Alguns chamaram o Telescópio Espacial James Webb da NASA de "telescópio que comeu a astronomia". É o telescópio espacial mais poderoso já construído e uma peça complexa de origami mecânico que ultrapassou os limites da engenharia humana. Em 18 de dezembro, 2021, após anos de atrasos e bilhões de dólares em estouros de custos, o telescópio está programado para entrar em órbita e inaugurar a próxima era da astronomia.

Sou um astrônomo com especialidade em cosmologia observacional - estudo galáxias distantes há 30 anos. Algumas das maiores perguntas não respondidas sobre o universo estão relacionadas aos primeiros anos logo após o Big Bang. Quando as primeiras estrelas e galáxias se formaram? O que veio primeiro, e porque? Estou incrivelmente entusiasmado que os astrônomos possam em breve descobrir a história de como as galáxias começaram, porque James Webb foi construído especificamente para responder a essas mesmas perguntas.

A 'Idade das Trevas' do universo

Excelente evidência mostra que o universo começou com um evento chamado Big Bang 13,8 bilhões de anos atrás, o que o deixou em um ultra-quente, estado ultra-denso. O universo começou a se expandir imediatamente após o Big Bang, esfriando enquanto o fazia. Um segundo depois do Big Bang, o universo tinha cem trilhões de milhas de diâmetro, com uma temperatura média de incríveis 18 bilhões F (10 bilhões C). Cerca de 400, 000 anos após o Big Bang, o universo tinha 10 milhões de anos-luz de diâmetro e a temperatura havia esfriado para 5, 500 F (3, 000 C). Se alguém estivesse lá para ver neste momento, o universo estaria brilhando em um vermelho opaco como uma lâmpada de calor gigante.

Ao longo desse tempo, o espaço foi preenchido com uma sopa suave de partículas de alta energia, radiação, hidrogênio e hélio. Não havia estrutura. À medida que o universo em expansão se tornava maior e mais frio, a sopa foi ralo e tudo escureceu. Este foi o início do que os astrônomos chamam de Idade das Trevas do universo.

A sopa da Idade Média não era perfeitamente uniforme e devido à gravidade, pequenas áreas de gás começaram a se aglomerar e tornar-se mais densas. O universo liso tornou-se irregular e esses pequenos aglomerados de gás mais denso foram as sementes para a eventual formação de estrelas, galáxias e tudo o mais no universo.

Embora não houvesse nada para ver, a Idade das Trevas foi uma fase importante na evolução do universo.

Procurando pela primeira luz

A Idade das Trevas terminou quando a gravidade formou as primeiras estrelas e galáxias que eventualmente começaram a emitir a primeira luz. Embora os astrônomos não saibam quando a primeira luz aconteceu, o melhor palpite é que isso ocorreu várias centenas de milhões de anos após o Big Bang. Os astrônomos também não sabem se as estrelas ou galáxias se formaram primeiro.

As teorias atuais baseadas em como a gravidade forma a estrutura em um universo dominado pela matéria escura sugerem que pequenos objetos - como estrelas e aglomerados de estrelas - provavelmente se formaram primeiro e depois se transformaram em galáxias anãs e depois em galáxias maiores, como a Via Láctea. Essas primeiras estrelas do universo eram objetos extremos em comparação com as estrelas de hoje. Eles eram um milhão de vezes mais brilhantes, mas viveram vidas muito curtas. Eles queimavam quentes e brilhantes e quando morriam, eles deixaram para trás buracos negros com até cem vezes a massa do Sol, que pode ter agido como as sementes para a formação de galáxias.

Os astrônomos adorariam estudar esta era fascinante e importante do universo, mas detectar a primeira luz é incrivelmente desafiador. Comparado ao maciço, galáxias brilhantes de hoje, os primeiros objetos eram muito pequenos e devido à constante expansão do universo, eles estão agora a dezenas de bilhões de anos-luz de distância da Terra. Também, as primeiras estrelas foram cercadas por gás que sobrou de sua formação e esse gás agiu como uma névoa que absorveu a maior parte da luz. Demorou várias centenas de milhões de anos para a radiação dissipar a névoa. Esta luz inicial é muito fraca quando chega à Terra.

Mas este não é o único desafio.

À medida que o universo se expande, ele continuamente estende o comprimento de onda da luz que viaja através dele. Isso é chamado de desvio para o vermelho porque muda a luz de comprimentos de onda mais curtos - como luz azul ou branca - para comprimentos de onda mais longos, como luz vermelha ou infravermelha. Embora não seja uma analogia perfeita, é semelhante a como quando um carro passa por você, o tom de todos os sons que ele está produzindo cai notavelmente.

No momento em que a luz emitida por uma estrela ou galáxia primitiva, 13 bilhões de anos atrás, atinge qualquer telescópio na Terra, foi esticado por um fator de 10 pela expansão do universo. Chega como luz infravermelha, o que significa que tem um comprimento de onda maior do que o da luz vermelha. Para ver a primeira luz, você tem que procurar luz infravermelha.

Telescópio como máquina do tempo

Digite o Telescópio Espacial James Webb.

Os telescópios são como máquinas do tempo. Se um objeto for 10, 000 anos-luz de distância, isso significa que a luz leva 10, 000 anos para chegar à Terra. Quanto mais longe no espaço os astrônomos olham, quanto mais para trás no tempo estamos olhando.

Os engenheiros otimizaram James Webb para detectar especificamente a fraca luz infravermelha das primeiras estrelas ou galáxias. Comparado ao Telescópio Espacial Hubble, James Webb tem um campo de visão 15 vezes mais amplo em sua câmera, coleta seis vezes mais luz e seus sensores são ajustados para serem mais sensíveis à luz infravermelha.

A estratégia será olhar profundamente para um pedaço do céu por um longo tempo, coletando tanta luz e informação das galáxias mais distantes e mais antigas quanto possível. Com esses dados, pode ser possível responder quando e como a Idade das Trevas terminou, mas existem muitas outras descobertas importantes a serem feitas. Por exemplo, desvendar essa história também pode ajudar a explicar a natureza da matéria escura, a forma misteriosa de matéria que compõe cerca de 80% da massa do universo.

James Webb é a missão tecnicamente mais difícil que a NASA já tentou. Mas acho que as questões científicas que ele pode ajudar a responder valerão cada grama de esforço. Eu e outros astrônomos aguardamos com entusiasmo que os dados comecem a aparecer em 2022.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.