Espectrógrafo do telescópio James Webb pode observar mais de 100 galáxias ao mesmo tempo

Cada vez mais perto de abrir os olhos para o cosmos, o Telescópio Espacial James Webb (JWST), lançado no Natal de 2021, é o que existe de mais moderno para estudar as galáxias mais antigas e distantes que surgiram no universo jovem a partir da poeira e do gás deixados pelo Big Bang.

Entre os quatro instrumentos que o compõem, merece destaque o Espectrógrafo Infravermelho Próximo (NIRSpec), que é financiado pela Agência Espacial Europeia (ESA), como parte de sua colaboração para o grande observatório de próxima geração. 

“Uma das regras para a construção de naves espaciais é ter o menor número possível de partes móveis”, disse Andy Bunker, astrofísico da Universidade de Oxford, em tom de brincadeira. “E é por isso que construímos algo que tem um quarto de milhão de persianas”, declarou a respeito dos obturadores do NIRSpec. Bunker é um dos sete cientistas europeus que moldaram o projeto do espectrógrafo e aguarda ansiosamente o momento em que o instrumento vai começar a fornecer dados.

“Sempre me interessei em empurrar o limite para o objeto mais distante conhecido”, disse Bunker em entrevista ao site Space.com. “Trata-se de entender os estágios iniciais do universo, quando as primeiras estrelas e galáxias se formaram. E estamos tentando perseguir isso”.

Com seu gigante espelho de 6,5 metros de largura, JWST foi construído para estudar o passado do universo. Ele fará isso observando a luz infravermelha, parte que transporta calor do espectro eletromagnético com comprimentos de onda mais longos do que a luz visível. 

Embora essas primeiras estrelas emitissem luz visível, por causa de sua vasta distância e da expansão do universo, essa luz mudou para a parte infravermelha do espectro, um efeito conhecido como desvio vermelho, segundo os cientistas.

Contando com 250 mil micro-obturadores, o NIRSpec vai impulsionar as capacidades do JWST, excedendo em mais de cem vezes a capacidade de um instrumento semelhante a bordo do Telescópio Espacial Hubble, que é, em muitos aspectos, considerado o antecessor do Webb (apesar de os dois trabalharem em paralelo, por algum tempo).

NIRSpec vai fornecer quantidade sem precedentes de informações do universo

Embora não seja o instrumento que irá produzir as imagens mais atraentes, como as famosas capturas do Hubble (isso será a tarefa das câmeras NIRCam e MIRI), o NIRSpec fornecerá uma quantidade sem precedentes de informações não apenas sobre as galáxias, as estrelas e os planetas fotografados pela NIRCam e MIRI, mas de centenas e milhares de outros corpos.

Um espectrógrafo não tira fotos, e sim, divide a luz de entrada em componentes individuais do espectro de luz. Esse espectro, como uma impressão digital, reflete as propriedades absorventes de luz dos objetos captados e, portanto, sua composição química. 

Cada elemento químico presente no corpo observado absorve a luz de uma certa maneira, aparecendo como uma linha distinta no espectro capturado. Ao capturar o espectro de um objeto, os pesquisadores podem determinar quais compostos químicos podem estar presentes.

“Cientificamente, os espectros são extremamente valiosos”, disse Bunker. “Há um monte de informações codificadas neles. Podemos mapear como elementos químicos se acumulam nas galáxias, mas também determinar a distância e as propriedades das galáxias, como a taxa em que transformam seu gás em estrelas”.

Para tirar as impressões digitais desses objetos com precisão, os espectrógrafos precisam bloquear todas as outras luzes de seu campo de visão. Espectrógrafos convencionais, como os do Hubble, fazem isso usando uma fenda, uma abertura estreita em uma placa de metal através da qual eles visam apenas o objeto estudado.

“A fenda permite a maior sensibilidade possível”, disse Bunker. “Mas a limitação é fazer apenas um objeto de cada vez. É muito ineficaz, particularmente se você olhar para alguns dos campos profundos onde você tem densidades muito altas de objetos potencialmente interessantes”.

Espectrógrafo do telescópio James Webb é pioneiro

Alguns dos objetos que Webb vai estudar são tão distantes e fracos que o telescópio terá que olhar para eles por centenas de horas para coletar luz suficiente, e a limitação de tal abordagem torna-se óbvia.

É aqui que entram os micro-obturadores do NIRSPec. Cada um com a espessura de um cabelo humano, eles podem se abrir em vários padrões, criando de forma flexível uma infinidade de fendas que permitirão aos astrônomos observar e medir mais de 100 galáxias ao mesmo tempo, segundo Bunker.

Primeiro espectrógrafo desse tipo lançado ao espaço, o NIRSpec tem uma gama de tecnologias inovadoras. A própria matriz de obturadores, desenvolvida por engenheiros do Centro de Voo Espacial Goddard, da NASA, está disposta em quatro seções retangulares, cada uma com 365 por 171 micro-obturadores.

Um ímã eletricamente controlado varre na parte de trás dessas matrizes. Aplicando seletivamente uma corrente elétrica a cada micro-obturador, as equipes de controle de solo determinam quais se abrem e quais permanecem fechados. Os engenheiros, no entanto, não podem abrir aqueles que estão muito próximos uns dos outros, pois os espectros dos objetos observados se sobrepõem. 

“Esses micro-obturadores são bastante frágeis, então é esperado que uma fração deles falhe”, disse Bunker. “Isso não é grande coisa, porque ainda poderemos usar os outros. Alguns também podem ficar presos abertos, o que adicionaria um pouco de luz de fundo extra, mas isso seria apenas muito poucos”.

Segundo Bunker, as vastas quantidades de estrelas, galáxias, aglomerados, planetas e outros corpos que a NIRSpec vai olhar permitirá que os cientistas comecem a responder às grandes perguntas não sobre estrelas e galáxias individuais, mas todo o universo. “O NIRSpec será um divisor de águas. O número de objetos que seremos capazes de captar nos permitirá começar a ver como diversas variáveis dependem umas das outras. Por exemplo, como a taxa em que as estrelas estão se formando nas galáxias varia com a massa da galáxia ou sua idade”.

Com a ajuda do NIRSpec, os astrônomos não só serão capazes de ver as primeiras estrelas e galáxias que se formaram no universo, mas também saber do que eram feitas e como, após sua morte, deram origem a outros elementos químicos que gradualmente povoaram o universo como o vemos hoje.

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