Megaprojetos
JWST – O Telescópio Espacial James Webb
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Olhando mais profundamente para o universo
Alguns megaprojetos envolvem infraestruturas gigantescas, como, por exemplo, o círculo de 27 quilômetros de diâmetro do acelerador de partículas do CERN ou de Experiência de neutrinos de 800 milhas de comprimento do DUNE.
Outros podem ser qualificados como megaprojetos não por causa de seu tamanho, mas por sua complexidade, custos e quão transformadores eles são para nossa compreensão do Universo.
Um bom exemplo disso é o Telescópio Espacial James Webb (JWST). Este telescópio espacial de luz infravermelha é o mais poderoso e o maior já criado. O telescópio leva o nome de James E. Webb, o lendário administrador da NASA de 1961 a 1968 durante os programas Mercury, Gemini e Apollo.
Fonte: NASA
O JWST é tão poderoso que poderia igualmente nos ajudar a observar as primeiras estrelas a se inflamarem no Universo e encontrar exoplanetas potencialmente habitáveis. E para obter esses resultados, cientistas e engenheiros fizeram maravilhas para forçar o limite do que os telescópios poderiam alcançar.
Por que colocar um telescópio no espaço?
A primeira coisa a entender sobre o Telescópio Espacial James Webb é por que ele precisa estar no espaço em primeiro lugar. Afinal, levantar maquinário complexo para o espaço é muito mais difícil do que construir a mesma coisa na Terra.
Ao sair da atmosfera, os telescópios podem obter uma visão do Universo sem a perturbação da poluição luminosa, da turbulência atmosférica e, claro, das nuvens e dos padrões climáticos.
Esta é a razão pela qual o relativamente pequeno telescópio Hubble teve um desempenho tão bom em comparação com telescópios terrestres. Mas isso foi extra importante para o JWST, pois este telescópio não está medindo luz visível, mas luz infravermelha.
O vapor d'água na atmosfera terrestre absorve radiação infravermelha. Telescópios infravermelhos terrestres tendem a ser instalados em altas montanhas e em climas muito secos para melhorar a visibilidade, mas isso ainda não é o ideal e cria um limite inerente ao que eles podem observar.
O JWST é o mais recente e de longe o mais poderoso de uma linha de telescópios infravermelhos baseados no espaço, seguindo o Satélite Astronômico Infravermelho (IRAS), o Telescópio Espacial Spitzer, e a Explorador de levantamento infravermelho de campo amplo (SÁBIO).
O JWST foi lançado em 2021 em um lançador francês Ariane 5, da Guiana Francesa. Um mês depois, ele chegou ao seu destino, o ponto de Lagrange L2 Sol-Terra, a cerca de 1.5 milhão de quilômetros (930,000 milhas) da Terra.
Os pontos de Lagrange são posições no espaço que permanecem constantes em comparação com a Terra, apesar de não estarem em órbita da Terra. Atualmente, outro ponto de Lagrange (L1) é usado por DSCOVR: Observatório Climático do Espaço Profundo.
Fonte: NOAA
A posição do JWST significa que ele pode observar quase qualquer ponto no céu ao longo do ano, desde que não esteja na direção da Terra e do Sol; 39% do céu é potencialmente visível para Webb a qualquer momento.
Por que usar observação infravermelha?
Objetos distantes
Para objetos muito distantes no Universo, ocorre um fenômeno chamado “redshift”, movendo sua luz em direção ao infravermelho. Então, qualquer observação da parte muito profunda (e, portanto, muito antiga) do Universo tende a ter que ser feita na parte infravermelha do espectro de luz.
Devido a esse fenômeno, o Hubble só conseguia ver tão longe na distância e no tempo em que as primeiras galáxias se formavam. Ao olhar para o infravermelho, o JWST consegue ver tão longe na história do Universo quanto as primeiras estrelas se formando.
Exoplanetas
As observações infravermelhas têm outra vantagem, em relação à análise de exoplanetas desta vez. O JWST carregará um sistema chamado coronógrafo: ele bloqueará a luz vinda de uma estrela, permitindo que vejamos melhor os objetos menos brilhantes orbitando como pequenos exoplanetas.
A imagem de um exoplaneta seria apenas um ponto, não um grande panorama.
Fonte: NASA
Ainda assim, a luz daquele ponto pode ser analisada por meio de um método chamado espectroscopia, que pode nos dizer a composição da atmosfera desses exoplanetas. Em comprimentos de onda infravermelhos, as moléculas nas atmosferas dos exoplanetas têm o maior número de características espectrais, então obteremos muito mais informações do que ao usar luz visível.
Por meio desse método, não só poderíamos determinar se os planetas em outros sistemas solares têm água e CO2 mas também metano, amônia ou moléculas complexas potencialmente indicativas de vida alienígena.
JWST comparado ao Hubble
Em relação à sua capacidade de observação, o JWST se concentra principalmente na luz infravermelha próxima, mas também pode ver luz visível laranja e vermelha, e na faixa do infravermelho médio, dependendo do instrumento usado.
Ele pode detectar objetos 100x menos brilhantes do que o Hubble. E, em muitos casos, é usado para olhar para trás em objetos que o Hubble revelou em primeiro lugar para obter novos insights sobre eles.
No entanto, a nitidez da imagem será comparável à do Hubble devido ao fato de que as imagens infravermelhas são inerentemente menos nítidas que a luz visível devido aos comprimentos de onda maiores.
Outra diferença entre os dois telescópios icônicos é que o JWST consegue enxergar através de nuvens de gás, bloqueando a luz visível, mas não o infravermelho. Assim, a versão do JWST da famosa imagem dos Pilares da Criação, na Nebulosa da Águia, revela muitas estrelas dentro e ao redor dos pilares.
Fonte: Telescópio Webb
Especificações do JWST
O JWST carrega um espelho primário de berílio revestido de ouro de 6.5 metros (21 pés) composto por 18 espelhos hexagonais separados, dando-lhe sua aparência icônica.
Cada um desses espelhos pesa 20 kg (44 libras). O revestimento de ouro de 100 nanômetros fornece reflexão de luz infravermelha e é coberto por vidro para torná-lo resistente o suficiente. Isso lhe dá uma área de coleta de luz 6x maior que a do Hubble. No total, apenas 48.25 g de ouro (1.7 onças) foram usados.
Fonte: NASA
O Webb, ao contrário do Hubble, não foi projetado para ser atendido por astronautas, devido à sua longa distância da Terra. Como resultado, todos os subcomponentes críticos são duais, por exemplo, duas Câmeras de Infravermelho Próximo, ou são projetados para durar muitos anos, como os espelhos.
Espera-se que o JWST dure pelo menos 5 anos, com uma meta de 10 anos de operações. Ele tem, no entanto, propelente suficiente (para permanecer no ponto de Lagrange) para um total de 20 anos, então ele pode durar mais se nenhuma parte chave falhar.
Orçamento JWST
No total, o Telescópio Espacial James Webb acabou custando mais de US$ 11 bilhões, mais de 10x a estimativa inicial da NASA para este projeto. Esta explosão de preço ameaçou a viabilidade do projeto na década de 2010, devido ao orçamento (na época) explodir para “apenas” US$ 6.5 bilhões.
Um lançamento planejado inicialmente para 2014, mas que acabou atrasado 7 anos, aumentou as críticas.
“A causa raiz fundamental do problema é que, na época (da aprovação formal do programa), que remonta a julho de 2008, o orçamento que a NASA recebeu do escritório do projeto era basicamente falho”, disse ele a repórteres em uma teleconferência à tarde.
O orçamento simplesmente não continha o conteúdo que o projeto sequer conhecia naquela época. E então, do ponto de vista financeiro, era simplesmente insuficiente para executar o trabalho.”
John Casani, um gerente de projeto amplamente respeitado no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA
Como o projeto levou quase duas décadas para ser projetado e construído, ele nunca ultrapassou 2% do orçamento anual da NASA. No entanto, consumiu 3/1 do orçamento da Divisão de Astrofísica da NASA entre 3 e 2003.
E agora que o JWST é um dos programas mais impressionantes e bem-sucedidos da história da astronomia, a maioria desses debates está sendo esquecida.
A incrível engenharia da JWST
Perder algum peso
O primeiro problema a ser resolvido pelos designers do JWST era que um espelho tão grande seria muito pesado. Se eles tivessem reutilizado o design do Hubble, ele seria muito pesado para ser lançado ao espaço.
É por isso que a escolha foi feita para usar berílio, que é forte e leve o suficiente. Outro fator foi a temperatura extrema do espaço profundo, que poderia dobrar fora de forma a curvatura extremamente precisa necessária dos espelhos.
O berílio também era uma boa opção aqui, porque ele para de mudar de forma quando está muito frio. Então os espelhos foram fabricados com um ângulo “errado”, que se curvaria exatamente para a forma final pretendida quando expostos ao frio do espaço (-233°C / -388°F).
Fonte: JWSTName
Cada espelho seria alinhado com uma precisão igual a 1/10,000 da espessura de um fio de cabelo humano.
Materiais ultraleves, como compósitos, também foram escolhidos para a estrutura do telescópio, economizando ainda mais peso.
Fonte: NASA
Dobrando
Outro problema importante era que o tamanho extremo do espelho do telescópio exigido por este projeto não caberia em nenhum foguete disponível.
Então, foi decidido logo no início desdobrar a estrutura componente por componente, incluindo o para-sol e os espelhos. Como dobrar o todo de forma eficiente e fazê-lo desdobrar de forma confiável ainda era uma preocupação.
Cientistas da NASA se inspiraram no origami, a arte japonesa de dobrar papel, e a escolha final foi um padrão de origami hexagonal.
Esta foi uma decisão de alto risco para a equipe de design de James Webb, pois um desdobramento tão complexo nunca havia sido feito antes. E qualquer falha teria condenado todo o projeto.
Você pode ver como o desenvolvimento ocorreu passo a passo neste pequeno vídeo do JWST:
Protetor solar
Como o telescópio observa seus alvos em infravermelho, protegê-lo do calor do Sol era tão essencial quanto ter os espelhos suficientemente leves e devidamente desdobrados.
O protetor solar do JWST mantém a diferença entre o lado quente e frio do telescópio em quase 315°C/600°F, graças a um isolamento de 5 camadas.
O protetor solar é tão grande quanto uma quadra de tênis e é feito de camadas de Kapton E (filme de poliimida) com revestimentos de alumínio e silício dopado para refletir o calor do sol de volta ao espaço.
Telecomunicações
O JWST transmite seus dados de volta e recebe instruções da Terra por meio da Rede de Espaço Profundo da NASA. Essa transmissão passa por estações terrestres localizadas em Canberra, Madri e Goldstone.
O Webb pode fazer o download de pelo menos 57.2 gigabytes de dados científicos registrados por dia, com uma taxa máxima de dados de 28 megabits por segundo.
Fonte: Telescópio Webb
Outros Componentes
O resto do telescópio não era menos high-tech e de alto desempenho. Menções honrosas podem ser dadas a algumas peças do equipamento:
- Criooler: Infravermelho médio do JWST Sensores (MIRI) precisa operar a -266.15°C/-447°F, mais frio até do que as profundezas do espaço. Então, um sistema de resfriamento extra teve que ser adicionado para resfriar o instrumento.
- Backplane: A espinha dorsal do telescópio pesa 2.4 toneladas (5,300 libras) e fornece a posição absolutamente imóvel necessária para que o telescópio tire fotos nítidas. Ele foi projetado para ser estável até 32 nanômetros, que é 1/10,000 do diâmetro de um fio de cabelo humano.
- Micro-persianas: esta grade de 248,000 pequenas portas pode ser aberto e fechado individualmente para transmitir ou bloquear luz. Isso permite que o JWST observe simultaneamente centenas de objetos individuais em um campo de estrelas ou galáxias simultaneamente. Como resultado, o JWST pode executar muito mais observações para um determinado período de tempo.
Conquistas do JWST
Em operação há apenas alguns anos, o JWST já mudou completamente a forma como os astrônomos entendem o Universo. Então, embora seja quase impossível listar tudo o que ele já fez, algumas histórias merecem mais destaques.
Propagação de carbono recém-formado
O JWST identificou duas estrelas responsáveis por gerar poeira rica em carbono a meros 5,000 anos-luz de distância em nossa própria galáxia, a Via Láctea. Ele localizou “conchas” esféricas concêntricas formadas pelos ventos solares em colisão das duas estrelas, espalhando carbono recém-formado na galáxia.
Fonte: Telescópio Webb
Cada concha está se afastando das estrelas a mais de 1,600 milhas por segundo (2,600 quilômetros por segundo), quase 1% da velocidade da luz. Neste sistema, o observatório está mostrando que as conchas de poeira estão se expandindo de um ano para o outro.
As imagens de infravermelho médio do telescópio detectaram conchas que persistiram por mais de 130 anos. Conchas mais antigas se dissiparam o suficiente para que agora estejam fracas demais para serem detectadas.”
Jennifer Hoffman, coautora e professora da Universidade de Denver
Objetos ativos na borda do nosso sistema solar
O JWST detecta ejeção de gás do gelado “Centaur 29P/Schwassmann-Wachmann“, um objeto semelhante a um cometa nas proximidades de Netuno.
Eles descobriram um novo jato de monóxido de carbono (CO) e jatos nunca vistos de gás dióxido de carbono (CO2), que fornecem novas pistas sobre a natureza do núcleo do objeto estelar.
Fonte: Telescópio Webb
Imagem de exoplanetas próximos
O JWST capturou uma imagem direta de um exoplaneta a apenas 12 anos-luz de nós, Epsilon Indi Ab. O planeta tem várias vezes a massa de Júpiter, orbitando em torno de uma estrela um tanto semelhante ao nosso Sol.
É um dos exoplanetas mais frios já detectados diretamente, com uma temperatura média estimada de 2°C/35°F (para referência, a temperatura média da Terra é de 15°C (59 °F).
“Planetas frios são muito tênues, e a maior parte de sua emissão está no infravermelho médio.
É um pouco mais quente e mais massivo, mas é mais parecido com Júpiter do que qualquer outro planeta que já foi fotografado até agora.”
Elisabeth Matthews, do Instituto Max Planck de Astronomia, na Alemanha.
Moléculas complexas na formação de planetas
Enquanto isso, o exoplaneta K2-18 b pode ser um exoplaneta Hiceano, que tem o potencial de possuir uma atmosfera rica em hidrogênio e uma superfície coberta por oceanos de água.
Exoplanetas como K2-18 b, que têm tamanhos entre os da Terra e Netuno, são diferentes de tudo em nosso sistema solar. Nossas descobertas ressaltam a importância de considerar diversos ambientes habitáveis na busca por vida em outros lugares.”
O JWST também encontrou vários compostos de carbono e até mesmo dimetilsulfeto na atmosfera do planeta.
Fonte: NASA
JWST encontrado pela primeira vez fora do nosso sistema solar etano (C2H6), bem como etileno (C2H4), propino (C3H4) e o radical metil CH3 em torno de uma estrela jovem.
Também foi feita a primeira detecção de elementos pesados em uma fusão estelar, resultando na segunda explosão de raios gama mais brilhante já detectada, ou uma quilonova. Os cientistas do JWST detectaram telúrio após a explosão.
O buraco negro mais distante (antigo) já detectado
Em conjunto com o Observatório de Raios X Chandra da NASA, o JWST detectou um buraco negro em crescimento apenas 470 milhões de anos após o Big Bang. O JWST encontrou a galáxia, e o Chandra, o próprio buraco negro.
Fonte: NASA
Acreditamos que esta seja a primeira detecção de um "buraco negro descomunal" que se formou diretamente a partir do colapso de uma enorme nuvem de gás.
Pela primeira vez, estamos vendo um breve estágio em que um buraco negro supermassivo pesa quase tanto quanto as estrelas em sua galáxia antes de ficar para trás.”
Priyamvada Natarajan da Universidade de Yale
O futuro do JWST
Após encontrar e analisar exoplanetas, o JWST está indo em busca de exoluas. Sabemos que esses corpos planetários, potencialmente maiores que a Terra em alguns casos, devem existir, mas nunca tivemos um instrumento sensível o suficiente para detectá-los. Exoplanetas gigantes gasosos como Júpiter são os principais candidatos.
O JWST também investigará buracos negros supermassivos e quasares, buracos negros cuspindo de seus polos na velocidade da luz uma quantidade de matéria equivalente a uma estrela. O telescópio se concentrará em espécimes muito antigos desses fenômenos estelares.
Por fim, estudar galáxias, bem como estruturas em larga escala do Universo, muito cedo pode gerar novos insights sobre a natureza da matéria escura e da energia escura que parecem iludir os cientistas há décadas.
Principal contratante privado da JWST
Sistemas Aeroespaciais Northrop Grumman
Northrop Grumman Corporation (NOC -1.88%)
Um projeto como o JWST é quase sempre o resultado de uma colaboração internacional, com, neste caso, a participação da NASA, ESA e da Agência Espacial Canadense.
Também envolveu muitos contratantes do setor privado, sendo o mais proeminente a empresa aeroespacial e de defesa Northrop Grumman.
A Northrop Grumman é mais famosa pela criação de o icônico bombardeiro estratégico stealth B-2, cada um custando quase um bilhão de dólares. Este projeto com mais de 20 anos será substituído pelo B-21, que ainda está em desenvolvimento.
A empresa também está na vanguarda da tecnologia espacial, como ilustrado por seu trabalho no Telescópio Espacial James Webb de última geração. A empresa obtém a maior parte de suas receitas de sistemas espaciais e aeronáuticos.
Fonte: Northrop
Outro grande segmento é a divisão de sistemas de missão, que abrange uma ampla gama de sensores, software de defesa cibernética, comunicação segura e C4ISR (Comando, Controle, Comunicações, Computadores, Inteligência, Vigilância e Reconhecimento).
É também um dos principais produtores de munições, desde pequeno calibre até projéteis guiados e grande calibre.
A Northrop Grumman está ansiosa por sua posição como fornecedora de armas avançadas, com o desenvolvimento e a implantação de sistemas de armas autônomos:
- X-47B, uma aeronave não tripulada, sem cauda, do tamanho de um caça de ataque.
- O drone helicóptero Batedor de Incêndio.
- Drones de vigilância global Hawk e MQ-4C Triton.
- Drones marítimos Arraia e Sistema de caça a minas AQS-24B/C.
- Sistema de aeronave não tripulada (UAS) Bat, sistemas de aeronaves táticas não tripuladas multimissão, persistentes e acessíveis.
Fonte: Northrop
A empresa está na vanguarda do desenvolvimento de armas de energia direta (lasers), guerra eletrônica, sistemas anti-drone e mísseis balísticos intercontinentais.
Do ponto de vista financeiro e de investimento, a Northrop Grumman aumentou seus dividendos em 12% CAGR desde 2014, ao mesmo tempo em que reduziu a contagem de ações em 31%. Isso resultou em US$ 2.6 bilhões em dividendos e recompras de ações em 2023, enquanto a empresa gerou US$ 2.1 bilhões em fluxo de caixa livre.
A Northrop Grumman obtém suas receitas quase exclusivamente do orçamento de defesa dos EUA, com a NASA respondendo por 3% das receitas e as vendas internacionais por 12%.
Fonte: Northrop
Enquanto empresas como a RTX e a Lockheed fornecem a maior parte do impacto da Força Aérea dos EUA (jatos de combate, mísseis, defesa aérea), a Northrop Grumman está a fornecer a capacidade mais avançada, desde o espaço até ao comando integrado e aos bombardeiros pesados furtivos.
E talvez em breve também uma parte significativa dos drones avançados, da guerra electrónica e das armas energéticas.
Com a crescente importância dos drones e da guerra eletrônica, a Northrop provavelmente se tornará cada vez mais central para as capacidades ofensivas e defensivas dos EUA. E seus novos bombardeiros furtivos serão um fator-chave para acompanhar adversários como Rússia e China, com os quais as tensões permanecem muito altas.
