JWST nas profundezas do espaço

JWST et l'observation infrarouge

James Webb Space Telescope (JWST) é o sucessor do Hubble Space Telescope (HST) e Spitzer ou Space Infrared Telescope Facility (SIRTF). Foi lançado em 25 de dezembro de 2021 e o comissionamento está previsto para junho de 2022 porque exige que o conjunto óptico localizado na sombra da blindagem térmica alcance uma temperatura compatível (7 K) com as observações infravermelhas.
A radiação infravermelha carrega uma considerável riqueza de informações, mas a atmosfera da Terra difunde ou bloqueia parte da radiação térmica e impede a observação na maioria dos comprimentos de onda do segmento infravermelho.
Na observação infravermelha do espaço, é necessário que o ambiente dos sensores esteja a uma temperatura inferior à da radiação a ser captada.
JWST foi projetado para explorar subsegmentos infravermelhos (PIR e MIR). Para isso é particularmente protegido porque orbita em torno do ponto de Lagrange L2 localizado a 1,5 milhão de quilômetros na direção oposta ao sol. Ele viaja nesta grande órbita em seis meses a uma velocidade de cerca de 1 km/s. Sua distância do ponto Lagrange L2 varia entre 250 000 e 832 000 km. Sua distância da Terra oscila entre 1,5 e 1,8 milhão de quilômetros. Sua excursão máxima acima do plano da eclíptica é de 520 000 km. Essa órbita foi calculada com precisão para que o telescópio espacial nunca fique na sombra da Terra, porque sua única fonte de energia vem de seus painéis solares. A órbita em torno de L2 sendo instável, o telescópio espacial deve ativar sua propulsão a cada 3 semanas.

Um dos objetivos deste projeto de 10 bilhões de dólares é capturar as primeiras luzes do nosso universo profundo, a fim de entender como galáxias e estrelas apareceram após o Big Bang.
Observando as profundezas do espaço e do tempo no infravermelho, os astrofísicos esperam extrair protogaláxias da escuridão profunda do espaço.
O primeiro bem do telescópio mais poderoso do mundo em comparação com o Spitzer e o Hubble é o seu espelho. Seu espelho hexagonal em berílio folheado a ouro (o ouro aumenta a refletividade da luz infravermelha) possui 18 segmentos hexagonais de 1,315 m de lado (equivalente a um espelho primário de 6,5 metros). O espelho, protegido por uma fina camada de vidro transparente amorfo, pesa apenas 705 kg graças à sua estrutura em "favo de mel" que reduz o seu peso sem afetar a sua resistência às dilatações e contrações causadas pelas variações de temperatura.
A outra vantagem do JWST é a sua janela de observação que se estende entre 600 nm a 28000 nm, ou seja, no infravermelho próximo e médio (PIR e MIR) incluindo uma parte do espectro localizada no visível. Por comparação, o do HST varia entre 10 nm e 2500 nm, ou seja, na faixa do ultravioleta, visível e infravermelho próximo (NIR). A janela de observação do Spitzer se estende entre 3600 e 160.000 nm no infravermelho médio e distante (MIR e LIR).
Esses dois ativos permitirão pesquisar galáxias primitivas no espaço profundo, mas também analisar as bioassinaturas de exoplanetas no espaço próximo.

Imagem: A superfície de coleta de luz dos 18 espelhos segmentados de 1,315 m de lado do Telescópio Espacial James Webb permitirá capturar mais fótons e, portanto, ver mais longe. Ganhamos um fator de 100 entre o Hubble e o Telescópio Espacial James Webb (intervalo de 100 horas do HST = intervalo de 1 hora do JWST).
NASA / JWST SCIENCE TEAM

JWST em busca de protogaláxias

Com o Telescópio Espacial Hubble, os cosmologistas foram capazes de capturar facilmente galáxias com um Redshift de 1, correspondendo a galáxias de 6 bilhões de anos. Com tempos de exposição de 1 hora, o HST capturou galáxias com um Redshift de 4, correspondendo a galáxias de 1,5 bilhão de anos. Com tempos de exposição de 15 dias, o HST capturou galáxias no infravermelho próximo com um Redshift de 10, correspondendo a galáxias de 500 a 700 milhões de anos após o Big Bang.
De acordo com simulações, com o JWST os cosmologistas esperam capturar galáxias primitivas com um Redshift de 20, o que pode revelar galáxias com 200 a 400 milhões de anos. É possível que, em pequenas regiões do céu profundo, se escondam milhões de protogaláxias brilhantes muito jovens. É justamente esse processo de formação de protogaláxias que interessa aos cosmologistas.
Como as primeiras galáxias se formaram após o Big Bang e como elas evoluíram?
Devido à expansão do universo, as galáxias se afastam umas das outras a uma velocidade proporcional à sua distância (lei de Hubble v = H0d - H0 constante de Hubble = 73 km/s/Mpc).
Na verdade, quanto maior a velocidade da recessão, mais distante a galáxia está no espaço e no tempo. Ao observar no infravermelho médio, o JWST nos fornecerá imagens próximas de quando o cosmos emergiu da idade das trevas de sua história.
Para formar uma galáxia, você deve coletar uma grande quantidade de matéria bariônica (matéria comum).

Agora sabemos que esse acréscimo não pode ser feito sem matéria escura porque, sem matéria escura, o poço gravitacional não é profundo o suficiente. Também sabemos que todas as galáxias estão conectadas por matéria escura.
Durante este período inicial de formação galáctica, os cientistas esperam ver turbulência, a presença ou ausência de um buraco negro, a forma de uma protogaláxia e a dinâmica do grande gás Redshift. E por que não entender a natureza da matéria escura!

Imagem: Uma grande diversidade de galáxias, algumas das quais com 11 bilhões de anos, pontilham o campo ultraprofundado da tapeçaria cósmica. Esta imagem composta foi criada a partir de fotografias tiradas pelo telescópio Hubble entre 2003 e 2012. Neste minúsculo buraco na abóbada celestial do sul, podemos contar cerca de 10000 galáxias.
Com o JWST, observando no infravermelho médio com o mesmo tempo de exposição, podemos ver 100 vezes mais galáxias do que na imagem do HST.
Credit Nasa, ESA

JWST em busca de vida

Em janeiro de 2022, sabemos de 4884 exoplanetas confirmados e 8288 candidatos (ref. Do catálogo da nasa). Entre os exoplanetas confirmados, alguns têm propriedades que podem ser favoráveis ​​à vida.
Desde a descoberta do primeiro exoplaneta (51 Pegasi b em outubro de 1995), o maior sonho da humanidade tem sido encontrar mundos raros como o nosso vida habitacional.
Se pudermos saber os parâmetros de massa, raio e orbitais de um exoplaneta, nenhum telescópio espacial tem a capacidade de "ver" diretamente a superfície de um exoplaneta. No entanto, o JWST pode analisar a composição do envelope gasoso de um exoplaneta.
Durante o trânsito de um exoplaneta com sua estrela, parte da luz atravessa as diferentes alturas da atmosfera do exoplaneta. Esta luz absorvida (linhas de absorção pretas) corresponde ao código de barras químico da composição da atmosfera (água H2O, metano NH4, dióxido de carbono CO2, etano C2H6, etc.).

Apesar da quantidade muito pequena de luz analisada pelo espectrógrafo JWST, é possível caracterizar a composição química de atmosferas exoplanetárias. É graças ao grande espelho do JWST que os cientistas acreditam que podem observar o espectro de absorção dos envelopes de gás.
Dependendo dos comprimentos de onda do espectro de observação do JWST, poderemos obter uma espécie de carteira de identidade química dos exoplanetas e muitas assinaturas poderão aparecer.
Em resumo, com o JWST, a observação no campo das ondas infravermelhas pode revolucionar a cosmologia e a exobiologia. JWST agora foi para as profundezas do espaço e do tempo em busca de galáxias, mas também nos subúrbios internos de nosso sistema solar em busca de vida.

Imagem: JWST foi em busca de vida.
Crédito ESA David Sing