O telescópio espacial James Webb atingiu a sua posição operacional no ponto L2 do Sistema Sol – Terra no dia 24 de Janeiro de 2022.
Accionando os seus motores de bordo às 1900UTC durante 297 segundos, o telescópio espacial completou a última correcção de trajectória para atingir o ponto L2. Esta manobra adicionou apenas 1,6 m/s à sua velocidade, mas era tudo o que necessitava para se colocar naquela órbita especial para iniciar o seu estudo do Universo.
O Telescópio Espacial James Webb é o maior e mais poderoso telescópio espacial já construído.
Esta poderosa ferramenta irá ajudar a desvendar os segredos do Universo, transformando a forma como pensamos sobre o céu nocturno e o nosso lugar no cosmos. O telescópio vai-nos permite olhar para trás para ver um período da história cósmica nunca observado. Irá observar o passado porque os telescópios mostram-nos como as coisas eram – não como estão agora, podendo também explorar distantes galáxias, mais distantes do que qualquer outra que vimos antes.
O novo telescópio espacial irá estudar cada fase da História Cósmica. O telescópio James Webb é o sucessor dos icónicos telescópios espaciais Hubble e Spitzer, construído para complementar e ampliar as descobertas do Hubble, Spitzer e outras missões da NASA acedendo ao infravermelho próximo e comprimentos de onda do infravermelho médio com resolução sem precedentes. A sua tecnologia revolucionária permitirá aos cientistas explorar todas as fases da história cósmica – de dentro do nosso sistema solar até às mais distantes galáxias observáveis no Universo primordial e tudo o que está entre elas. O James Webb irá revelar novas e inesperadas descobertas e ajudar a humanidade a compreender as origens do Universo, bem como o nosso lugar nele.
Os objetivos científicos do Telescópio Espacial James Webb requerem que o observatório seja muito grande – tão grande que, quando no seu tamanho operacional, não cabe no interior da carenagem do seu foguetão lançador.
Um dos principais componentes do telescópio é o seu escudo solar, uma estrutura em forma de diamante de cerca da área de um campo de ténis. Assim, o novo telescópio tem de ser cuidadosamente dobrado e embalado para caber dentro do seu lançador Ariane-5ECA. No espaço, o escudo solar se expandirá, irá tensionar-se e se separará nas suas cinco camadas distintas.
Com mais de 6,5 metros de diâmetro e cerca de 25 m2 de área, o espelho principal do telescópio James Webb é também muito largo para caber na carenagem do seu lançador numa só peça, por isso é segmentado em 18 peças hexagonais numa estrutura articulada para se poder dobrar para o lançamento e desdobrar-se no espaço. Será o maior espelho de todos os tempos no espaço.
Para conseguir os inimagináveis resultados esperados, o telescópio James Webb irá antes disso realizar uma viagem de milhões de quilómetros para atingir o seu destino num ponto muito especial entre a Terra e o Sol.
Esta órbita especial permite que um lado do escudo solar do James Webb fique sempre voltado para o Sol, a Terra e a Lua, bloqueando o seu calor e luz, e impedindo de alcançar o sistema óptico muito sensível ao calor. A jornada de um mês do James Webb leva-o ao segundo ponto de Lagrange (L2), uma das cinco posições no espaço onde a atracção gravitacional do Sol e da Terra equilibra a força centrípeta necessária para que um veículo espacial se mova com eles. Isto torna os pontos de Lagrange particularmente úteis para reduzir o combustível necessário para um veículo permanecer nessa posição. A localização também permite comunicações com o James Webb através da Deep Space Network, que é um conjunto internacional de antenas gigantes geridas pelo Laboratório de Propulsão a Jacto da NASA (JPL).
Para conseguir atingir os seus resultados, o James Webb estará equipado com novos instrumentos científicos. Os instrumentos científicos de última geração são projetados para produzir imagens únicas e obter dados inspiradores. Os instrumentos têm basicamente duas funções: 1) obtenção de imagens, ou obtenção de imagens de dados científicos; e 2) espectroscopia, ou separar a luz em comprimentos de onda distintos – tal como as gotas de chuva criam um arco-íris – para determinar as propriedades físicas e químicas das várias formas da matéria cósmica.
Várias novas tecnologias foram desenvolvidas durante a construção do telescópio James Webb, incluindo spinoffs inovadores que já melhoraram a vida na Terra.
Ao projetar o James Webb, os engenheiros tiveram que imaginar um telescópio diferente de qualquer um que já foi construído antes. Avanços tecnológicos e até mesmo novas invenções, foram necessários para tornar a missão viável: espelhos implantáveis leves e inovadores, e estruturas compostas avançadas que se alinham aos milionésimos de milímetros, além de trabalhar em temperaturas extremamente baixas. Detectores de luz infravermelha grandes e ultrassensíveis. Um dispositivo “micro-obturador” com milhares de minúsculas janelas, cada uma com a largura de um cabelo humano e programável para ser aberto ou fechado, para permitir medições espectroscópicas de centenas de objetos individuais de forma simultânea. Um resfriador criogénico que arrefece os detectores de infravermelho médio para a temperatura necessária de apenas poucos graus acima do zero absoluto.
Alguns desenvolvimentos feitos para o telescópio James Webb tiveram inesperados benefícios, auxiliando, por exemplo, na cirurgia ocular LASIK: com os engenheiros a desenvolver uma técnica para medir com precisão e rapidez os espelhos para guiar o seu polimento. Desde então, essa tecnologia foi adaptada para criar mapas de alta definição dos olhos dos pacientes para precisão cirúrgica.
O Telescópio Espacial James Webb irá obter o seu primeiro conjunto de observações científicas após a conclusão do seu processo de comissionamento, aproximadamente seis meses após o lançamento. As primeiras semanas de comissionamento incluem o processo de desdobramento do telescópio, que ocorre na sua jornada de um mês de milhões de quilómetros até à sua órbita operacional. Então, o observatório irá gradualmente arrefecer até às suas temperaturas de operação criogénicas antes que possamos operar com segurança os instrumentos científicos (cerca de 40 K), e a equipa de comissionamento alinha todos os seus espelhos e calibra os seus instrumentos científicos. Para que os segmentos de espelho primário do telescópio James Webb actuem como uma única óptica, cada um dos 18 segmentos devem ser alinhados dentro de uma fração de um comprimento de onda de luz infravermelha próxima, ou seja, meros nanómetros, ou cerca de 1 / 10.000 da espessura de um cabelo humano!
O Telescópio Espacial James Webb representa um salto em frente na nossa demanda para compreender o Universo e as nossas origens. Como é que o Universo começou? Estamos sós no Cosmos? O James Webb irá ajudar-nos a responder a questões cientificamente significativas acerca do Universo inicial, acerca de formação e evolução das galáxias, o nascimento das estrela e de sistema protoplanetários, e as propriedades dos planetas no interior e no exterior do Sistema Solar. O James Webb é o primeiro observatório capaz de observar as galáxias muito jovens e talvez algumas das primeiras estrelas que explodiram.
O James Webb irá detectar a luz fora do limite visível para nos mostrar regiões que de outra forma estariam escondidas nos comprimentos de onda do infravermelho próximo e do infravermelho médio. Com os seus comprimentos de onda mais longos, a radiação infravermelha pode penetrar nas densas nuvens moleculares, cuja poeira bloqueia a maior parte da luz detectável pelos instrumentos do telescópio espacial Hubble.
Porquê o infravermelho?
O James Webb irá estudar a luz infravermelha proveniente dos objectos celestes com muito maior claridade e sensibilidade do que foi conseguido até agora. Ao contrário dos comprimentos de onda curtos da luz visível, os comprimentos de onda mais longos da luz infravermelha passam através das poeiras com maior facilidade. Assim, o universo da formação estelar e planetária que está «escondido» por detrás das nuvens de poeira torna-se claro para os instrumentos infravermelhos do James Webb
O estudo da luz infravermelha também nos ajuda a olhar para trás para o princípio de tudo. Através de um processo denominado ‘desvio para o vermelho cosmológico’, a luz é «esticada» à medida que o Universo se expande, logo a luz das estrelas que é emita nos comprimentos de onda mais custos, como o ultravioleta e a luz visível, é «esticada» para os comprimentos de onda mais longos da luz infravermelha. O James Webb é uma combinação melhorada dos telescópios espaciais Hubble e Spitzer – a sensibilidade e resolução do Hubble, mas com a vista do Universo em infravermelho do Spitzer.
Porquê espectroscopia?
A espectroscopia é uma poderosa ferramenta para aprendermos sobre os objectos mais distantes no Universo. Um espectro, tal como uma imagem, é uma forma de mostrar a luz de um objecto distante. Os espectros podem revelar quais elementos e moléculas fazem parte de determinado objecto. Os espectrógrafos do James Webb alongam a luz para que seja analisada em detalhe para determinar diferentes características, tais como temperatura, composição, densidade, distância e movimento de diferentes partículas. Diferentes moléculas, bem como os átomos de cada elementos, emitem e absorvem frequências de luz características, e estas características permitem a identificação da presença de um determinado elementos, mesmo em pequenas quantidades. Os espectros permitem-nos ler esta luz. O James Webb está equipado com onze modos de espectroscopia, cada um dos quais combina o uso de diferentes filtros e detectores para responder a questões cientificas específicas. O microobturador do conjunto NIRSpec fornece ao James Webb a capacidade de capturas espectros de dezenas de estrelas e galáxias diferentes ao mesmo tempo.
A história do telescópio espacial James Webb
Em 1989, o Space Telescope Science Institute (STScI) em Baltimore – Maryland, e a NASA coorganizaram o Next Generation Space Telescope Workshop no STScI, onde engenheiros e astrónomos debateram a ciência e as capacidades técnicas de um observatório para suceder o Telescópio Espacial Hubble. Os debates e ideias daquele workshop onde se debateram vários conceitos (imagem ao lado), levou à recomendação formal em 1996 de que o novo telescópio espacial deveria operar em comprimentos de onda infravermelhos e estar equipado com espelho com mais de 4 metros.
Em 2002 a NASA seleccionava as equipas para construir os instrumentos e o grupo de astrónomos que iriam fornecer as orientações para a construção do novo telescópio espacial. A construção do James Webb começou em 2004.
Em 2005, o Centro Espacial Guyanais (CSG) da Agência Espacial Europeia, Guiana Francesa, foi escolhido como local de lançamento e o foguetão Ariane-5ECA como o veículo de lançamento. Em 2011, todos os 18 segmentos de espelho eram finalizados e testados para atender aos requisitos e especificações.
Entre 2012 e 2013, as peças individuais do telescópio, construídas numa variedade de locais, começaram a chegar ao Centro de Voo Espacial Goddard da NASA, Greenbelt – Maryland. Em 2013 começava a construção das diferentes camadas do escudo solar. Entre 2013 e 2016, os instrumentos científicos do telescópio James Webb foram embalados juntos e submetidos a numerosos testes de temperatura e vibração extremas.
Do final de 2015 ao início de 2016, a óptica do telescópio e as suas estruturas foram montadas, procedendo-se à instalação de todos os 18 espelhos individuais na estrutura no telescópio para montar o espelho de 6,5 metros.
Em 2017 a secção do telescópio e o conjunto de instrumentos científicos foram integrados numa só unidade e submetidos a testes de vibração de integridade mecânica no Centro de Voo Espacial Goddard, sendo posteriormente então enviado para o Centro Espacial Johnson da NASA, Houston – Texas, para testes de desempenho óptico numa câmara de vácuo gigante com temperatura criogénica.
Em 2018, e após a verificação do desempenho do telescópio e do seu conjunto de instrumentos, o James Webb foi entregue à Northrop Grumman em Redondo Beach, Califórnia, onde a secção de controlo e o conjunto do escudo solar foram construídos e testados, e no ano seguinte, essas duas metades do telescópio foram conectadas.
Os testes ambientais, elétricos, funcionais e de comunicação finais continuaram até que James Webb foi colocado na sua posição de lançamento e armazenado pela última vez em 2021.
Cooperação internacional
O Telescópio Espacial James Webb é o resultado de uma colaboração internacional entre a NASA, a Agência Espacial Europeia (ESA) e a Agência Espacial do Canadá (CSA).
A NASA é responsável pela missão do James Webb, supervisionando o programa para a Diretoria da Missão Cientifica. O Centro de Voo Espacial Goddard gere todo o projeto do James Webb, liderando a sua componente de engenharia e também produziu componentes para o Integrated Science Instrument Module (ISIM). O Laboratório de Propulsão a Jacto geriu a produção do Mid-Infrared Instrument (MIRI), incluindo o seus sistema de arrefecimento criogénico. O Centro de Investigação Ames da NASA desenvolveu a tecnologia dos detectores para a missão, enquanto o Centro de Voo Espacial da NASA desenvolveu a tecnologia do espelho do telescópio e forneceu pesquisas ambientais. O Centro de Voo Espacial Johnson da NASA forneceu as instalações de teste para o observatório. Por último, o Centro de Investigação Glenn da NASA esteve envolvido no desenvolvimento da componente criogénica.
A ESA forneceu o instrumento Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec), bem como cerca de metade do instrumento MIRI através de financiamento especial dos Estados-Membros da ESA. Além disso, a ESA forneceu o lançador e todos os serviços de lançamento em Kourou, Guiana Francesa. Em troca, os cientistas da ESA têm uma participação mínima de 15% do tempo total de observação no telescópio James Webb. Os cientistas da ESA irão apoiar as operações de missão no Space Telescope Science Institute, e cientistas europeus também estão representados em todos os órgãos consultivos do projecto.
A CSA contribui com o Fine Guidance Sensor (FGS) e o Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS). Em troca, os cientistas canadianos recebem a garantia de 450 horas de tempo de observação nos primeiros anos de missão. Cerca de 5% do programa de Observações Gerais também está reservado para o Canadá. Os cientistas da CSA apoiarão as operações de missão no Space Telescope Science Institute e estão também representada em todos os órgãos consultivos do projecto.
Uma lista dos contribuidores globais para o projecto do Telescópio Espacial James Webb pode ser encontrada aqui e aqui.
A fase de comissionamento
Após o seu lançamento, o telescópio James Webb irá passar por uma fase de comissionamento de seis meses durante a qual irá colocar em posição os seus painéis e escudo solar, irá arrefecer até às temperaturas operacionais, alinhar os seus espelhos e calibrar os seus instrumentos.
A sequência de preparação do James Webb é uma série de movimentos intrincadamente coreografada e exaustivamente testada.
Após uma segunda manobra de correção de trajectória que é realizada cerca de 2,5 dias após o lançamento, é iniciada a primeira semana de preparação do telescópio com a abertura dos dois paletes de protecção solar, que são estruturas de suporte para o escudo solar. Depois, estende-se o conjunto Deployable Tower Assembly do observatório, que separa as metades superior e inferior do James Webb. Isto é necessário para fornecer espaço para permitir que o resto do escudo solar se estenda. O resto da semana é dedicado a terminar a implantação do escudo solar – estendendo as suas lanças telescópicas e procedendo ao desdobramento e tensionamento de cada uma das cinco camadas de proteção solar do James Webb. A segunda semana de preparação concentra-se no telescópio. O tripé que segura o espelho secundário desdobra-se e estende o espelho secundário à frente do espelho primário, sendo seguido pelo desdobramento do segmento das asas do espelho
nas laterais do espelho primário, revelando todos os 18 segmentos de espelho.
O processo de arrefecimento do telescópio desenrola-se durante o próprio processo de preparação: após a implantação do escudo solar, os espelhos e os instrumentos começam a arrefecer rapidamente na sombra do escudo solar. Depois de atingir sua órbita no ponto L2, o observatório leva cerca de uma semana para arrefecer até um ponto onde o instrumento NIRCam possa começar a operar para oferecer suporte no alinhamento do telescópio. Cerca de três semanas adicionais são necessárias para que a parte sombreada do observatório atinja as suas temperaturas operacionais extremamente frias de cerca de 40 K.
Devido ao facto de o instrumento MIRI usar um sistema de arrefecimento criogénico para atingir as suas temperaturas operacionais significativamente mais baixas de 7 K, demora muito mais tempo para atingir o seu arrefecimento total – cerca de 100 dias após o lançamento.
Uma vez suficientemente arrefecido, o instrumento NIRCam é agora capaz de ajudar a determinar que a luz segue correctamente a sua trajectória através dos espelhos e instrumentos. Segue-se então o processo de ajustar cada um dos segmentos individuais do espelho primário.
Através de um processo denominado ‘controlo e detecção de frente de onda’, o NIRCam mede qualquer imperfeição no alinhamento dos segmentos do espelho que possa impedir o seu funcionamento como um único espelho. Os segmentos do espelho são alinhados até uma fracção de um comprimento de onda na luz infravermelha, ou em meros nanómetros.
O alinhamento dos espelhos primário e secundário do telescópio é finalizado cerca de quatro meses após o lançamento.
Nos meses finais de comissionamento, o telescópio irá ser direccionado para uma variedade de alvos representativa dos objectos que irá observar para assim testar, caracterizar e iniciar a calibração de todas as capacidades dos seus instrumentos. São assim recolhidos dados utilizando cada modo de observação de cada instrumentos, sendo esses dados passados por filtros para garantir a sua exactidão e precisão. Outros programas de calibração serão realizados durante o primeiro ano de observação cientifica para assim compreender os limites e sensibilidade dos vários modos e capacidades.
As operações cientificas começam após cerca de seis meses de comissionamento, quando todos os espelhos foram alinhados e todos os instrumentos foram calibrados.
O telescópio
Sendo o maior e o mais complexo telescópio de ciência espacial alguma vez enviado para o espaço, o Telescópio Espacial James Webb é uma maravilha tecnológica.
O observatório é composto por três secções principais: o sistema óptico e o instrumentos científicos, o escudo solar e a base sobre a qual foi construído. O James Webb é um telescópio de infravermelhos que apresentou dois desafios principais para os engenheiros e cientistas: o espelho necessita de ser muito grande para recolher luz suficiente, e tem de ser mantido suficientemente frio para impedir que fontes de infravermelhos indesejadas interfiram com a luz que está a ser observada. O escudo solar divide o telescópio em dois lados: um lado quente virado para o Sol e para a Terra, e onde se encontra a base do telescópio; e um lado frio virado para o espaço profundo, afastado do Sol e da Terra.
Para permitir o processo de arrefecimento, e ao contrário do Telescópio Espacial Hubble e os típicos telescópios amadores, o James Webb utiliza um «desenho aberto». Ao colocar o telescópio e o conjunto de instrumentos atrás de um grande escudo solar exposto a um grande campo de visão para o espaço, em vez de se encontrar no interior de um longo tubo, permite ao telescópio facilmente radiar o seu calor e ficar extremamente frio de forma passiva.
Desde a sua construção aos seus testes e integração, os engenheiros e cientistas desenvolveram muitas tecnologias inovadoras e únicas para garantir que o James Webb opere sem problemas uma vez no espaço.
Os espelhos
O sistema de três espelhos
O espelho principal do James Webb é uma das características mais distintas do observatório. O espelho concavo de 6,5 metros é composto por 18 segmentos de espelhos hexagonais com um diâmetro de 1,32 metros.
A sensibilidade de um telescópio, ou a quantidade de detalhes de pode «ver», está directamente relacionada com o tamanho da área do espelho que recolhe a luz dos objectos que estão a ser observados. Uma maior área de superfície recolhe mais luz, tal como um balde maior recolhe mais água do que um balde mais pequeno. Um espelho deste tamanho nunca foi lançado para o espaço. De facto, o espelho principal do James Webb é tão grande que não é capaz de caber no interior de qualquer foguetão lançador na sua forma completamente aberta. Seis segmentos de espelhos (três em cada lado) estão armazenados no lançamento e são colocados em posição quando o telescópio está no espaço.
A forma hexagonal do espelho primário do James Webb permite a formação de um espelho sensivelmente circular e segmentado, sem espaços significativos entre os segmentos que o compõem. O espelho primário é segmentado para diminuir o peso do espelho em geral, dado que um único grande espelho seria proibitivamente massivo e iria requerer uma grande estrutura de suporte. Cada segmento do espelho do James Webb foi tornado amovível para que possam co-alinhar como um único grande sistema óptico. Uma forma quase circular também ajuda a focar a luz na zona mais compacta dos detectores.
O espelho secundário do James Webb é um espelho convexo mais pequeno com um diâmetro de 0,74 metros. É suportado por três «braços» que se estendem desde o espelho primário. Estas estruturas encontram-se armazenadas no lançamento e serão colocadas em posição durante o processo de comissionamento do observatório.
Os espelhos terciários e de afinação precisa estão localizados no interior do cone negro projetando-se do centro do espelho primário do telescópio, e é designado Aft Optics Subsystem (AOS). A luz que é capturada pelo espelho principal é direccionada para o espelho secundário que por sua vez a conduz para para o espelho terciário e, finalmente, para o espelho de afinação precisa antes de atingir o foco no conjunto de instrumentos científicos atrás do espelho principal.
Os espelhos do James Webb são fabricados em berílio e cobertos uma camada microscópica de ouro que os optimiza para reflexão da luz infravermelha. A espessura média da camada de ouro é de somente 1.000 angstroms (100 nanometros) – cerca de apenas 700 átomos e acerca de mil vezes mais fina do que um cabelo humano. O berílio foi escolhido como material primário para os espelhos do James Webb por é leve, mas forte em relação ao seu peso, sendo óptimo para manter a sua forma ao longo do leque de temperaturas criogénicas. estas características são ideais para o James Webb, pois o espelho principal tem de ser muito grande e extremamente frio para cumprir os seus objectivos científicos no espaço.
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Desafios de engenharia A equipa de desenvolveu o Telescópio Espacial James Webb, teve de encontrar novas formas de construir o espelho de forma que fosse suficientemente leve – somente um décimo da massa do espelho do Telescópio Espacial Hubble por unidade de área – no entanto suficientemente resistente. Cada um dos segmentos do espelho pesa cerce de 20 kg. O espelho do James Webb tem de ser arrefecido a temperaturas criogénicas – menos de 50 K (menos de -233ºC). Usualmente, os materiais encolhem à medida que arrefecem, e como os espelhos e os instrumentos do James Webb são construídos à temperatura ambiente mas irão operar a temperaturas extremamente baixas, os engenheiros tiveram de construir o telescópio de forma “precisamente errada” para garantir que os seus componentes iriam encolher para a forma e dimensões correctas uma vez no espaço. Centro e trinta e dois actuadores, ou pequenos motores mecânicos, fornecem a resposta para garantir um único e perfeito ponto focal ao permitir que os segmentos do espelho sejam alinhados como se fosse um único espelho perfeito. |
O escudo solar (um feito de engenharia de cinco camadas)
O escudo solar do James Webb é aproximadamente do tamanho de um campo de ténis e foi cuidadosamente construído em cinco camadas. A camada exterior tem apenas uma espessura de 0,05 milímetros, enquanto cada uma das restantes camadas tem uma espessura de 0,025 milímetros. Todas as camadas têm tamanhos e formas ligeiramente diferentes, com a camada mais exterior a ser relativamente mais plana e a maior, e camada mais interior a ser mais curva e mais pequena. As camadas estão mais juntas no centro e mais afastadas nos bordos.
O número específico de camadas irá permitir que o calor seja suficientemente bloqueado e redireccionado pelo escudo solar para que o telescópio possa atingir as suas temperaturas operacionais extremamente baixas, com alguma margem de segurança. As leves, mas resistentes camadas estão separadas para reduzir a transferência de calor de uma camada para outra, o que significa que cada camada sucessiva seja mais fria do que a que se encontra por debaixo. Juntas, as cinco camadas reduzem a exposição do Sol por um factor de um milhão, de mais de 200 kilowatts para uma fracção de um watt.
O escudo solar irá actuar como uma divisória entre o “lado quente” e o “lado frio” do observatório. O “lado quente” refere-se às partes do observatório que estarão voltadas para o Sol. A camada do escudo solar que está voltada para o Sol irá atingir temperaturas de cerca de 383 K. Entretanto, o “lado frio” com os espelhos e os instrumentos científicos tem de ser mantido a temperaturas criogénicas para assim detectar os fracos sinais de calor no Universo. A camada do escudo solar mais próxima das ópticas do telescópio irá atingir temperaturas de 36 K. A órbita do James Webb no ponto L2 do Sistema Terra-Sol, permite que o observatório mantenha as suas ópticas e instrumentos na sombra das emissões de calor e luz a partir do Sol, da Terra e da Lua, que iriam interferir com as sensíveis observações infravermelhas.
A plataforma de satélite que é utilizada no Telescópio Espacial James Webb fornece as funções de suporte para as operações do observatório e é composta por seis subsistemas: fornecimento de energia eléctrica, controlo de atitude, comunicações, comando e processamento de dados, controlo térmico e propulsão.
O subsistema de fornecimento de energia converte a luz solar nos painéis solares em energia eléctrica necessária para operar tudo no observatório e distribui a energia a todos os subsistemas.
O subsistema de controlo de atitude detecta a orientação do observatório, mantém o observatório numa órbita estável, e proporciona a orientação do observatório para a área do céu que os instrumentos irão observar.
O subsistema de comunicações representa os “ouvidos e boca” para o observatório. O sistema recebe os comandos de e transmite os dados para o Space Telescope Science Institute’s Mission Operations Center.
O subsistema de comando e processamento de dados é o “cérebro” do veículo. O sistema tem um computador – o Command Telemetry Processor (CTP) – que recebe os comandos do subsistema de comunicações e os redirecciona para o receptor apropriado. O subsistema possuí também um dispositivo de memória / armazenamento de dados para o observatório, o Solid-State Recorder (SSR). O CTP controla as interacções entre os instrumentos científicos, o SSR e o subsistema de comunicações.
O subsistema de controlo térmico mantém a temperatura operacional do veículo, ajudando a garantir que o observatório se encontra na temperatura apropriada de operação em todo o tempo.
O subsistema de propulsão contém o combustível e os motores que, quando direccionado pelo subsistema de controlo de atitude, são accionados para manter a órbita e ajuda a gerir o momento. Mais sobre como o James Webb faz a gestão do momento aqui.
Orientando o telescópio James Webb
Para movimentar e apontar para diferentes objectos no espaço, o telescópio James Webb utiliza seis rodas de reacção que armazenam e trocam momento angular para rodar o observatório. As rodas de reacção trabalham em combinação com três sensores estelares e seis giroscópios que fornecem o feedback para onde o telescópio está a apontar e qual a velocidade com que se está a mover. Isto permite um direccionamento «bruto» (em minutos de arco) que é suficiente para apontar o telescópio para a parte correcta do céu e suficiente para que o instrumento Fine Guidance Sensor (FGS) «tome conta da operação» e consiga uma orientação “fina” (segundos de arco) necessária para as observações. O Fine Steering Mirror (FSM) será utilizado para compensar qualquer vibração mínima abordo do observatório e estabilizar o raio de luz que é proveniente do telescópio em direcção aos instrumentos científicos para conseguir uma precisão de milionésimos de segundo de arco. O FSM será também utilizado para realizar redirecções angulares muito pequenas, tais como observar o mesmo objecto por instrumentos diferentes sem ter de mover todo o observatório. Mais sobre os giroscópios do James Webb aqui.
Instrumentos e capacidades
O podes científico sem precedentes do Telescópio Espacial James Webb é uma função do tamanho do seu espelho primário e da extrema sensibilidade e precisão dos seus quatro instrumentos científicos. Os instrumentos do James Webb estão localizados no Integrated Science Instrument Module (ISIM), que é o que os engenheiros referem como «carga principal». O ISIM está situado no lado frio do telescópio, protegido pelo escudo solar da luz visível e da luz infravermelha do Sol, da Terra e da Lua.
A definição da escala de temperatura Kelvin é a de que o kelvin se refere ao “zero absoluto,” a temperatura mais baixa possível. A água congela a 0.ºC, ou cerca de 273 K. Os instrumentos do infravermelho próximo (NIRCam, NIRSpec, FGS/NIRISS) trabalham a cerca de 39 K (-234.ºC) através de um sistema de arrefecimento passivo. O instrumento MIRI (infravermelho médio) trabalha a uma temperatura de 7 K (-266.ºC), usando um sistema de refrigeração de hélio (sistema crioarrefecimento).
Existem dois modos de observação abrangentes nos quais o James Webb pode operar: observação e espectroscopia. Os quatro instrumentos do observatório recebem a luz recolhida pelo telescópio e usam uma variedade de ferramentas – câmaras, espectógrafos, coronógrafos, e outros instrumentos especializados – projectados para maximizar o conhecimento científico ganho em cada observação. Cada instrumento tem também um campo de visão que é único em área, forma e orientação. Em alguns casos, diferentes modos de observação em cada instrumento cobrem campos de visão de diferentes tamanhos e formas.
Os quatro instrumentos do James Webb estão especificamente projectados para utilizar modos de observação específicos, componentes e campos de visão para nos permitir aprender mais sobre uma grande variedade de objectos no espaço, incluindo estrelas, planetas, galáxias e energia escura.
A Near-Infrared Camera (NIRCam) prporciona imagens de alta resolução e espectroscopia para um grande leque de investigações. A NIRCam é o principal sistema de observação do James Webb e opera numa gama de comprimentos de onda entre 0,6 e 5 microns, onde a poeira se torna transparente. A NIRCam está equipada com coronógrafos, instrumentos que permitem aos astrónomos obter imagens de objectos muito muito fracos e escuros ao redor de um objeto central brilhante, bloqueando a fonte de luz mais intensa, que é útil em investigações que procuram determinas as características dos planetas a orbitar estrelas próximas. A NIRCam foi conctruída por uma equipa na Universidade do Arizona e pelo Centro de Tecnologia Avançada da Lockheed Martin.
O Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) é considerado uma ferramenta muito versátil para as investigações espectroscópicas de infravermelho próximo do James Webb. O NIRSpac opera num leque de comprimentos de onda entre 0,6 e 5 microns. Para além de levar a cabo a espectroscopia standar de fenda única para obter espectros de objectos específicos, o NIRSpec é projectado para observar 100 objectos de forma simultânea – o primeiro espectrógrafo no espaço com esta capacidade de observar objectos múltiplos. Esta capacidade é denominada “matriz de micro-obturador.” As células do micro-obturador do NIRSpec, cada uma aproximadamente tão largas como um cabelo humano, têm coberturas que abrem e fecham quando é aplicado um campo magnético. Cada célula pode ser controlada individualmente, permitindo ser aberta e fechada para observar ou bloquear uma porção do céu. O NIRSpec foi fabricado para a Agência Espacial Europeia pelas Airbus Industries com a matriz de micro-obturador e subsistemas de detecção a serem fabricados pela NASA.
O Near-Infrared Slitless Spectrograph/Fine Guidance Sensor (NIRISS/FGS) fornece capacidades de observação no infravermelho próximo e espectroscopia. Sendo o único instrumentro equipado com uma máscara de abertura, o NIRISS tem a capacidade única de capturar imagensde objectos brilhantes numa resolução maior do que os outros sistemas de observação. O NIRISS opera numa gama de comprimentos de onda entre 0,6 e 5 microns, tendo uma contribuição da Agência Espacial Canadiana.
Alojado na mesma estrutura do NIRISS encontra-se o Fine Guidance Sensor (FGS), que é um sistema de câmaras projectado para garantir que o James Webb está estável e a apontar na direcção exacta ao longo das observações. O FGS detecta e identifica estrelas guia e garante que o telescópio está fixado nessas estrelas para toda o processo de observação.
O instrumento Mid-Infrared Instrument (MIRI) fornece capacidades de observação e espectroscopia nos comprimentos de onda do infravermelho médio. O MIRI está equipado com uma câmara, coronógrados, espectógrados e uma unidade de campo integral, que é uma combinação de câmara e espectógrafo utilizada para capturar e mapear espectros ao longo do campo de visão. O MIRI opera numa gama de comprimentos de onda entre os 5 e os 28 microns. Sendo o único instrumento de infravermelhos médios, os astrónomos irão usar o MIRI para estudar o desvio para o vermelho da luz de galáxias distantes, estrelas recém formada, cometas muito ténues e objectos na Cintura de Kuiper.
Como o MIRI vê mais fundo no infravermelho do que outros instrumentos, tem de ser mantido ainda mais frio do que os restantes. O crioarrefecimento de dois estágio do James Webb funciona como o mais efectivo frigorífico do mundo, bombeando um gás que absorve o calor através do instrumento. O primeiro estágio coloca o MIRI em temperaturas de 18 K, e o segundo estágio leva os detectores do MIRI abaixo de 7 K – isto é apenas 7 graus acima do zero absoluto, a temperatura teória na qual toda a dinâmica pára, mesmo os movimentos dos átomos.
O MIRI foi fornecido pelo Consórcio Europeu com a Agência Espacial Europeia e o Laboratório de Propulsão a Jacto da NASA.