O que o primeiro ano do Telescópio Espacial James Webb revelará

O primeiro ano de observações do Telescópio Espacial James Webb promete revelar atmosferas e superfícies de exoplanetas, galáxias infantis e talvez até os primeiros buracos negros.

A primeira imagem de Webb, revelada na segunda-feira, 11 de julho, mostra milhares de galáxias em um pequeno pedaço de céu aproximadamente do tamanho de um grão de areia mantido à distância de um braço. Muitas dessas galáxias fazem parte de um aglomerado massivo chamado SMACS 0723. O peso dessas galáxias e a matéria escura ao seu redor formam galáxias de fundo muito mais distantes, ampliando-as e distorcendo suas formas. A imagem foi tirada em quatro bandas de ondas infravermelhas, cujas cores foram deslocadas para o visível para que possamos ver. NASA / ESA / CSA / STScI

Na segunda e terça-feira, 11 e 12 de julho, a equipe do Telescópio Espacial James Webb divulgou as tão esperadas primeiras imagens do observatório . De um planeta do tamanho de Júpiter, a apenas 1.150 anos-luz de distância, a galáxias que residem no início do universo, as imagens representam a ponta do iceberg – temos muito mais pelo que esperar. Em seu primeiro ano, Webb levará 6.000 horas de observações, totalizando 250 dias de revelação cósmica ininterrupta. Mais da metade desse tempo será destinada a pequenos programas, cada um com no máximo 25 horas. Até o final do primeiro ano, teremos milhares de alvos – desde cometas a planetas e galáxias distantes – com imagens e espectroscopia infravermelhas sem precedentes.

Aqui está o que o primeiro ano de observações poderia nos dizer, contado da perspectiva de uma seleção de programas de ciências na fila.

Setenta das propostas aceitas se concentram em exoplanetas, muitos deles em alvos individuais que variam de Júpiteres quentes a “super-puffs” (gigantes gasosos que são maiores do que deveriam ser) a mundos rochosos quentes.

O mundo de lava 55 Cancri e é um dos últimos. O planeta tem a massa de 8 Terras e orbita perto de uma estrela parecida com o Sol, 100 vezes mais perto do que a Terra do Sol. Embora tenha sido descoberto em 2004, ainda não sabemos muito sobre esse mundo alienígena. É rocha nua ou está envolta por uma atmosfera rodopiante? E se estiver nua, ainda poderia hospedar minerais vaporizados liberados de sua superfície de magma? Está travado por maré, mostrando apenas uma face para o sol, ou sua rotação se sobrepõe à sua órbita em uma ressonância de 3:2 como a de Mercúrio?

Estas são as perguntas que Alexis Brandeker (Universidade de Estocolmo, Suécia) e colegas procuram responder com pouco mais de uma dúzia de horas de observações do Webb, que ele espera em novembro.

Um mundo nu e rochoso teria uma crosta de silicato, como a Terra, mas o 55 Cancri e é tão quente que esses silicatos evaporariam de sua superfície derretida durante o dia e cairiam de volta à superfície à noite como chuva de lava. Webb vai tirar um espectro da fina lasca de vapor que envolve o planeta, que se torna visível quando o planeta passa na frente de sua estrela. Múltiplos espectros podem detectar o gás de óxido de silício no lado diurno e os cristais de dióxido de silício que caem à noite.

Se, por outro lado, o planeta tiver uma atmosfera, Webb verá uma assinatura espectral que ajudará a investigar esse envelope gasoso. A caracterização de superfícies e atmosferas será a principal contribuição da Webb em seu primeiro ano, diz Brandeker. 

“Estou animado para ver belos espectros de toda uma série de exoplanetas com JWST!” concorda Caroline Morley (Universidade do Texas, Austin), que estava envolvida em uma proposta para observar outro exoplaneta rochoso quente, LHS 3844b. “Vamos aprender coisas novas e detalhadas sobre planetas maiores (do tamanho de Júpiter e Netuno), incluindo suas composições atmosféricas e climas. Para planetas rochosos menores como LHS 3844b, estou particularmente empolgado para ver como é a composição da superfície.”

Ao contrário de 55 Cancri e, LHS 3844b é quase certamente rocha nua. Morley, a líder da equipe Laura Kreidberg (Instituto Max Planck de Astronomia, Alemanha), e seus colegas irão explorá-lo usando uma técnica chamada espectroscopia de emissão . Isso significa que a luz que o Webb capturará vem do próprio planeta – algo que se torna mais viável em comprimentos de onda infravermelhos, nos quais as estrelas brilham menos. 

“Com o JWST, poderemos realmente dizer a diferença entre um oceano de magma solidificado ( ultramáfico ), recapeamento vulcânico ( basalto – pense no Havaí!), ou uma superfície mais rica em granito”, diz Morley. “Este é um dos melhores alvos para esses tipos de observações.” 

Alcançando galáxias distantes

Você já ouviu falar do Hubble Deep Field, uma longa olhada no espaço negro entre as estrelas que revelou centenas de milhares de galáxias. Webb está configurado para estender a visualização.

O Hubble Ultra Deep Field, que inclui observações feitas entre 2003 e 2004, contém cerca de 10.000 galáxias. O primeiro campo profundo de Webb, acima, já revela muito mais. NASA / ESA / S. Beckwith (STScI) e a Equipe HUDF

A proposta de conduzir a pesquisa Deep Extragalactic Exploratory Public (DEEP) da próxima geração, liderada por Steven Finkelstein (Universidade do Texas, Austin), pede mais de 120 horas para se concentrar na mesma área do céu coberta pelas sondas profundas e ultra -profundas do Hubble. campos profundos . À medida que Webb olha para trás no espaço e no tempo, a imagem abrangerá a maior parte do tempo cósmico, de 400 milhões de anos após o Big Bang até quase 6 bilhões de anos depois. Em certas regiões, Webb pode revelar galáxias de um universo ainda mais jovem. Vimos galáxias 97% do caminho de volta ao Big Bang”, diz Dan Coe (Space Telescope Science Institute). “Estou mais animado para finalmente ver objetos que existiam durante os primeiros 3% ausentes, os primeiros 400 milhões de anos do universo.” 

Além disso, Webb verá não apenas as grandes galáxias, mas também as anãs com menos peso do que as Nuvens de Magalhães, muito menores do que o Hubble poderia capturar. Essa sensibilidade permite que os astrônomos explorem a evolução da galáxia em todos os seus estágios. Os dados também conterão espectroscopia, uma ferramenta poderosa para determinar quantas e quais tipos de estrelas estão se formando ao longo do tempo cósmico. 

“Sendo público imediatamente, o NGDEEP segue os passos dos programas de campo profundo do Hubble, permitindo que a comunidade explore o poder do Webb quando levado ao seu limite”, escrevem Finkelstein e colegas. 

Outras propostas se concentram em algumas das galáxias mais distantes conhecidas. Detectadas pelo Hubble, essas galáxias fornecerão detalhes adicionais aos instrumentos de Webb. Coe, por exemplo, está liderando as observações visando o bebê galáctico apelidado de MACS 0647-JD. Um aglomerado gravitacional que fica em primeiro plano age como uma lente cósmica gigante para ampliar sua luz, auxiliando telescópios feitos pelo homem. 

Mas o Hubble, mesmo com a ajuda desta lente cósmica, não conseguiu resolver a galáxia, o que significa que é muito pequena – menos de 300 anos-luz de diâmetro. A Via Láctea, em comparação, tem 100.000 anos-luz e até seus satélites, as Nuvens de Magalhães, se estendem na ordem de alguns milhares de anos-luz. Esta proto-galáxia é, portanto, do tamanho de uma única nuvem de formação de estrelas em uma galáxia moderna. 

Coe e seus colegas esperam que Webb realmente resolva essa pequena proto-galáxia, identificando as estruturas dentro dela e lançando luz sobre a era inicial da formação de estrelas e galáxias. “Este é um bloco de construção de galáxias ainda por vir? Nós duvidamos! Vimos estruturas muito menores em galáxias até aglomerados de estrelas com um parsec de diâmetro”, diz Coe. “Isso é o que queremos ver: as primeiras galáxias são feitas de vários pequenos aglomerados?”

A extraordinária sensibilidade de Webb é a chave para outro objetivo científico: identificar as sementes dos buracos negros supermassivos que estão no centro de quase todas as grandes galáxias hoje. Uma proposta procura encontrá-los diretamente, tendo identificado candidatos a engolir gás por sua emissão de raios-X, enquanto outras propostas procuram entender melhor a mecânica dos buracos negros já descobertos várias centenas de milhões de anos após o Big Bang. 

O universo distante não é o único escopo de Webb: existem 22 propostas com foco em cometas, gigantes gasosos e corpos transnetunianos dentro do nosso sistema solar, e outras 42 visando anãs marrons, nebulosas planetárias e outros aspectos da evolução estelar. 

Cada uma das centenas de programas a serem conduzidos no primeiro ano de Webb descrevem a ciência revolucionária. Mas, claro, não sabemos o que não sabemos, e dentro de qualquer uma das propostas aceitas há possibilidades que nem imaginamos. Vai ser um ano emocionante para a astronomia!

Fonte: skyandtelescope.org