Telescópio Espacial James Webb: O que acontecerá após a decolagem?

Quando o Telescópio Espacial James Webb for lançado no final do ano, será o maior, mais importante e mais complexo telescópio espacial já construído. Com mais de 20 anos de pesquisa e desenvolvimento para uma missão tão antecipada, quando teremos os primeiros dados e as primeiras imagens?

Ao contrário do que se possa pensar à primeira vista, não será imediatamente após o lançamento.

O telescópio vai decolar, dobrado na carenagem do Ariane 5. Levará 20 dias para se desdobrar e 30 dias para chegar ao seu destino a 1,5 milhão de quilômetros da Terra (para efeito de comparação, Hubble está a apenas 550 quilômetros da Terra), de onde poderá fazer observações científicas em um domínio de comprimento de onda que é mais difícil de acessar de outra forma: o infravermelho.

O lançamento do JWST, ou “Webb” abreviadamente, marca o início de uma fase crucial para as observações científicas, conhecida como “comissionamento” ou “receita em vôo”. Durante seis meses, todos os subsistemas que compõem o telescópio serão iniciados e testados; incluindo, claro, os quatro instrumentos científicos, incluindo "MIRI" (para Instrumento infravermelho médio) para o qual a França contribuiu.

Fases de implantação e teste: um balé espacial milimetrado

A primeira fase começa 31 minutos após o lançamento. É o “desdobramento”: primeiro o da antena de comunicação; então, 3 dias após o lançamento, conforme o telescópio cruza a lua, o resto da implantação começa. Por 12 dias, o observatório lentamente mudará de sua configuração dobrada para caber na carenagem do Ariane 5 em sua forma desdobrada.

A implantação do Telescópio Espacial James Webb (JWST).

Os painéis solares e o escudo térmico fazem a bola rolar - no caso do escudo, o processo será implementado juntamente com outras implantações. Em seguida, o observatório deslizará ao longo da torre que o conecta ao escudo térmico e ao resto do telescópio. O estabilizador e os radiadores do instrumento, colocados atrás do escudo térmico, por sua vez, serão colocados no lugar. Eles são usados ​​para evacuar o calor emitido pelos instrumentos.

Resfrie o telescópio para permitir que ele observe no infravermelho

Os quatro instrumentos JWST observam no infravermelho. Na Terra, é difícil observar nesses comprimentos de onda porque qualquer objeto emite radiação em função de sua temperatura : em temperaturas terrestres, a emissão máxima é no infravermelho. O telescópio e o espelho primário devem, portanto, ser resfriados para aumentar sua sensibilidade e evitar sinais espúrios de todo o observatório, que inclui o telescópio, instrumentos e subsistemas.

No caso do telescópio espacial, os instrumentos partem dos 300 K (25 ℃) terrestres para chegar a uma temperatura de 50 K (-225 ℃) na sombra do escudo térmico. No vácuo do espaço, o única maneira de ser "passivamente" legal é por “dissipação radiativa”: perdemos energia ao emitir fótons, mas não podemos contar com a convecção pelo ar… já que não há ar.

Paradoxalmente, embora o espaço seja muito frio, o vácuo implica que é difícil resfriar-se. Esta fase, portanto, leva tempo: quase quatro meses para se estabilizar totalmente.

Para os três instrumentos que observam o infravermelho próximo (entre 0,6 e 5 micrômetros), o resfriamento passivo a 50K é suficiente para atenuar as emissões do telescópio e permitir as observações.

Já para o instrumento MIRI, único instrumento a observar o infravermelho médio (entre 5 e 25 micrômetros), é necessário atingir uma temperatura ainda mais baixa de 7K (-266 ℃): a radiação térmica a 50K é muito grande no infravermelho e atrapalha as medições. Então, tivemos que adicionar resfriamento ativo com um "Criooler".

Comissionamento: uma fase de teste crucial

Os testes ocorrerão no espaço, desde os primeiros momentos após o lançamento até que chegue à sua órbita estável, em Lagrange ponto L2. Aqui, a atração gravitacional da Terra e do Sol é tal que o telescópio está sempre de costas para o Sol e para a Terra, facilitando o resfriamento do telescópio e de seus instrumentos.

Os testes são controlados remotamente a partir do centro de controle no Instituto de Ciência do Telescópio Espacial em Baltimore, nos Estados Unidos. Lá, noite e dia durante seis meses, as equipes se revezarão, duas pessoas por subsistema para cerca de cinquenta subsistemas, por exemplo rastreando a órbita ou se comunicando com a Terra.

O centro de controle da Estação Espacial Internacional. No caso do Telescópio Espacial James Webb, há várias salas devido ao número de operadores e às restrições relacionadas ao Covid-19. Os nomes dos subsistemas aparecem acima dos computadores.
CCicalês (WMF), Wikipedia, CC BY-SA

Claro, muitos testes já foram realizados na Terra, na maior câmara de testes do mundo que simula as condições do vácuo no espaço, em Houston, nos Estados Unidos. No entanto, esses testes diziam respeito apenas aos espelhos e instrumentos, mas não às partes maiores: mesmo a maior câmara de teste do mundo é incapaz de acomodar o JWST desdobrado ... o escudo térmico sozinho tem o tamanho de uma quadra de tênis.

Além disso, os testes de solo foram otimizados para testar a óptica, mas não o suficiente para se preparar para observações científicas. Testes específicos adicionais devem ser realizados no espaço para calibrar os instrumentos, observando fontes já conhecidas (observadas com outros instrumentos antes).

O Telescópio Espacial James Webb entra na Sala A do Johnson Space Center em Houston, 21 de junho de 2017.
NASA / Chris Gunn

A fase de aceitação em vôo é, portanto, o culminar de três anos de preparação, planejamento e treinamento para selecionar as melhores observações e preparar o software de análise que será usado para detectar e caracterizar quaisquer problemas.

O tempo também é um fator importante, pois seis meses de preparação antes da aquisição de dados, para uma missão com uma duração nominal de cinco anos, é uma fração considerável. Tudo foi feito para que esse tempo fosse o mais curto possível.

Cronologia

Em detalhe: 15 dias após o lançamento, e por um período de 25 dias, os vários sistemas serão iniciados e testados para garantir que tudo funciona normalmente. Ao mesmo tempo, o observatório alcançará sua órbita final em torno do ponto L2 de Lagrange 30 dias após o lançamento.

Sequência cronológica dos primeiros 6 meses de vida do JWST.
Dan Dicken e Christophe Cossou, Fornecido pelo autor

40 dias após o lançamento e por 80 dias, o espelho será testado e alinhado. Paralelamente, será realizada a primeira parte da calibração do instrumento, chamada calibração interna (ou seja, usando lâmpadas internas e sem olhar para o céu). Esses testes já foram realizados no solo, mas devem ser refeitos no espaço, em particular para ver se o ambiente espacial e o perfil térmico do telescópio são os esperados.

120 dias após o lançamento e por 60 dias até o final do comissionamento (seis meses após o lançamento) são realizadas as calibrações externas dos instrumentos. Estas serão as primeiras imagens do céu tiradas com instrumentos científicos. Todos os instrumentos em seus diferentes modos de observação serão testados, para garantir que estejam prontos para a ciência.

As primeiras observações

De 155 dias após o lançamento até o final do comissionamento, algumas observações serão feitas (Observações de liberação antecipada): depois de processadas, essas serão as primeiras imagens disponíveis para pesquisadores e para o público em geral que ilustrarão as possibilidades do Telescópio Espacial James Webb. Por enquanto, as equipes de instrumentos ainda não sabem o que será observado.

Então, por volta de junho de 2022, quando os testes forem concluídos e for hora de passar para a fase operacional, todos os dados acumulados durante as fases de teste serão tornados públicos e acessíveis: pesquisadores do mundo todo poderão examiná-los. fechar e preparar-se para a exploração de seus futuros dados científicos.

Christophe Cossou, Engenheiro CEA, desenvolvedor do instrumento JWST / MIRI do Laboratório de Astrofísica, instrumentação, modelagem do CEA / CNRS, Universidade de Paris; dan dicken, Cientista do Projeto, Universidade Paris-Saclay et Pierre-Olivier Lagage, Pesquisador do CEA no Laboratório de Astrofísica, instrumentação, modelagem do CEA, CNRS, Universidade de Paris

Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob licença Creative Commons. Leia oartigo original.

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