A NASA divulgará as primeiras imagens coloridas do Telescópio Espacial James Webb na próxima semana. Aqui está o que será visto primeiro, e como pode abordar os maiores mistérios do universo.

NO DIA 12 DE JULHO, o Telescópio Espacial James Webb (JWST) divulgará suas primeiras imagens científicas, abrindo a cortina de uma nova era na astronomia. Após anos de desenvolvimento, um lançamento cheio de suspense e meses de testes, o telescópio mais poderoso já feito está finalmente pronto para reunir novas pistas relacionadas a perguntas que nem sonhamos em responder com seus antecessores.

O JWST nos permitirá perscrutar ainda mais o passado distante do universo do que nunca, graças à sua combinação especial de recursos. Como um observatório infravermelho com um espelho maciço flutuando além da órbita da lua, ele pode coletar luz das estrelas e galáxias mais fracas e distantes – luz que foi esticada em comprimentos de onda infravermelhos depois de viajar pelo espaço em expansão por bilhões de anos. Ele verá esses objetos em detalhes requintados devido à sua resolução angular incomparável. Seu espectrógrafo infravermelho também deve nos permitir caracterizar moléculas à espreita nas atmosferas de exoplanetas potencialmente habitáveis.

Os dados que recebemos do JWST nos ajudarão a desvendar alguns dos maiores mistérios do cosmos, desde como as primeiras estrelas e galáxias se formaram e a rapidez com que o universo está se expandindo até as perspectivas de vida extraterrestre.

Aqui examinamos sete das maiores questões sobre as quais o JWST deve lançar nova luz, concentrando-se em projetos específicos que receberam tempo em seu primeiro ciclo de observação, para revelar precisamente como esse telescópio de US $ 10 bilhões transformará nossa compreensão do cosmos.

1- Onde e quando se formaram as primeiras estrelas?

Depois do big bang veio a idade das trevas cósmica. A matéria neste estágio era matéria escura, que não emite nem reflete luz, ou hidrogênio neutro e gás hélio. Então, ao longo de algumas centenas de milhões de anos, o gás começou a coalescer (unir com força), formando estrelas – e as luzes se acenderam.

A radiação dessas primeiras estrelas ionizou o gás neutro ao seu redor. Quando essa chamada época de reionização terminou, o universo passou de uma sopa homogênea e primordial para um arranjo altamente estruturado, com galáxias, estrelas e provavelmente até planetas. Sabemos que isso aconteceu, mas temos poucas observações para nos mostrar como.

Jeyhan Kartaltepe, do Rochester Institute of Technology, em Nova York, tem 256 horas de observação no JWST – entre as passagens mais longas no primeiro ciclo de observação do instrumento – para responder a um amplo conjunto de perguntas sobre esse amanhecer cósmico. Que tipos de estrelas foram as primeiras estrelas? Em que tipos de galáxias eles se formaram? Quão cedo ocorreu a reionização e quanto tempo levou? “Uma detecção [de uma galáxia primordial] com o Telescópio Espacial Hubble é apenas uma mancha em uma imagem e você pode dizer o quão brilhante ela é, e é isso”, diz Kartaltepe. “Agora, poderemos medir suas massas estelares e resolver a estrutura, então aprenderemos muito mais sobre a física”.

O projeto de Kartaltepe nos dará uma visão abrangente da reionização. “Isso não aconteceu em todos os lugares, tudo de uma vez”, diz ela. “Começou em pequenos bolsos e depois se expandiu para essas bolhas de reionização.”

Enquanto isso, Rohan Naidu, da Universidade de Harvard, acredita que identificou um desses pequenos bolsões como o lugar onde a aurora cósmica surgiu pela primeira vez – e agora ele pode finalmente dar uma olhada. “Achamos que estas estão entre algumas das primeiras galáxias que podem ter se formado”, diz ele.

Medimos a distância de objetos no espaço profundo observando o “desvio para o vermelho”: a extensão em que sua luz foi esticada e tornada mais vermelha, à medida que percorreu nosso universo em expansão por bilhões de anos antes de chegar até nós. Um número descreve o desvio para o vermelho dessa luz; quanto maior, mais antigo o objeto.

Acredita-se que o amanhecer cósmico tenha começado por volta do desvio para o vermelho 10, quando o universo tinha aproximadamente 500 milhões de anos. Mas Naidu acha que podemos encontrar evidências de que as primeiras estrelas se formaram em uma bolha ionizada que agora observamos no desvio para o vermelho 9. candidatas a galáxias com desvio para o vermelho – e o que sabemos sobre a formação da estrutura no universo sugere que as primeiras estrelas teriam se desenvolvido exatamente nesse local. “Estou muito animado em ver essas galáxias com alto desvio para o vermelho. Podemos ser capazes de ver as primeiras estrelas”, diz ele.

2- Quais são as origens dos buracos negros supermassivos?

Buracos negros são regiões do espaço-tempo tão densas e deformadas, com uma força gravitacional tão intensa, que nem mesmo a luz consegue escapar delas. Existem buracos negros de massa estelar, criados quando estrelas massivas colapsam, que variam de algumas a algumas centenas de vezes a massa do sol. E existem buracos negros supermassivos, variando de 100.000 a dezenas de bilhões de vezes a massa do Sol, encontrados nos centros da maioria das galáxias. Esses monstros moldam a evolução das galáxias à medida que acumulam ou acumulam massa e lançam jatos poderosos que perturbam tudo ao seu redor.

Uma das observações mais desconcertantes da astrofísica é que vemos buracos negros supermassivos que já tinham bilhões de massas solares quando o próprio universo tinha menos de um bilhão de anos. Mesmo que esses buracos negros estivessem crescendo exponencialmente engolindo estrelas e gás, eles devem ter começado tão massivos quanto milhares de sóis – e não temos ideia de como isso funcionaria, considerando nossos modelos existentes de como os buracos negros se formam e crescem.

Os teóricos propuseram duas rotas para esses primeiros buracos negros supermassivos. O primeiro é o colapso de uma nuvem de gás massiva, diretamente para um buraco negro supermassivo ou primeiro para uma estrela massiva que então colapsa em um buraco negro. A segunda hipótese é que eles se formaram a partir de densos aglomerados de estrelas, que se fundiram, crescendo cada vez mais e, eventualmente, resultando em um buraco negro.

Para saber mais sobre buracos negros supermassivos, Xiaohui Fan, da Universidade do Arizona, vai observar quasares distantes, objetos extremamente brilhantes gerados quando o gás espirala em alta velocidade nesses buracos negros, lançando gigantescos jatos de partículas e radiação. Observando atentamente três dos quasares mais distantes que conhecemos, Fan e seus colegas medirão a velocidade do disco de gás e poeira em espiral nos buracos negros, o que sonda diretamente sua massa. Combine isso com uma medida de luminosidade e você também obterá a taxa na qual o buraco negro está acumulando material. Isso lhes dará as restrições mais rígidas ainda sobre a massa inicial do buraco negro e quão cedo no universo jovem a semeadura aconteceu.

As observações de Fan não serão capazes de descartar ideias de como os buracos negros supermassivos foram semeados. Eles devem esclarecer como eles crescem, no entanto, e como seu crescimento influencia a evolução das galáxias. Sabemos que os buracos negros mais massivos residem nas galáxias mais massivas. Mas o que veio primeiro, e se um é responsável pelo outro, é um enigma cosmológico do ovo e da galinha. Com a sensibilidade do JWST, veremos pela primeira vez a luz estelar das galáxias hospedeiras desses buracos negros. Suas observações infravermelhas significam que podemos caracterizar suas idades e, portanto, aprender quando a formação de estrelas e galáxias aconteceu em relação ao crescimento do buraco negro.

3- A matéria escura é fria?

A matéria escura é uma forma misteriosa de matéria cuja existência só podemos inferir de seus efeitos gravitacionais. Acreditamos que seja responsável por cerca de 85% de toda a matéria do universo, mas não sabemos de que tipo de partículas é feito, se é que é feito de partículas. Por enquanto, achamos que a matéria escura é “fria”, o que significa que se move lentamente, o que permite que pequenos aglomerados se montem devido à sua própria gravidade e cresçam em estruturas mais massivas conhecidas como “haloes”. Em nossa melhor imagem atual de como o universo evoluiu, a matéria escura ajudou a esculpir o universo, pois esses halos atraíram gás que se aglutinava e colapsava para formar estrelas e galáxias.

Os halos de matéria escura vêm em vários tamanhos, desde um quatrilhão de massas solares até tão pouco quanto a massa da Terra. Quando os halos de matéria escura são mais leves que 10 milhões de massas solares, eles não podem atrair gás suficiente para formar galáxias. De acordo com nossa compreensão da evolução cósmica, eles existem como pequenos bolsões invisíveis de matéria escura, caso em que estamos presumivelmente cercados por muitos desses halos menores de matéria escura.

Anna Nierenberg, da Universidade da Califórnia em Merced, e seus colegas tentarão testar essa suposição e, por extensão, a ideia de que a matéria escura é fria e lenta, observando quasares. Nesse caso, a luz liberada pelos quasares será captada, ou dobrada, pela gravidade do pequeno halo de matéria escura sem galáxias. A luz seria desviada de tal forma que cria imagens repetidas no telescópio, que é o que Nierenberg e seus colegas estarão procurando. Detectar esses minúsculos halos seria um grande sucesso para este modelo, diz ela. Alternativamente, “sua ausência implicaria que a matéria escura não pode ser fria, mas deve ser de natureza mais exótica”.

4- Como as estrelas massivas se transformam em supernovas?

Quando morrem, estrelas como o nosso sol ficam relativamente silenciosas. Estrelas mais massivas saem em uma explosão de glória em explosões espetacularmente violentas chamadas supernovas de colapso de núcleo. Esses fogos de artifício cósmicos injetam enormes quantidades de energia em seus arredores e, à medida que as ondas de choque da explosão aquecem e ionizam o material interestelar, impulsionam a formação de novas gerações de estrelas. As supernovas também liberam todos os tipos de elementos químicos, enriquecendo as nuvens de gás que criam planetas como o nosso com os ingredientes que nos formam.

Vemos supernovas o tempo todo. Sabemos que estrelas com massas de pelo menos oito vezes a do Sol terminarão suas vidas nessas explosões. Em algum momento, o núcleo da estrela é incapaz de suportar o peso de suas camadas externas, fazendo com que a estrela colapse e exploda. O que não sabemos é quais são os mecanismos de explosão, o que significa exatamente como as estrelas massivas explodem do jeito que fazem.

Dois modelos estão na mesa para estrelas massivas na extremidade inferior da faixa de massa que podem se tornar supernovas. No modelo de captura de elétrons, uma estrela tem um núcleo composto de oxigênio, neônio e magnésio e esse núcleo é sustentado pela pressão dos elétrons desses átomos, resultado de uma lei da mecânica quântica que diz que nem todos podem ocupar o espaço. mesmo estado de energia. Se o núcleo se tornar muito denso, no entanto, o núcleo dos átomos de néon e magnésio pode absorver seus elétrons no que chamamos de reação de captura de elétrons. Isso reduz a pressão e resulta no colapso gravitacional das camadas externas da estrela, causando a explosão. A alternativa é o modelo de colapso do núcleo de ferro. Aqui, um núcleo de ferro se forma e, como o ferro é um elemento muito estável, ele não pode se fundir com outros elementos e liberar energia, de modo que as reações nucleares não podem mais contrabalançar a gravidade, resultando em colapso e ignição.

É impossível observar o que está acontecendo dentro de uma estrela no momento da explosão porque as camadas externas protegem o núcleo da visão. Mas Tea Temim, da Universidade de Princeton, usará o JWST para trazer alguma clareza ao observar mais de perto a nebulosa do Caranguejo, o remanescente de uma explosão de supernova de uma estrela na faixa de 8 a 10 massas solares. Foi registrado por astrônomos em 1054 e é um dos objetos astronômicos mais estudados de todos os tempos. Se olharmos mais de perto, no entanto, poderemos descobrir como explodiu, porque cada um dos nossos dois mecanismos de explosão possíveis deixaria assinaturas: uma proporção diferente de ferro para níquel estável, em cada caso, e distribuições diferentes de ferro no material ejetado pela estrela.

“O Caranguejo tem uma estrutura de ionização muito complicada”, diz Temim, então eles precisam ter certeza de que as medições dos diferentes elementos vêm exatamente do mesmo lugar no remanescente. Apenas o JWST possui resolução suficiente para diferenciar as duas possíveis assinaturas de explosão estelar na nebulosa dessa maneira.

5- Onde planetas como a Terra obtêm sua água?

Temos a sorte de que nosso planeta é um mundo exuberante de oceanos, lagos, rios e cachoeiras. De acordo com nossa compreensão atual da história do nosso sistema solar, no entanto, nosso ponto azul pálido não era azul quando se formou.

Quando a Terra se juntou a partir de um turbilhão de gás e poeira cerca de 4,5 bilhões de anos atrás, estava dentro da “linha de neve” do sol, o raio fora do qual a temperatura é baixa o suficiente para que toda a água seja gelo. Além disso, naquela época, o sol estava emitindo mais energia do que hoje e a pressão da radiação teria empurrado qualquer vapor de água para perto da Terra atrás da linha de neve. Tudo isso significa que, até onde sabemos, o material que formou a Terra não continha água. “Então a água da Terra deve ter vindo de algum lugar”, diz Isabel Rebollido no Space Telescope Science Institute em Baltimore, Maryland.

Cientistas planetários propuseram que ele poderia ter sido entregue mais tarde por asteróides ou cometas em um período conhecido como o Bombardeio Pesado Tardio. A ideia é que os efeitos indiretos dos movimentos dos planetas gigantes gasosos no sistema solar externo poderiam ter empurrado detritos contendo gelo ainda mais, enviando água para a Terra e criando muitas das crateras da lua no processo.

A Rebollido usará o JWST para observar cinco sistemas exoplanetários em um estágio semelhante de evolução – quando os gigantes gasosos já se formaram e seus movimentos estão embaralhando material. “Uma possível explicação para o gás que detectamos nas regiões internas dos sistemas planetários é que os corpos sólidos e gelados enviados das regiões externas estão evaporando”, diz Rebollido. A ideia é simples: procure água na região do meio. Se estiver lá, a implicação é que corpos gelados podem de fato ser entregues das regiões externas de um sistema solar para planetas rochosos dentro da linha de neve, permitindo que mundos estéreis se tornem pontos azuis pálidos.

6- Poderiam os exoplanetas mais promissores abrigar vida?

A perspectiva de vida em planetas além da Terra nos intrigou por séculos. Hoje em dia, procuramos por “bioassinaturas” em atmosferas de exoplanetas. Se certas combinações de moléculas estiverem presentes – metano e dióxido de carbono, digamos – é um sinal de que a vida pode existir lá. Mas tem que haver uma atmosfera para começar.

Caracterizamos a composição de atmosferas exoplanetárias com a técnica de trânsito: quando um planeta passa na frente de sua estrela hospedeira, as várias moléculas em sua atmosfera interagem com a luz da estrela e emitem ou absorvem radiação infravermelha em comprimentos de onda específicos que formam impressões digitais das moléculas envolvidos. O espectrógrafo a bordo do JWST é sensível a essas impressões digitais, o que significa que pode identificar quais moléculas estão presentes. “O JWST será completamente revolucionário porque os telescópios espaciais Hubble e Spitzer tinham faixas de comprimento de onda relativamente restritas, então você não poderia medir muitas coisas nas atmosferas”, diz Megan Mansfield, da Universidade do Arizona.

Para que o método de trânsito funcione, o sinal da atmosfera do planeta deve ser detectável contra o sinal muito mais brilhante da estrela. Mesmo com as capacidades sem precedentes do JWST, encontrar bioassinaturas provavelmente só será possível para planetas que orbitam estrelas frias e de baixa massa chamadas anãs M. Felizmente, isso coloca um grupo particularmente atraente de exoplanetas em nossa mira. O sistema Trappist 1, uma coleção de sete planetas rochosos descobertos em 2016, hospeda mais planetas capazes de sustentar água líquida do que qualquer outro sistema que conhecemos.

O problema é que não sabemos se os planetas trapistas, ou quaisquer outros mundos que orbitam anãs M, podem reter suas atmosferas por tempo suficiente para que a vida se desenvolva, diz Mansfield. Isso ocorre porque as anãs M começam muito mais ativas do que estrelas como o sol, e a grande quantidade de radiação de alta energia que elas expelem poderia retirar as atmosferas de seus planetas.

Uma das coisas mais úteis que o JWST pode fazer para a busca de vida extraterrestre é estabelecer se os exoplanetas em torno das anãs M têm atmosferas. Kevin Stevenson, da Universidade Johns Hopkins, em Maryland, observará cinco exoplanetas terrestres orbitando as anãs M mais próximas enquanto transitam, incluindo um no sistema Trappist. As atmosferas dos planetas trapistas restantes serão observadas como parte de outros projetos do JWST. “Se nenhum dos cinco planetas tiver atmosferas, isso nos diz que as atmosferas em planetas anões M são raras”, diz Stevenson, “e que devemos começar a olhar para planetas em torno de outros tipos de estrelas”.

“Queremos estabelecer se exoplanetas em torno de estrelas anãs M têm atmosferas”

Se detectarmos atmosferas, por outro lado, temos bons candidatos para acompanhamentos completos. Mesmo se for esse o caso, ainda não se sabe se seremos capazes de detectar sinais fracos de vida alienígena com o JWST. Muito dependerá do desempenho de seus instrumentos. “Não sei se chegaremos lá nos próximos 10 anos com Webb, mas tentaremos”, diz Stevenson.

7- A taxa de expansão do universo quebra nosso melhor modelo cosmológico?

Vivemos em um universo em expansão, onde as galáxias se afastam umas das outras a uma taxa conhecida como constante de Hubble. Isso pode ser medido diretamente, determinando as distâncias a objetos astronômicos distantes, ou indiretamente, combinando observações do universo primitivo com nossa melhor teoria de como o cosmos evoluiu. O problema é que as duas medidas são inconsistentes.

Nosso atual modelo cosmológico postula que o universo é composto de radiação, matéria (incluindo matéria escura fria) e energia escura – uma forma intrigante de energia que se acredita ser responsável pela expansão que observamos. Tomando dados da radiação relíquia do big bang, conhecido como fundo cósmico de microondas, e alimentando-o nesse modelo, os cosmólogos estimam que o universo está se expandindo a uma taxa de 67 quilômetros por segundo por megaparsec – um megaparsec sendo uma distância igual a 3,26 milhões de anos-luz. No entanto, quando os astrônomos medem a constante de Hubble a partir de observações de objetos distantes, eles encontram um valor de 73 quilômetros por segundo por megaparsec.

A discrepância, conhecida como tensão de Hubble, pode indicar que algo está seriamente errado com nossa compreensão da evolução cósmica. Mas o modelo cosmológico padrão é extremamente bem-sucedido, respondendo por todos os tipos de observações, então precisaremos de uma boa razão para descartá-lo.

O JWST poderia finalmente resolver o argumento. Para obter seu valor para a constante de Hubble, os astrônomos usam a “escada de distância cósmica”. Isso faz uso de estrelas chamadas cefeidas que flutuam em brilho a uma taxa relacionada à sua luminosidade absoluta, o que nos permite medir sua distância de nós. Em seguida, passamos para o próximo degrau da escada usando outras “velas padrão”, como supernovas, para calcular a distância até as galáxias próximas e, finalmente, até a borda do universo observável.

Para ter certeza de que essas medições são precisas, você precisa reduzir as incertezas em cada etapa. Para entender essas incertezas, Wendy Freedman, da Universidade de Chicago, planeja medir a distância das mesmas galáxias usando uma variedade de velas padrão. As cefeidas, por exemplo, são frequentemente cercadas por outras estrelas jovens. As imagens mais nítidas fornecidas pelo JWST ajudarão a distinguir a contribuição na luz medida das cefeidas em relação aos seus vizinhos. Além disso, uma maior sensibilidade nos permitirá ver cefeidas em galáxias mais distantes. Freedman combinará as medições das cefeidas com outros métodos para medir distâncias de outras galáxias para entender melhor o quão precisos podemos considerar nossos cálculos para a constante de Hubble.

Para abordar o mesmo problema, Sherry Suyu, da Universidade Técnica de Munique, na Alemanha, está analisando a cintilação dos quasares. Quando há um objeto massivo entre nós e o quasar, como outra galáxia, sua gravidade pode agir como uma lente, resultando em múltiplas imagens do quasar em nossos telescópios. Há um atraso na chegada da cintilação do quasar nas várias imagens porque cada uma tem um caminho de luz diferente devido a esse efeito de lente e esses atrasos estão relacionados não apenas à distância do quasar, mas também ao potencial gravitacional da lente galáxia. Com o JWST, Suyu medirá as velocidades das estrelas na galáxia lente, permitindo que ela entenda sua distribuição de massa – e, portanto, corrija melhor seu potencial gravitacional ao estimar uma constante de Hubble dos atrasos de tempo de cintilação do quasar, outro método que tem sido usado pelos astrônomos.

Se esses métodos independentes de determinação da distância atingirem o mesmo valor para a constante de Hubble, saberemos que a medida astronômica é robusta. Caso concordem com o valor de Hubble do modelo cosmológico, então a tensão desaparece. “Se realmente mostrarmos que o modelo padrão funciona, esse é um resultado muito importante”, diz Freedman.

E se as medidas astronômicas ainda diferem do modelo cosmológico? “Seria realmente interessante se isso fosse uma nova física”, diz Suyu. “Mas se isso acontecer, quero ter certeza de que estamos certos.”

Espere o inesperado

Mesmo que os astrônomos concedidos tempo no primeiro ciclo de observação do Telescópio Espacial James Webb saibam exatamente o que vão olhar, eles ainda estão energizados pela perspectiva de ver algo inesperado. “Minha esperança é que descubramos algo que não previmos”, diz Wendy Freedman, da Universidade de Chicago.

“Estou mais animada com as perguntas que não sabemos o suficiente para fazer”, diz Kristen McQuinn, da Rutgers University, em Nova Jersey. Ela cita o Hubble Ultra Deep Field, uma imagem capturada em 2004 pelo Telescópio Espacial Hubble depois de ter sido apontada para um pequeno pedaço de céu pouco promissor. Muitos esperavam que ficasse escuro, mas a longa exposição revelou milhares de estrelas cintilantes e galáxias que eram mais antigas do que qualquer um jamais imaginou. Essa imagem cativante transformou o campo da cosmologia, assim como a descoberta acidental dos fótons relíquia do big bang, o fundo cósmico de micro-ondas, na década de 1960.

Sempre que um novo instrumento abre uma nova janela de observação, cria um universo de possibilidades, diz Freedman. O JWST não é exceção. “Quase todos os campos da astronomia vão aprender coisas novas”, diz ela. “Depois haverá as descobertas que ninguém antecipa, e essas às vezes são as mais divertidas.”

Fonte: María Arias

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