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Já temos a primeira imagem do universo fornecida pelo Telescópio Espacial James Webb (JWST, na sigla em inglês), e ela mostra oito pontas.

Trata-se da imagem mais profunda do universo primitivo na faixa do infravermelho, obtida em 7 de junho de 2022, após doze horas e meia de exposição.

No primeiro plano, vemos as galáxias do aglomerado SMACS 0723, localizado a 4,2 bilhões de anos-luz de distância. Também vemos formas distorcidas de galáxias mais distantes (e até agora desconhecidas) logo atrás do aglomerado, cuja luz foi desviada pelas lentes gravitacionais do SMACS 0723.

Diante de uma imagem tão inédita, podemos nos fazer as seguintes perguntas: como James Webb é capaz de obter tais imagens? Por que uma imagem de estrela de oito pontas é registrada ao visualizar um objeto como uma estrela?

Vamos responder a essas perguntas abordando em detalhes a ótica deste incrível telescópio espacial.

Os instrumentos ópticos do James Webb

A formação de uma imagem pode ser entendida como um processo simples no qual a luz que vem de um objeto é projetada em um plano.

Para fazer a correspondência entre o objeto e o plano, é necessário um sistema óptico, que, no caso dos telescópios mais simples, é composto por dois elementos: ocular e objetiva. Sua finalidade é permitir uma focalização correta do objeto.

No caso da imagem digital (como as que fazemos com nossos celulares), essa luz é captada por um sensor cujo objetivo é transformar a energia luminosa em uma imagem digital. Geralmente, distinguimos entre sensores tradicionais baseados em dispositivos de carga acoplada (CCD, na sigla em inglês) e os formados por semicondutores de óxido metálico (CMOS).

Nesse sentido, o Telescópio Espacial James Webb incorpora quatro instrumentos-chave baseados em sensores ópticos para observar o cosmos no infravermelho:

1. MIRI (instrumento para observação de infravermelho médio): abrange uma faixa de comprimento de onda de cinco a 28 mícrons. Permitirá a observação de galáxias distantes e estrelas em formação.

2. NIRCam (câmera de observação de infravermelho próximo): esta câmera permitirá a observação dos objetos mais distantes no espaço, na faixa de espectro de 0,6 a 5 mícrons.

3. NIRSpec (espectrômetro de infravermelho próximo): é o único instrumento que não contém uma câmera e será capaz de analisar os diferentes comprimentos de onda de fontes de emissão muito distantes. Você pode observar 100 objetos ao mesmo tempo.

4. FGS/NIRISS (sensores de alinhamento e imagens de infravermelho próximo): permitirá que o telescópio seja alinhado corretamente para obter imagens de alta qualidade, especialmente a detecção e caracterização de exoplanetas na faixa de 0,8 a 5 mícrons.

A resposta está na difração

Quando o James Webb registra a imagem de uma estrela, a difração da luz (devido à geometria hexagonal do espelho primário do telescópio) é a causa de um padrão típico em forma de “estrela de oito pontas”.

Mas em que consiste exatamente esse fenômeno óptico de difração?

A definição é simples, embora seu tratamento matemático possa ser bastante complexo. A difração é o desvio na propagação retilínea das ondas (no nosso caso, ondas de luz) quando passam por uma abertura ou pelas bordas de um obstáculo.

Como exemplo geral, nesta animação você pode ver como as oscilações da água (vindas da direita) são difratadas por uma pequena abertura, mudando sua direção de propagação.

Este fenômeno é mais evidente quando as dimensões do objeto difratado são menores ou iguais ao comprimento de onda das oscilações.

Inicialmente observada e descrita no século 17 pelo astrônomo italiano Francesco María Grimaldi, a difração da luz é uma clara manifestação da teoria ondulatória das ondas luminosas defendida, entre outros, por Christian Huygens, Thomas Young e Agustin Fresnel (em oposição à teoria corpuscular da luz de Isaac Newton).

Na vida cotidiana, muitos fenômenos de difração podem ser observados: se olharmos para um poste à noite através de um mosquiteiro (formado por uma malha quadrada), podemos ver uma espécie de cruz. Quando iluminamos um disco compacto com luz branca, apreciamos uma ampla gama de cores.

A difração não depende apenas do tamanho da abertura ou obstáculo de difração, mas também tem uma influência significativa da geometria. No caso de um telescópio espacial do tipo refletor, a maior carga difrativa é devida ao espelho primário.

Nesses espelhos de geometria circular, o padrão difrativo consiste em uma série de círculos concêntricos, sendo o central o de máxima intensidade (também chamado de “disco de Airy”).

Para geometrias quadradas, a imagem de difração é formada por uma cruz. No caso em questão, a geometria hexagonal do espelho primário do telescópio gera uma imagem de difração de estrela de seis pontas.

O que acontece então com a imagem estrelada de oito pontas gravada pelo James Webb?

A chave está nos suportes do espelho primário (struts, em inglês) que também contribuem para a difração do telescópio. Como consequência, dois pontos horizontais aparecem cruzando os 6 mencionados anteriormente.

Por isso, as imagens estelares registradas por seu antecessor, o Telescópio Espacial Hubble (com um espelho primário quase circular), apresentam imagens estreladas com quatro pontos (levando em conta sua geometria e seus suportes) e não oito, como o James Webb.

Relevância dessas novas imagens

Observar o universo mais profundo equivale a estudar o universo mais antigo e primitivo, exatamente quando as primeiras galáxias estavam se formando.

Não é apenas o fato de que olhando para a imagem do aglomerado de galáxias SMACS 0723 encontramos galáxias novas e desconhecidas – estamos entrando nos primeiros momentos do universo.

A luz infravermelha detectada pelo James Webb levou 13 bilhões de anos para alcançá-lo (a idade do universo é de cerca de 13,7 bilhões de anos).

Sabe-se que os cientistas da NASA que tiveram acesso a essas primeiras imagens se emocionaram com a qualidade e beleza delas. Será apenas um primeiro passo no progresso da observação do cosmos.

Sem dúvida, as próximas capturas de James Webb continuarão a nos emocionar, pelo menos tanto quanto a primeira.

*Este artigo foi publicado originalmente no The Conversation. Você pode ler a versão original (em espanhol) aqui.

Oscar del Barco Novillo é professor associado na área de Óptica da Universidade de Múrcia (Espanha).

Francisco Javier Ávila Gómez é professor assistente, doutor em física aplicada (área de óptica) na Universidade de Zaragoza (Espanha).

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