Nos últimos anos, cada vez mais pessoas começaram a celebrar o Ano Novo de uma forma elegante, e "assistir às exposições durante o Festival da Primavera" e "celebrar o Ano Novo com arte" tornaram-se uma nova tendência. Por exemplo, durante o Festival da Primavera de 2023, muitos cidadãos e turistas de Xangai visitaram a exposição especial "Elfo Coelho de Jade" para dar as boas-vindas ao Festival da Primavera do Ano do Coelho, realizado no Museu de Xangai. O Festival da Primavera de 2024 está cada vez mais próximo. Se você está planejando ver a exposição, você sabia que existe uma magnífica “exposição de arte” de nebulosa no espaço distante, a centenas de anos-luz de distância, no universo?
Quem tem tanta capacidade de nos mostrar uma “exposição de arte” dessas? É o famoso "Telescópio Espacial James Webb".
01 Sucessor do Hubble: James·telescópio espacial webb
O Telescópio Espacial James Webb (JWST, doravante denominado Telescópio Webb) é uma colaboração entre a NASA, a Agência Espacial Europeia (ESA) e a Agência Espacial Canadense (CSA). Como sucessor do Telescópio Espacial Hubble, é atualmente o telescópio astronômico mais complexo e caro do mundo; equipado com quatro instrumentos científicos:Câmera de infravermelho próximo (NIRCam), espectrômetro de infravermelho próximo (NIRSpec), instrumento de infravermelho médio (MIRI), sensor de orientação fina/imager de infravermelho próximo e espectrômetro contínuo (FGS/NIRISS). Como pode ser visto pelos nomes desses instrumentos, ao contrário do Telescópio Hubble,O telescópio Webb observa principalmente bandas infravermelhas(Ver Figura 1),Comprimentos de onda maiores que a faixa de luz visível vista pelo olho humano. Suas principais tarefas incluemProcure as galáxias de primeira geração formadas após o Big Bang, estude a evolução das galáxias, observe o processo de nascimento de estrelas e sistemas planetários e meça a composição química de planetas e exoplanetas no sistema solar para explorar a possibilidade de vida neles..
Figura 1. Bandas de observação do Telescópio Espacial Hubble e Webb (Fonte da imagem: webbspacetelescopemediakit/NASA)
O poderoso espelho primário do Telescópio Webb (6,5 metros de diâmetro) pode fornecer resolução e sensibilidade sem precedentes. As pessoas esperam que isso nos apresente uma imagem mais clara e magnífica do universo. Em julho de 2022, foi divulgado o primeiro lote de imagens científicas do Telescópio Webb, que incluía uma nebulosa cheia de gás e poeira - a Nebulosa Carina (canto superior direito na Figura 2). Foi considerada por muitos internautas a mais bela do primeiro lote de imagens científicas. O autor o usou como papel de parede do meu computador. Em julho de 2023, para comemorar o primeiro aniversário da operação científica, o Telescópio Webb divulgou uma imagem impressionante de uma nebulosa – a nuvem Rho Ophiuchi (Figura 3). Esta imagem lembra uma pintura impressionista e foi selecionada pela revista Nature como uma das dez melhores imagens científicas em 2023. O Telescópio Webb é como o Monet no espaço, mostrando vividamente a beleza da luz e da sombra no universo.
Figura 2. Primeiras imagens científicas divulgadas pelo Telescópio Webb. No canto superior esquerdo: a Nebulosa do Anel Sul em duas faixas infravermelhas; canto superior direito: um canto da Nebulosa Carina (NGC 3324); canto inferior esquerdo: Quinteto de Stephen; canto inferior direito: aglomerado de galáxias SMACS0723. (Fotos da NASA, ESA, CSA e STScI)
Figura 3. Um canto da Nebulosa Ophiuchus capturado pelo Telescópio Webb. A deslumbrante explosão estelar de seis pontas de cada estrela se deve à construção dos espelhos primário e secundário do Telescópio Webb. (Fotos da NASA, ESA, CSA, STScI, Klaus Pontoppidan (STScI), Alyssa Pagan (STScI))
02 A magnífica nebulosa: o berço do nascimento das estrelas
A Nebulosa Carina e a Nebulosa Ophiuchus capturadas pelo Telescópio Webb são ambas regiões de formação estelar – isto é, onde as estrelas nascem.Observar estas regiões do céu é um dos principais objetivos científicos do Telescópio Webb e espera-se que nos revele os segredos do nascimento das estrelas.. A Nebulosa Ophiuchus é a região de formação estelar mais próxima de nós, a cerca de 390 anos-luz de distância. Os astrônomos acreditam queUma enorme nuvem molecular entrará em colapso em milhares ou mesmo milhões de estrelas. Essas nuvens moleculares são regiões de formação de estrelas. Eles são compostos principalmente por cerca de 70% de hidrogênio, 28% de hélio e uma pequena quantidade de outros elementos.. A escala típica das nuvens moleculares é de dezenas a centenas de anos-luz, a massa é de dezenas de milhares a milhões de massas solares e a temperatura é muito baixa, cerca de 250 graus Celsius negativos. Essas nuvens moleculares não são um todo uniforme e possuem muitas estruturas complexas em seu interior. O colapso das nuvens moleculares requer instabilidades gravitacionais, que juntamente com os efeitos da turbulência, rotação e campos magnéticos, determinam a distribuição espacial e de massa dos aglomerados de nuvens moleculares, que são as regiões onde se formam estrelas e aglomerados de estrelas.Muitos aglomerados ou subaglomerados de nuvens moleculares entrarão em colapso juntos, então as estrelas nascem em grupos., como irmãos e irmãs de uma grande família, espalhados por todos os lados com o passar do tempo.Astrônomos estimam que nosso Sol tenha milhares de irmãos.
O colapso do aglomerado de nuvens moleculares aumenta gradualmente a temperatura do centro, formando um objeto chamado protoestrela. Esta protoestrela ainda não iniciou a fusão nuclear porque a temperatura central não é alta o suficiente para sustentar as reações nucleares. A protoestrela dependerá da gravidade para acumular o gás circundante para formar um disco de acreção (ver Figura 4).À medida que a massa da protoestrela continua a aumentar, a temperatura e a pressão internas aumentam gradualmente, atingindo eventualmente um nível suficiente para iniciar a fusão nuclear e tornar-se uma estrela.. Quanto maior a massa, menor será o tempo necessário para esse processo.Para uma estrela com massa solar, isso equivale a cerca de 50 milhões de anos, uma infância muito curta em comparação com a vida útil de 10 mil milhões de anos do Sol.. Quando a acreção da protoestrela terminar ou estiver prestes a terminar, o gás e a poeira restantes no disco de acreção colidirão e se reunirão para formar um núcleo, agregando o gás e a poeira circundantes e, eventualmente, formando um planeta ao redor da estrela.
Figura 4. Vinte protoestrelas diferentes e seus discos de acreção. (Fotos do ALMA(ESO/NAOJ/NRAO), S.Andrewsetal.;NRAO/AUI/NSF, S.Dagnello)
Durante décadas, os astrónomos compreenderam gradualmente o processo geral de como as nebulosas de gás interestelar colapsam em estrelas e nos planetas circundantes, mas ainda existem muitos detalhes pouco claros e muitas questões por resolver. As respostas a estas perguntas podem lançar luz sobre as origens do sistema solar e até mesmo sobre as origens da vida. Portanto, o Telescópio Webb considera a observação do processo de formação estelar um dos seus principais objetivos científicos.
03O esplêndido e colorido berço estelar,Como diabos foi fotografado?
As regiões de formação estelar estão cheias de poeira, que bloqueia a luz (pense na neblina), tornando impossível ver os detalhes dentro da região de formação estelar e das estrelas em formação.A luz infravermelha pode penetrar nesta poeira, que é a banda de observação do Telescópio Webb.Portanto, comparado ao Telescópio Hubble, o Telescópio Webb não só possui detalhes mais claros (alta resolução) também pode ver com mais clareza (ver objetos celestes obscurecidos pela poeira). O lado esquerdo da Figura 5 são os famosos “Pilares da Criação” (uma pequena parte da Nebulosa da Águia) fotografados pelo Hubble. Esses pilares marrons escuros que jorram são poeira. A imagem à direita é a mesma área fotografada pelo Telescópio Webb. Pode-se ver que a foto de Webb é significativamente mais transparente, e muitas áreas e estrelas obscurecidas pela poeira são reveladas na foto do Hubble.
Figura 5. Parte da Nebulosa da Águia capturada pelos telescópios Hubble (esquerda) e Webb (direita). (Fotos da NASA, ESA, CSA, STScI; Joseph DePasquale (STScI), Anton M. Koekemoer (STScI), Alyssa Pagan (STScI).)
Nossos olhos humanos não conseguem ver a luz infravermelha, então por que podemos ver tantas fotos coloridas tiradas por Webb?na verdade,Todas as cores que normalmente vemos podem ser sintetizadas usando várias cores básicas, por exemplo, vários dispositivos de exibição e câmeras digitais usam as três cores primárias: vermelho, verde e azul para sintetizar outras cores; as impressoras usam ciano, vermelho e amarelo para sintetizar várias imagens coloridas.A cor nas observações astronômicas na verdade corresponde a uma banda muito estreita, e uma cor pode ser vista observando-se em uma banda, por exemplo, você pode ver um mundo vermelho com lentes vermelhas, o que equivale apenas à luz vermelha passando pelas lentes. Este tipo de lente é chamado em astronomiafiltro.
Para a Nebulosa Ophiuchus observada por Webb (Figura 3), utilizacâmera infravermelha próximaFotografado, usado no totalCinco tipos de filtrosTire as fotos separadamente e, em seguida, atribua a cada imagem uma cor visível ao olho humano e, finalmente, sintetize as lindas nebulosas "coloridas" que vemos, entre as quais:
O filtro F187N (comprimento de onda central 1,874 mícrons) é designado em azul
O filtro F200W (1.990 mícron) é azul claro
O filtro F335W (3,365 mícron) é ciano
O filtro F444W (4,421 mícrons) é amarelo
O filtro F470N (4.707 mícrons) é vermelho
O comprimento de onda do filtro aumenta em sequência e o comprimento de onda da cor especificada também aumenta em sequência..
A região da Nebulosa Ophiuchus fotografada na Figura 3 contém cerca de 50 estrelas recém-nascidas, a maioria das quais são semelhantes em tamanho ao nosso Sol.Nosso sistema solar pode ter nascido nessa nebulosa há 4,5 bilhões de anos. Há uma estrela brilhante no centro da estrutura, como uma caverna de estalactites no canto inferior esquerdo. Esta é a única estrela nesta área que é muito maior que o sol. Esta jovem estrela não consegue conter seu entusiasmo interior e libera luz resplandecente e vento estelar. Como facas de trinchar, ela está esculpindo a parede (poeira) da nebulosa e lentamente a erodindo, formando o que vemos. Este vazio também é preenchido com um leve gás semelhante a uma névoa ciano - hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs), que são um tipo de compostos orgânicos de hidrocarbonetos muito comuns no meio interestelar, e suas características de radiação são de cerca de 3,3 mícrons. A estrutura vermelha semelhante a uma estalagmite no canto superior direito é uma estrela recém-nascida rompendo o envelope externo, produzindo jatos em direções opostas, como um bebê recém-nascido esticando os braços pela primeira vez. A cor vermelha é a radiação do hidrogênio molecular porque tem uma assinatura de radiação próxima a 4.693 mícrons. Há uma área escura aproximadamente triangular na área central, indicando que a poeira espessa bloqueia até mesmo a luz infravermelha.
A vastidão do universo não apenas deleita os nossos olhos por causa de sua magnificência e brilho, mas também nos permite adquirir o verdadeiro conhecimento por causa de seus mistérios ocultos. Explorar continuamente o universo significa explorar a si mesmo, e estar sempre maravilhado com o universo significa estar maravilhado com si mesmo!
Referências:
https://www.nature.com/immersive/d41586-023-03872-z/index.html
https://webbtelescope.org/news/webb-science-writers-guide/science-with-webb
https://webbtelescope.org/contents/news-releases/2023/news-2023-128
Autor: Yan Zhen, pesquisador do Observatório de Xangai, Academia Chinesa de Ciências
Produzido por: Popular Science China
Produtor: China Science and Technology Press Co., Ltd., China Science and Technology (Pequim) Digital Media Co., Ltd.