Eureka Entrevista: Fernando Falkenberg fala sobre o lançamento do telescópio espacial James Webb

Você certamente conhece o telescópio espacial Hubble. Há mais de 30 anos o Hubble vem nos presenteando com imagens deslumbrantes e descobertas sem precedentes. Agora… pense sobre como a tecnologia mudou nas últimas 3 décadas… Pois é, nosso velho companheiro espacial está obsoleto…. Já existe um sucessor na verdade, há uns 15 anos. O telescópio espacial James Webb que teve seu lançamento adiado muitas vezes desde 2007, deve ser lançado no próximo dia 24 de Dezembro de 2021, véspera de Natal! 

Com cerca de 6,5 metros de diâmetro, 6,5 toneladas e um orçamento na ordem dos 10 bilhões de dólares, ele é cerca de 6 vezes maior e muito mais potente do que o Hubble.

Para marcar essa data histórica, o Eureka! Brasil entrevista o astrônomo Fernando Falkenberg que nos falará sobre a tortuosa e desafiadora tarefa de pôr o sucessor do telescópio Hubble no espaço! 

Olá, Fernando, seja muito bem vindo ao Eureka!Brasil. Eu quero começar essa nossa conversa te perguntando sobre a importância de um telescópio espacial para a astronomia e astrofísica moderna. Por que é tão importante substituir o Hubble?

Fernando: Obrigado, André! É um prazer estar aqui novamente, agradeço mais uma vez pelo convite! Pra começar a responder essa pergunta, acho interessante explicar que a gente pode sim chamar o Telescópio Espacial James Webb de sucessor do Hubble, no sentido de que ele vai ser o nosso próximo grande telescópio espacial, mas ele não vai substituir o Hubble. Os astrônomos consideram que o James Webb é um telescópio que vai complementar os estudos do Hubble e a gente espera inclusive que os dois trabalhem em conjunto por alguns anos.

Vamos falar, então, um pouco sobre telescópios espaciais. Ter um telescópio no espaço é importante por um motivo: lá no espaço a gente consegue observar coisas que aqui na Terra, no solo, a gente não consegue observar. E não é por limitação de tecnologia. É simplesmente porque a nossa atmosfera nos impede de observar certas coisas do céu. Por exemplo, nós sabemos que além das frequências de luz que o olho humano consegue enxergar, existem outras frequências do espectro eletromagnético. Nós chamamos elas de raios gama, raios-X, ultravioleta, infravermelho e rádio. Embora os nossos olhos não enxerguem essa radiação, a gente sabe construir telescópios que conseguem “enxergar” ela. Isso nos dá muitas informações novas sobre o que estamos observando, e eu já vou falar que tipo de informações novas são essas. Mas acontece que nossa atmosfera não permite esse tipo de estudo. Além de deixar as imagens dos telescópios menos nítidas (por conta da umidade e dos ventos), a atmosfera da Terra também absorve boa parte dessas outras frequências luminosas. Então a única forma que a gente tem de observar o universo nessas diferentes frequências é enviando um telescópio para o espaço. Os telescópios espaciais nos permitem conhecer muito mais do nosso universo!

Dito isso, vamos falar um pouco sobre o nosso querido Hubble. O telescópio espacial Hubble foi lançado no ano de 1990 e já revolucionou a nossa forma de entender o universo. Muitos consideram ele como um dos instrumentos científicos mais importantes já criados pela humanidade, devido à quantidade de descobertas que ele foi capaz de fazer. Mas depois desses mais de 30 anos de operação, seus componentes já estão desgastados e ele já está apresentando alguns problemas. Ele ainda é capaz de fazer observações, mas sabemos que dificilmente ele funcionará por mais 10 anos.

E é aí que entra o James Webb. A página oficial da Nasa considera o telescópio espacial James Webb como um sucessor do Hubble e do Spitzer. E porque isso? Isso tem relação com a frequência de radiação eletromagnética que cada um desses telescópios é capaz de observar. Enquanto o Hubble enxerga principalmente nas frequências visíveis pelo olho humano, o Spitzer foi um importante telescópio espacial que trabalhou no infravermelho. E o James Webb, embora consiga observar um pedacinho das frequências da luz visível, é um telescópio que vai trabalhar principalmente no infravermelho. A gente considera que o James Webb vai aumentar o nosso conhecimento do universo construindo sobre o legado deixado pelo Hubble e pelo Spitzer.

O telescópio James Webb seria lançado inicialmente em 2007, mas alguns problemas acabaram impedindo o lançamento. E isso se repetiu mais de uma dezena de vezes de lá para cá! Quais foram os principais problemas enfrentados pelos engenheiros e outros cientistas envolvidos no projeto?

Fernando: Vou começar essa resposta dizendo que o telescópio James Webb é grande. Ele vai ser o maior telescópio já colocado no espaço. Enquanto o Hubble é mais ou menos do tamanho de um ônibus, o James Webb é aproximadamente do tamanho de uma casa de 3 andares. Agora imagina colocar isso no espaço! Ele é tão grande que não caberia em nenhum foguete que existe atualmente. A solução para isso foi projetá-lo para se dobrar de várias maneiras, como um origami, para poder caber dentro de um dos nossos maiores foguetes. Depois de lançado, já no espaço, ele vai se desdobrando aos poucos até atingir a sua forma final. A partir daí ele vai poder começar suas observações. Aí você soma tudo isso com a extrema sensibilidade e complexidade dos instrumentos que ele carrega dentro dele e você termina com possivelmente um dos instrumentos mais complexos já criados pela humanidade.

Figura 01: O telescópio espacial James Webb

Agora eu vou então contar de maneira resumida a história do projeto e dos seus inúmeros adiamentos. O projeto começou em 1996 e tinha o nome de Next Generation Space Telescope. O plano original era um telescópio de 8 metros que custaria 500 milhões de dólares. A data de lançamento inicial era 2007. Em 2005 ele passou por uma grande revisão onde tudo foi verificado e checado. Boa parte do projeto teve que ser replanejada. Nessa época o lançamento já estava previsto para 2013 e os custos estavam bem acima do previsto. Em 2011, os custos já estavam chegando aos 8 bilhões de dólares. O valor era tão alto que o congresso americano decidiu reduzir o orçamento da Nasa como forma de forçar o cancelamento do projeto. No entanto, a reação pública em apoio ao projeto os fez reverter a decisão. A nova data de lançamento passou a ser 2018. Em 2018 o projeto foi adiado para 2020, devido ao rompimento do escudo de calor durante um teste. Em 2019 o lançamento foi adiado novamente, desta vez para março de 2021, para que pudessem fazer mais testes.

Agora a gente chega nos adiamentos que aconteceram apenas no ano de 2021: devido à pandemia ele foi adiado de março para o dia 31 de outubro. Problemas no foguete Ariane V, que o colocará no espaço, fizeram com que o lançamento fosse adiado para 18 de dezembro. Já em dezembro um rompimento de uma anel de contenção, responsável pela fixação do telescópio no foguete causou o adiamento do lançamento para o dia 22 de dezembro. Uma semana antes do dia 22, um problema com o cabo que transmite as informações de telemetria fizeram com que o lançamento fosse adiado mais uma vez, desta vez para o dia 24 de dezembro. Até agora o orçamento já está praticamente nos 10 bilhões de dólares.

Esperamos que desta vez o lançamento seja um sucesso! Uma vez lançado, qual será a jornada do telescópio James Webb até a produção das suas primeiras imagens?

Fernando: Todos esperamos que esse lançamento seja um sucesso! As expectativas estão muito altas tanto devido à complexidade da missão, quanto devido às potenciais descobertas que ela vai fazer! Mesmo depois de lançado, o telescópio ainda vai ter que realizar uma série de manobras antes de começar a captar suas primeiras imagens científicas. A parte mais preocupante desse processo vão ser os primeiros 29 dias, onde ele vai se deslocar até a sua órbita final enquanto se desdobra no meio do caminho.

O planejamento é o seguinte: logo após o lançamento, quando ele sai da atmosfera da Terra, ele vai realizar uma série de movimentos de oscilação. Ele vai ficar girando bem de levinho de um lado para o outro para fazer com que os espelhos do telescópio não sejam expostos ao sol. Tem um vídeo da Nasa que mostra isso bem direitinho.

Depois disso, ele passará 6 meses alinhando os próprios espelhos e testando os instrumentos científicos para assegurar de que tudo esteja funcionando como o planejado. Só então nós vamos começar a ver suas primeiras imagens científicas sendo produzidas. Antes disso nós vamos ver no máximo imagens dos testes.

Uma informação bem interessante sobre o assunto: Em um comunicado recente da Nasa mostra que para que o telescópio funcione no espaço, são necessários 50 deployments (desdobramentos) com 344 pontos de falha individuais. Ou seja, são 344 operações que ele vai ter que fazer e que se apenas uma delas não funcionar da maneira prevista, o telescópio possivelmente não vai mais funcionar. Outro detalhe que deixa as expectativas ainda mais altas é que, ao contrário do Hubble, o James Webb vai ficar muito mais distante da Terra, o que significa que não vão ser possíveis missões de reparo, como aconteceu com o Hubble. Com o James Webb, se algo der errado, não vamos ter nenhuma chance de ir lá consertar.

E qual é a expectativa da duração da missão? Isto é, quanto tempo ele ficará no espaço produzindo imagens?

Fernando: O que vai definir a duração da missão é a órbita em que ele vai ficar. O James Webb vai ficar numa órbita bem distante da Terra, num local conhecido como ponto de Lagrange 2 ou ponto L2. Existem várias vantagens de se colocar o telescópio lá e talvez a principal delas é a de que o telescópio fica longe da influência do calor da Terra e da Lua, que atrapalhariam suas fotografias. Mas essa órbita não é completamente estável ao longo do tempo e por isso o James Webb vai precisar de combustível para se manter por lá. Ao mesmo tempo, por ser muito distante, muito dificilmente será possível reabastecê-lo. Então, quando acabar o combustível, a missão também acabará. Isso está previsto para acontecer 10 anos depois do lançamento.

Para entender melhor as expectativas sobre o James Webb, gostaria de entender o que o telescópio espacial Hubble representou para a astronomia e astrofísica… Quais foram as suas grandes contribuições?

Fernando: É até difícil falar sobre as contribuições do Hubble para a nossa compreensão do universo. As descobertas do Hubble revolucionaram quase todas as áreas de pesquisa astronômica atual, desde ciência planetária até cosmologia. Suas fotos inspiraram gerações a se interessar por ciência ao redor do mundo.

Alguns exemplos memoráveis são:

  • Hubble Deep Field: o Hubble observou uma pequena região do céu, quase vazia quando observada por telescópios menores, por 10 dias consecutivos, coletando fótons de luz dos objetos que estavam naquela direção. A imagem final revelou milhares de galáxias. Além de um enorme valor científico, que nos possibilitou estudar a formação e a evolução desses objetos, essa imagem é transformadora ao nos revelar a imensidão do universo.
  • Lentes gravitacionais. 
  • Determinação da taxa de expansão e da idade do universo: (inspiração para o nome do telescópio) 13.8 B anos. Descobriu inclusive que a taxa de expansão está aumentando.
  • Distribuição de matéria escura no universo
  • Estudo de buracos negros supermassivos.
  • Quasares.
  • Observação da colisão de um cometa com o planeta Júpiter
  • Auroras em outros planetas do sistema solar
  • Vapor de água sendo ejetado da lua Europa
  • Observação de objetos interestelares: Oumuamua (que é um cometa)
  • Observação de cometas
  • Investigação de regiões de formação estelar na nossa galáxia
  • Supernovas e nebulosas planetárias
  • Ciclo de vida de estrelas
  • Composição de atmosferas de exoplanetas: incluindo planetas com possibilidade de existência de água líquida.
  • Descoberta de discos de acreção protoplanetários em Órion

Em síntese, o telescópio espacial Hubble é um incrível projeto fruto da colaboração internacional entre a Nasa e a ESA. Vai continuar funcionando enquanto estiver funcionando e gerando dados significativos cientificamente.

E qual é a expectativa para o James Webb? O que se pretende investigar?

Fernando: As expectativas são altíssimas. O James Webb tem o potencial de nos revelar muita coisa sobre uma lista enorme de objetos. Além de complementar praticamente todos os estudos que o Hubble iniciou ele vai nos trazer muitas novas descobertas. Pra isso ele é equipado com 4 instrumentos científicos:

NIRCAM (Near Infrared Camera: imageador principal): luz infravermelha dos objetos mais distantes. Equipado com coronógrafo para revelar exoplanetas.

NISPEC (Near Infrared Spectrograph): propriedades físicas de objetos distantes pelo estudo da luz que eles emitem: temperatura, massa e composição química. Até 100 objetos observados simultaneamente.

MIRI (Mid Infrared Instrument): imagens de objetos mais distantes do que jamais foi visto. Detalhes sem precedentes de estrelas recém formadas, cometas distantes e o nosso sistema solar. Também é equipado com um espectrógrafo e um coronógrafo. Opera a 7 K (-266 ºC). Ele usa o próprio refrigerador para resfriá-lo mais ainda do que o já frio telescópio.

NIRISS (Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph): ajudar com a identificação e análise de exoplanetas. Também contém um espectrógrafo e um coronógrafo para detectar objetos fracos que seriam ofuscados por outros mais brilhantes.

Por que o James Webb é otimizado para luz infravermelha próxima e média? Por que ele não “enxerga” todas as cores do espectro da luz visível?

Fernando: Lembra que eu falei que diferentes frequências eletromagnéticas nos permitem descobrir diferentes informações sobre os objetos? O infravermelho tem muitas peculiaridades que o fazem ser excelente em muitas áreas. A Nasa separou quatro grandes objetivos para a missão.

  1. Procurar as primeiras galáxias ou objetos luminosos que se formaram após o Big Bang: o Universo está se expandindo e quanto mais longe olhamos, mais rapidamente os objetos se afastam de nós, deslocando a luz para o vermelho. Isso faz com que o infravermelho seja perfeito para observar esses objetos no começo dos tempos.
  1. Determinar como as galáxias evoluíram desde sua formação até o presente: observar as primeiras galáxias vai nos possibilitar entender muito melhor a evolução delas.
  1. Observar a formação das estrelas desde os primeiros estágios até a formação dos sistemas planetários: o infravermelho é excelente quando se quer enxergar o que acontece no interior de nuvens de poeira e gás. Isso vai nos permitir ver planetas que estão sendo formados dentro dos discos de acreção de outras estrelas. Também vamos enxergar a formação de estrelas dentro de nebulosas. Objetos com temperatura próxima à da Terra emitem a maior parte de sua radiação em comprimentos de onda do infravermelho médio. Essas temperaturas também são encontradas em regiões empoeiradas formando estrelas e planetas, então, com a radiação do infravermelho médio, podemos ver o brilho da estrela e a formação do planeta ocorrendo. Um telescópio otimizado para infravermelho nos permite penetrar nas nuvens de poeira para ver os locais de nascimento de estrelas e planetas.
  1. Medir as propriedades físicas e químicas dos sistemas planetários e investigar o potencial de vida nesses sistemas: com a espectroscopia no infravermelho conseguimos observar muito mais moléculas e elementos químicos presentes nesses objetos do que nas frequências do ótico.

Fora tudo isso, a gente sabe que na ciência muitas vezes grandes descobertas não são planejadas. Muito provavelmente o James Webb vai nos dar respostas para perguntas que nós nem conhecemos ainda.

Fernando, muito obrigado por seu tempo e disposição de falar conosco! É muito bonito ver sua disposição de compartilhar sua visão e conhecimento com as pessoas. Um grande abraço!

Fernando: Obrigado você pelo espaço! 

Com roteiro co-produzido por Juliana Akemi Takahashi Vieira, estudante de Física na Universidade de Brasília, o Eureka! Brasil se despede desejando a todos e todas, boas festas e um ano de 2022 repleto de descobertas e realizações! Conte mais uma vez com o Eureka! Brasil neste ano que virá! Um grande abraço a todos!

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