duas forças se equilibram. Objetos deixados nesses pontos ficam parados em relação à Terra, acompanhando sua translação em volta do Sol, mas sem orbitá-la como um satélite ou a Lua fazem (veja o infográfico abaixo). 

Ilustração da localização do James Webb em relação ao Sol e a Terra.

O ponto L1 fica a 1,5 milhão de km da Terra na direção do Sol, e lá ficam equipamentos que estudam a estrela, virados para ela. O ponto L2 fica à mesma distância, mas do lado oposto, de costas para o Sol. E por isso ele é bom para equipamentos que estudam o espaço profundo, como o Webb. 

O segundo recurso para resolver o problema é um protetor térmico (ou para-sol) do tamanho de uma quadra de tênis que divide a engenhoca em dois e parece uma grande massa folhada. Na frente dessa estrutura, virados para a Terra e o Sol, ficam o painel solar, a antena e os propulsores. Atrás, protegidos pela barreira térmica, os instrumentos se mantêm em um ambiente escuro e frio (operando entre -234 °C e -266 °C).

O telescópio não fica parado no L2, porque colocar um objeto nesses pontos é como deixar um lápis em pé: a estabilidade está sujeita a qualquer pequena perturbação. Por isso, o James Webb gira em volta do L2, completando uma volta a cada seis meses. Sim: ele orbita em torno de um ponto vazio.

Com essa movimentação, ele nunca fica exatamente alinhado com a Terra ou a Lua, e então a luz do Sol nunca é bloqueada – coisa que acontece a cada 90 minutos com o Telescópio Hubble, que está na órbita terrestre. Assim, os painéis solares do James Webb podem gerar energia sem interrupções.

Ilustração dos telescópios James Webb e Hubble e legendas com comparações entre os dois.

Por outro lado, o Hubble está perto de nós e pode receber manutenção. Os cientistas tiveram de projetar o James Webb de maneira que ele não precisasse de reparos. Um dos instrumentos do telescópio tem dois sistemas de câmera idênticos, por exemplo, para que a qualidade óptica seja mantida mesmo se um deles falhar.

O Webb subiu com combustível suficiente para fazer manobras que permitam a manutenção de sua posição no espaço por, no mínimo, dez anos. Mas, como o lançamento em dezembro foi melhor do que o previsto, espera-se que o combustível economizado prolongue a missão por mais uma década, aproximadamente.

Que bom, porque o potencial dele como ferramenta é interminável: observar infravermelho não é útil apenas para estudar estrelas e galáxias muito antigas e distantes, mas também para espiar planetas em outros sistemas solares, os exoplanetas. Embora estejam muito mais próximos de nós, essas Terras e Saturnos são quase invisíveis, porque não emitem luz própria. Porém, eles são aquecidos por suas estrelas – e, por isso, exalam infravermelho, exatamente como faz a Terra, aquecida pelo Sol. Se houver vida extraterrestre, é nesses lugares que ela se esconde. E se houver planetas habitáveis por aí, o Webb é um bom candidato a identificá-los. Ele é um grande olho espacial – observando duas coisas que não podemos ver: o passado profundo e possíveis destinos para nossa civilização.

As primeiras imagens

No início de julho, foi dada a largada para as observações do James Webb, e a Nasa divulgou em eventos online um gráfico de espectroscopia (a “assinatura” de luz após passar pela atmosfera de um exoplaneta) e cinco imagens geradas a partir do telescópio. Confira abaixo os primeiros resultados oficiais da engenhoca.

Imagem feita pelo telescópio James Webb.
NASA, ESA, CSA, and STScI/Divulgação

O espelho principal do James Webb levou 12,5 horas para captar a quantidade de luz necessária para gerar a imagem acima, a primeira a ser divulgada. Segundo a Nasa, foi um tempo relativamente curto de exposição: imagens semelhantes do Hubble podem levar semanas.

A imagem mostra o aglomerado de galáxias SMACS 0723, a cerca de 13 milhões de anos-luz de nós. Os borrões vermelhos são milhares de galáxias distantes – algumas delas são os objetos mais tênues já observados no infravermelho. Já os objetos pontiagudos brancos e azuis são estrelas que estão mais próximas da Terra, dentro da Via Láctea, que é nossa própria galáxia.

É brutal a diferença de distância entre as estrelas em primeiro plano e as galáxias (que são conjuntos de milhões ou bilhões de estrelas) em segundo plano – trata-se de algo similar à diferença entre o patrimônio de uma família de classe média e a fortuna de Elon Musk. 

Algumas das galáxias aparecem distorcidas por conta do efeito de lente gravitacional, que ocorre quando a gravidade de um corpo celeste massivo (como um outro aglomerado de galáxias) causa uma curvatura suficiente do espaço-tempo para que a luz ao seu redor apareça distorcida para nós.

Imagem da Nebulosa de Carina.
NASA, ESA, CSA, and STScI/Divulgação

Outro dos primeiros alvos do James Webb foi a região de formação de estrelas chamada NGC 3324 (ou “Penhascos Cósmicos”) na Nebulosa de Carina, localizada a cerca de 7,6 mil anos-luz de nós, na Via Láctea.

A parte inferior da imagem, que lembra uma paisagem montanhosa, é o amontoado de gás e poeira do qual surgem as estrelas – os objetos brilhantes e pontiagudos na imagem. Ele foi esculpido pela radiação ultravioleta e ventos estelares de estrelas jovens e muito quentes localizadas acima da área mostrada na imagem.

O James Webb revelou áreas previamente invisíveis de nascimento de estrelas devido à sua sensibilidade à luz infravermelha – que consegue escapar melhor da poeira do que a luz em ondas mais curtinhas e energéticas, como a luz visível ou o ultravioleta.

Imagem feita pelo telescópio James Webb.
NASA, ESA, CSA, and STScI/Divulgação

As imagens acima retratam a nebulosa planetária NGC 3132, ou Nebulosa do Anel Sul, que está a aproximadamente 2,5 mil anos-luz de nós. No centro dela, há duas estrelas: uma mais brilhante, em um estágio inicial de sua evolução estelar; e uma mais escura, moribunda.

A segunda estrela está gradualmente perdendo sua massa, enviando gás e poeira em todas as direções – e formando o desenho que você vê ao redor da dupla brilhante. Nos anéis externos, há material que foi liberado há mais tempo. Os internos, por sua vez, são mais recentes. 

Imagem feita pelo telescópio James Webb.
NASA, ESA, CSA, and STScI/Divulgação

Este é um conjunto de cinco galáxias conhecido como Quinteto de Stephan – o primeiro grupo de galáxias descoberto na história, no ano de 1877. 

Só viu quatro? Pois é, só tem quatro, mesmo. A quinta galáxia está muito mais próxima de nós, a apenas 40 milhões de anos-luz daqui, e acaba não saindo na foto. As outras quatro, que aparecem no centro da imagem e interagem entre si a partir de suas forças gravitacionais, estão bem mais distantes, a 290 milhões de anos-luz. Também é possível ver um buraco negro com 24 milhões de vezes a massa do Sol no centro da galáxia mais alta do grupo.

Esta é a maior imagem do James Webb por enquanto, cobrindo um pedaço do céu que, da perspectiva aqui da Terra, é do tamanho de um quinto do diâmetro da Lua. Ela foi construída a partir de quase mil arquivos de imagem separados, e poderá fornecer novas pistas aos cientistas sobre como as interações entre galáxias podem impulsionar sua evolução.

Gráfico da composição da atmosfera.
NASA, ESA, CSA, and STScI/Divulgação

Este é o primeiro gráfico de espectroscopia de um exoplaneta (ou seja, um planeta fora do Sistema Solar) gerado pelo James Webb. Mais especificamente, do WASP-96b, planeta a 1,1 mil anos-luz da Terra que leva apenas 3,5 dias terrestres para orbitar sua estrela. E você achando que os anos de 365 dias passam rápido por aqui.

A espectrografia é uma técnica que permite analisar a composição química da atmosfera do planeta enquanto ele passa na frente de sua estrela, a partir da maneira como sua atmosfera filtra a luz da estrela antes que ela seja coletada pelo telescópio. Esses dados mostram aos cientistas que o ar do WASP-96b é repleto de vapor d’água, com evidências inéditas de neblina e nuvens.

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Consultamos: Marcia Rieke, investigadora principal da câmera de infravermelho próximo do James Webb; María Begoña Vila, engenheira de sistemas dos instrumentos científicos do James Webb; Themiya Nanayakkara, astrônomo-chefe do James Webb Australian Data Center; Thiago Signorini Gonçalves, coordenador do Programa de Pós-Graduação do Observatório do Valongo; Roderik Overzier, pesquisador titular do Observatório Nacional; Rogemar André Riffel, líder do Grupo de Astrofísica da Universidade Federal de Santa Maria.

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