Megaprojetos
JWST – O Telescópio Espacial James Webb
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Olhar Mais Fundo no Universo
Alguns megaprojetos envolvem infraestruturas gigantescas, como, por exemplo, o círculo de 27 quilômetros de diâmetro do acelerador de partículas do CERN ou o experimento 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 o quanto são transformadores para a 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 maior já criado. O telescópio recebe 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 pode nos ajudar a observar as primeiras estrelas que se acenderam no Universo e encontrar exoplanetas potencialmente habitáveis. E, para obter esses resultados, cientistas e engenheiros fizeram maravilhas para empurrar os limites do que telescópios podem 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, lançar maquinaria complexa ao espaço é muito mais difícil do que construir a mesma coisa aqui na Terra.
Ao sair da atmosfera, os telescópios podem observar o Universo sem interferência de poluição luminosa, turbulência atmosférica e, claro, nuvens e padrões climáticos.
Esta é a razão pela qual o relativamente pequeno telescópio Hubble teve um desempenho tão bom comparado aos telescópios baseados no solo. Mas isso foi ainda mais importante para o JWST, já que este telescópio mede não luz visível, mas luz infravermelha.
O vapor d’água na atmosfera da Terra absorve radiação infravermelha. Telescópios infravermelhos baseados no solo tendem a ser colocados em altas montanhas e em climas muito secos para melhorar a visibilidade, mas isso ainda não é ideal e cria um limite inerente ao que podem observar.
O JWST é o mais recente e, de longe, o mais poderoso da linha de telescópios infravermelhos baseados no espaço, seguindo o Satélite Astronômico Infravermelho (IRAS), o Telescópio Espacial Spitzer e o Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE).
O JWST foi lançado em 2021 em um lançador francês Ariane 5, da Guiana Francesa. Um mês depois, chegou ao seu destino, o ponto de Lagrange Sol-Terra L2, a cerca de 1,5 milhão de quilômetros (930.000 milhas) da Terra.
Pontos de Lagrange são posições no espaço que permanecem constantes em relação à Terra, apesar de não estarem em órbita da Terra. Atualmente, outro ponto de Lagrange (L1) é usado pelo DSCOVR: Deep Space Climate Observatory.
Fonte: NOAA
A posição do JWST permite que ele observe quase qualquer ponto do céu ao longo do ano, desde que não esteja na direção da Terra e do Sol; 39% do céu é potencialmente visível ao Webb a qualquer momento.
Por Que Usar Observação Infravermelha?
Objetos Distantes
Para objetos muito distantes no Universo, ocorre um fenômeno chamado “desvio para o vermelho”, que desloca sua luz para o infravermelho. Portanto, qualquer observação da parte muito profunda (e, portanto, muito antiga) do Universo tende a precisar ser feita na faixa infravermelha do espectro luminoso.
Fonte: SciTech Daily
Devido a esse fenômeno, o Hubble só podia ver até certa distância e voltar no tempo até a formação das primeiras galáxias. Ao observar no infravermelho, o JWST pode ver tão longe na história do Universo quanto as primeiras estrelas se formando.
Exoplanetas
Observações infravermelhas têm outra vantagem, no que diz respeito à análise de exoplanetas. O JWST carregará um sistema chamado coronógrafo: este bloqueará a luz proveniente de uma estrela, permitindo que vejamos melhor os objetos menos brilhantes que orbitam, como pequenos exoplanetas.
A imagem de um exoplaneta seria apenas um ponto, não um panorama grandioso.
Fonte: NASA
No entanto, a luz desse 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 apresentam o maior número de recursos espectrais, então obteremos muito mais informações do que ao usar luz visível.
Por meio desse método, poderíamos não apenas determinar se 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
Quanto à sua capacidade de observação, o JWST está focado principalmente na luz infravermelha próxima, mas também pode ver luz visível laranja e vermelha, e a faixa de infravermelho médio, dependendo do instrumento usado.
Ele pode detectar objetos 100 vezes menos brilhantes do que o Hubble poderia. E, em muitos casos, é usado para olhar de volta a objetos que o Hubble revelou inicialmente, a fim de obter novas percepções sobre eles.
No entanto, a nitidez da imagem será comparável à do Hubble devido ao fato de que imagens infravermelhas são inerentemente menos nítidas que a luz visível, por causa dos comprimentos de onda mais longos.
Outra diferença entre os dois telescópios icônicos é que o JWST pode ver através de nuvens de gás, que bloqueiam 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: Webb Telescope
Especificações do JWST
O JWST possui um espelho primário de 6,5 metros (21 pés) revestido de ouro e feito de berílio, composto por 18 espelhos hexagonais separados, conferindo-lhe seu visual icônico.
Cada um desses espelhos pesa 20 kg (44 lb). O revestimento de ouro de 100 nanômetros fornece reflexão de luz infravermelha e é coberto por vidro para torná‑lo suficientemente resistente. Isso lhe dá uma área de coleta de luz 6 vezes maior que a do Hubble. No total, foram usados apenas 48,25 g de ouro (1,7 onças).
Fonte: NASA
Ao contrário do Hubble, o Webb não foi projetado para ser mantido por astronautas, devido à sua grande distância da Terra. Como resultado, todos os componentes críticos são duplos, 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 meta de 10 anos de operação. No entanto, ele possui combustível suficiente (para permanecer no ponto de Lagrange) para um total de 20 anos, podendo durar mais tempo se nenhuma parte crítica falhar.
Orçamento do JWST
No total, o Telescópio Espacial James Webb acabou custando mais de US$ 11 bilhões, mais de 10 vezes a estimativa inicial da NASA para este projeto. Essa explosão de preço ameaçou a viabilidade do projeto na década de 2010, devido ao orçamento que na época explodiu para “apenas” US$ 6,5 bilhões.
Um lançamento inicialmente planejado para 2014, que acabou atrasado 7 anos, acrescentou às críticas.
“A causa raiz fundamental do problema é que, no momento da aprovação formal do programa (que remonta a julho de 2008), o orçamento que a NASA recebeu do escritório do projeto estava basicamente falho”, disse ele a repórteres em uma teleconferência à tarde.
O orçamento simplesmente não continha o conteúdo que o projeto já conhecia na época. E, portanto, do ponto de vista financeiro, era insuficiente para realizar 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 3 % do orçamento anual da NASA. No entanto, consumiu 1/3 do orçamento da Divisão de Astrofísica da NASA entre 2003‑2021.
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 Engenharia Incrível do JWST
Perdendo Algum Peso
O primeiro problema a ser resolvido pelos projetistas do JWST era que um espelho tão grande seria muito pesado. Se eles tivessem reutilizado o design do Hubble, ele teria sido pesado demais para ser lançado ao espaço.
Por isso, optou‑se por usar berílio, que é ao mesmo tempo forte e leve. Outro fator foi a temperatura extrema do espaço profundo, que poderia deformar a curvatura extremamente precisa dos espelhos.
O berílio foi uma boa opção aqui também, porque deixa de mudar de forma quando está muito frio. Assim, os espelhos foram fabricados com um ângulo “incorreto”, que se dobraria exatamente para a forma final desejada quando expostos ao frio do espaço (‑233°C/‑388°F).
Fonte: JWST
Cada espelho seria, ao final, alinhado com uma precisão equivalente 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 grande problema era que o tamanho extremo do espelho exigido por esse design não caberia em nenhum foguete disponível.
Então, decidiu‑se desde o início que a estrutura seria desdobrada componente por componente, incluindo o escudo solar e os espelhos. Como dobrar tudo de forma eficiente e garantir que se desdobrasse de maneira confiável ainda era uma preocupação.
Cientistas da NASA se inspiraram no origami, a arte japonesa de dobrar papel, optando por um padrão de origami hexagonal.
Essa foi uma decisão de alto risco para a equipe de design do James Webb, pois um desdobramento tão complexo nunca havia sido feito antes. Qualquer falha teria condenado todo o projeto.
Você pode ver como o desdobramento funcionou passo a passo neste curto vídeo do JWST:
Escudo Solar
Como o telescópio observa seus alvos no infravermelho, protegê‑lo do calor do Sol era tão essencial quanto ter espelhos leves o suficiente e devidamente desdobrados.
O escudo solar do JWST mantém a diferença entre o lado quente e o lado frio do telescópio em quase 315 °C/600 °F, graças a um isolamento de 5 camadas.
O escudo solar tem o tamanho de uma quadra de tênis e é feito de camadas de Kapton E (filme de poliamida) 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 através da Rede de Espaço Profundo da NASA. Isso passa por estações terrestres localizadas em Canberra, Madrid e Goldstone.
O Webb pode baixar pelo menos 57,2 gigabytes de dados científicos gravados por dia, com uma taxa máxima de 28 megabits por segundo.
Fonte: Webb Telescope
Outros Componentes
O restante do telescópio não era menos avançado e de alto desempenho. Menções honrosas podem ser dadas a alguns equipamentos:
- Criocooler: os sensores de infravermelho médio (MIRI) do JWST (MIRI) precisam operar a -266,15 °C/-447 °F, mais frio que até mesmo as profundezas do espaço. Portanto, foi necessário adicionar um sistema de refrigeração extra para resfriar o instrumento.
- Backplane: A espinha dorsal do telescópio pesa 2,4 toneladas (5.300 lb) e fornece a posição absolutamente imóvel necessária para que o telescópio tire imagens nítidas. Foi projetada para ser estável até 32 nanômetros, que é 1/10 000 do diâmetro de um fio de cabelo humano.
- Micro‑shutters: essa grade de 248.000 pequenas portas pode ser aberta e fechada individualmente para transmitir ou bloquear luz. Isso permite que o JWST observe simultaneamente centenas de objetos individuais em um campo de estrelas ou galáxias. Como resultado, o JWST pode realizar muito mais observações no mesmo intervalo de tempo.
Conquistas do JWST
Em operação há apenas alguns anos, o JWST já mudou completamente a forma como os astrônomos entendem o Universo. Portanto, embora seja quase impossível listar tudo o que já fez, algumas histórias merecem destaque.
Dispersão de Carbono Recém-Formado
O JWST identificou duas estrelas responsáveis por gerar poeira rica em carbono a apenas 5.000 anos‑luz de distância em nossa própria galáxia Via Láctea. Ele detectou “conchas” esféricas concêntricas formadas pelos ventos solares colididos das duas estrelas, espalhando carbono recém‑formado pela galáxia.
Fonte: Webb Telescope
“Cada concha está se afastando das estrelas a mais de 1.600 milhas por segundo (2.600 km/s), 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 muito fracas para serem detectadas.”
Jennifer Hoffman, co‑autora e professora da Universidade de Denver
Objetos Ativos na Borda do Nosso Sistema Solar
O JWST detecta ejeção de gás de “Centauro 29P/Schwassmann‑Wachmann”, um objeto semelhante a cometa nas proximidades de Netuno.
Descobriram um novo jato de monóxido de carbono (CO) e jatos previamente invisíveis de dióxido de carbono (CO₂), que dão novas pistas sobre a natureza do núcleo do objeto estelar.
Fonte: Webb Telescope
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 uma estrela um tanto semelhante ao nosso Sol.
É um dos exoplanetas mais frios já detectados diretamente, com temperatura média estimada de 2 °C/35 °F (para referência, a temperatura média da Terra é 15 °C/59 °F).
“Planetas frios são muito tênues, e a maior parte de sua emissão está no infravermelho médio.
Ele é um pouco mais quente e mais massivo, mas é mais semelhante a Júpiter do que qualquer outro planeta que já tenha sido fotografado até agora.”
Elisabeth Matthews, do Instituto Max Planck de Astronomia na Alemanha.
Moléculas Complexas em Planetas em Formação
Enquanto isso, o exoplaneta K2‑18 b poderia ser um exoplaneta Hycean, que tem potencial para possuir uma atmosfera rica em hidrogênio e uma superfície coberta por um oceano de água.
“Exoplanetas como K2‑18 b, que têm tamanhos entre os da Terra e de Netuno, são diferentes de tudo em nosso sistema solar. Nossas descobertas ressaltam a importância de considerar ambientes habitáveis diversos na busca por vida em outros lugares.”
Nikku Madhusudhan, astrônomo da Universidade de Cambridge
O JWST também encontrou vários compostos de carbono, e até dimetil‑sulfeto na atmosfera do planeta.
Fonte: NASA
O JWST encontrou pela primeira vez fora do nosso sistema solar <u etanol (C2H6), bem como etileno (C2H4), propino (C3H4) e o radical metil CH3 ao redor de uma estrela jovem.
Ele também fez a primeira detecção de elementos pesados de uma fusão de estrelas, resultando no segundo estouro de raios‑gama mais brilhante já detectado, ou um kilonova. Os cientistas do JWST detectaram telúrio nos destroços da explosão.
Buraco Negro Mais Distante (Antigo) Já Detectado
Em combinação 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 Oversized’ que se formou diretamente a partir do colapso de uma enorme nuvem de gás.
Pela primeira vez, estamos vendo uma fase breve onde um buraco negro supermassivo pesa aproximadamente tanto quanto as estrelas de sua galáxia antes de cair atrás.”
Priyamvada Natarajan, Universidade de Yale
Futuro do JWST
Depois de encontrar e analisar exoplanetas, o JWST está indo à caça de exomoons. 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 candidatos principais.
O JWST também investigará buracos negros supermassivos e quasares, buracos negros que expelem matéria de seus polos à velocidade da luz em quantidades estelares. O telescópio se concentrará em espécimes muito antigos desses fenômenos estelares.
Por fim, estudar galáxias bem como estruturas em grande escala do Universo muito cedo pode gerar novas percepções sobre a natureza da matéria escura e da energia escura, que parecem escapar dos cientistas há décadas.
Principal Contratante Privado do JWST
Northrop Grumman Aerospace Systems
NOC Gráfico de preços
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.
Ele também envolveu muitos contratantes do setor privado, sendo o mais proeminente a empresa aeroespacial e de defesa Northrop Grumman (NOC ).
A Northrop Grumman é mais famosa pela criação do icônico bombardeiro estratégico furtivo B‑2, cada um custando quase um bilhão de dólares. Esse design com mais de 20 anos de idade 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 avançadíssimo Telescópio Espacial James Webb. 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 cobre uma ampla gama de sensores, software de ciberdefesa, comunicação segura e C4ISR (Comando, Controle, Comunicações, Computadores, Inteligência, Vigilância e Reconhecimento).
Ela também é uma produtora líder de munições, desde calibre pequeno até projéteis guiados e de grande calibre.
A Northrop Grumman está ansiosa por sua posição como fornecedora de armas avançadas, com o desenvolvimento e implantação de sistemas de armas autônomas:
- X‑47B, uma aeronave não tripulada do tamanho de um caça de ataque, sem cauda.
- O drone‑helicóptero Fire Scout.
- Drones de vigilância Global Hawk e MQ‑4C Triton.
- Drones marítimos Manta Ray e AQS‑24B/C Sistema de Busca de Minas.
- Bat Unmanned Aircraft System (UAS), sistemas aéreos não tripulados de missão múltipla, persistentes e acessíveis.
Fonte: Northrop
A empresa está na fronteira do desenvolvimento de armas de energia direta (lasers), guerra eletrônica, sistemas anti‑drone e mísseis balísticos intercontinentais.
Do ponto de vista de investimento e financeiro, a Northrop Grumman aumentou seu dividendo em 12 % CAGR desde 2014, ao mesmo tempo em que reduziu o número de ações em 31 %. Isso resultou em US$ 2,6 bilhões em dividendos e recompra de ações em 2023, enquanto a empresa gerou US$ 2,1 bilhões em fluxo de caixa livre.
A Northrop Grumman obtém quase exclusivamente suas receitas do orçamento de defesa dos EUA, com a NASA representando 3 % das receitas e vendas internacionais 12 %.
Fonte: Northrop
Enquanto empresas como RTX e Lockheed fornecem a maior parte do “punch” da Força Aérea dos EUA (caças, mísseis, defesa aérea), a Northrop Grumman fornece a capacidade mais avançada, desde o espaço até o comando integrado e bombardeiros furtivos pesados.
E talvez em breve uma parte significativa dos drones avançados, guerra eletrônica e armas de energia também.
Com a crescente importância de drones e guerra eletrônica, a Northrop provavelmente será cada vez mais central para as capacidades ofensivas e defensivas dos EUA. E seus novos bombardeiros furtivos serão um fator chave para acompanhar adversários de igual potencial como Rússia e China, com quem as tensões permanecem muito altas.
