John Mather, da NASA, continua a redefinir nossa compreensão do universo

O espaço não é difícil apenas por causa da ciência dos foguetes. A tarefa de passar a missão da NASA do desenvolvimento e financiamento para a construção e lançamento – tudo antes de usarmos o objeto para fins científicos – pode durar décadas. Toda a sua carreira foi dedicada à colocação de um único satélite no espaço. John Mather, físico da NASA ganhador do Prêmio Nobel, já ajudou a enviar dois.

Em seu novo livro, Dentro da Fábrica de Estrelas: A Construção do Telescópio Espacial James Webb, o maior e mais poderoso observatório espacial da NASA, O autor Christopher Wanjek e o fotógrafo Chris Gunn levam os leitores a um tour pelos bastidores da jornada do Telescópio Espacial James Webb, desde o início até a órbita. Exames têxteis da tecnologia de imagem radical que nos permite aprofundar mais do que nunca o universo primitivo, com perfis de investigadores, consultores, gestores, engenheiros e técnicos que tornaram isso possível ao longo de três décadas de esforços. No trecho desta semana de Writing, uma olhada no cientista do projeto JWST, John Mather, e sua improvável jornada da zona rural de Nova Jersey até a NASA.

Adaptado de “Dentro da Fábrica de Estrelas: A Construção do Telescópio Espacial James Webb, o maior e mais poderoso observatório espacial da NASACopyright © 2023 de Chris Gunn e Christopher Wanjek. Usado com permissão do editor, MIT Press.

John Mather, cientista do projeto

– Mão firme no controle

John Mather é um homem paciente. Demorou trinta anos para ele receber o Prêmio Nobel de Física de 2006. Esse prémio, para a prova definitiva do Big Bang, baseou-se numa máquina do tamanho de um autocarro chamada COBE, outra missão da NASA que quase nunca aconteceu. Projeto dramático? Eu estava lá. Você está enfrentando atrasos inesperados? Eu fiz isso. A seleção de Mather pela NASA como cientista do projeto JWST foi puro insight.

Tal como Webb, o COBE – o Cosmic Background Explorer – pretendia ser uma máquina do tempo para revelar um instantâneo do universo primitivo. A era alvo ocorreu apenas 370 mil anos após o Big Bang, quando o universo ainda era uma névoa de partículas elementares sem nenhuma estrutura discernível. Isso é chamado de Época da Recombinação, quando o universo quente esfria a um ponto que permite que os prótons se liguem aos elétrons para formar os primeiros átomos, principalmente hidrogênio com uma pitada de hélio e lítio. À medida que os átomos se formaram, a névoa se dissipou e o universo ficou claro. A luz penetrou. Esta luz antiga, do próprio Big Bang, está connosco hoje como um remanescente da radiação de micro-ondas chamada radiação cósmica de fundo em micro-ondas.

Alto, mas nunca imponente, exigente, mas nunca mau, Mather é um estudo de contrastes. Ele passou a infância a apenas um quilômetro da Trilha dos Apalaches, na zona rural do condado de Sussex, Nova Jersey, onde seus amigos estavam ocupados com assuntos mundanos, como tarefas agrícolas. No entanto, Mather, cujo pai era especialista em pecuária e estatística, estava mais interessado em ciências e matemática. Aos seis anos, ele compreendeu o conceito de infinito quando preencheu uma página de seu caderno com um número muito grande e percebeu que poderia continuar para sempre. Ele se abasteceu de livros de uma biblioteca móvel que visitava as fazendas a cada duas semanas. Seu pai trabalhava na Estação Experimental Agrícola da Universidade Rutgers e tinha um laboratório na fazenda com equipamento de radioisótopos para estudar o metabolismo e tanques de nitrogênio líquido com sêmen de touro congelado. Seu pai também foi um dos primeiros usuários de computadores na área, por volta de 1960, mantendo registros da produção de leite de 10 mil vacas em cartões perfurados IBM. Sua mãe, professora do ensino fundamental, também era bastante educada e despertou o interesse do jovem John pela ciência.

Em última análise, a oportunidade de um clima quente durante todo o ano levou Mather, em 1968, à Universidade da Califórnia, Berkeley, para estudos de pós-graduação em física. Ele teria se juntado a uma multidão de pessoas fascinadas pela recém-descoberta radiação cósmica de fundo em micro-ondas, descoberta por acaso em 1965 pelos radioastrônomos Arno Penzias e Robert Wilson. Seu orientador de tese planejou um experimento com balão para medir o espectro, ou cor, dessa radiação para ver se ela realmente veio do Big Bang. (É.) A próxima coisa óbvia é mapear esta luz para ver, como sugeria a teoria, se a temperatura muda ligeiramente no céu. Anos mais tarde, foi isto que ele e a equipa do COBE descobriram: anisotropia, uma distribuição desigual de energia. Estas pequenas flutuações de temperatura indicam flutuações na densidade da matéria, suficientes para deter a expansão, pelo menos localmente. Através da influência da gravidade, a matéria irá acumular-se em lagos cósmicos para formar estrelas e galáxias centenas de milhões de anos mais tarde. Em essência, Mather e sua equipe capturaram um projeto de áudio do universo nascente.

No entanto, a missão do COBE, tal como a de Webb, sofreu reveses. Mather e a equipe propuseram o conceito da missão (pela segunda vez) em 1976. A NASA aceitou a proposta, mas naquele ano anunciou que este satélite e muitos outros a partir de então seriam colocados em órbita pelo ônibus espacial, que ainda era Correndo. Em desenvolvimento. A história revelará a loucura de tal plano. Mather entendeu imediatamente. Isso ligou o projeto do COBE ao compartimento de carga do ônibus espacial não construído. Os engenheiros precisarão atender aos requisitos exatos de massa e volume de um navio que ainda não voou. Ainda mais problemático é que o COBE requer uma órbita polar, o que é difícil para o ônibus espacial entregar. A equipe do COBE foi então sobrecarregada com cortes orçamentários e compromissos no projeto do COBE como resultado de excessos de custos para outra missão científica espacial pioneira, o Satélite Astronômico Infravermelho, ou IRAS. No entanto, o trabalho árduo continuou para projetar instrumentos sensíveis o suficiente para detectar mudanças de temperatura que estão apenas alguns graus acima do zero absoluto, cerca de 270 graus Celsius negativos. De 1980 em diante, Mather esteve ocupado criando o COBE o dia todo, todos os dias. A equipe precisava economizar e tomar decisões arriscadas para permanecer dentro do orçamento. Foi relatado que o COBE foi lançado na missão do ônibus espacial STS-82-B em 1988 da Base Aérea de Vandenberg. Todas as junções estão chegando.

Então o ônibus espacial Challenger explodiu em 1986, matando todos os sete tripulantes. A NASA suspendeu os voos do ônibus espacial indefinidamente. O COBE, agora restrito às especificações do ônibus espacial, não conseguiu lançar nenhum outro sistema de foguete. O COBE era grande demais para um foguete Delta neste momento; Ironicamente, Mather tinha a Delta em mente em seu primeiro desenho em 1974. A equipe procurou na Europa um veículo de lançamento, mas essa não era uma opção para a NASA. Em vez disso, os gerentes de projeto lideraram um redesenho para reduzir centenas de libras, reduzindo a massa de lançamento para 5.000 libras, juntamente com o combustível, o que o colocaria dentro dos limites do delta em algumas libras. Ah, e McDonnell Douglas teve que construir o foguete Delta a partir de peças sobressalentes, depois de ter que descontinuar a série em favor do ônibus espacial.

A equipe trabalhou 24 horas por dia durante os dois anos seguintes. O desafio final do projeto foi… espere aí… o guarda-sol, que agora tinha que ser dobrado dentro do foguete e lançado uma vez em órbita, uma nova abordagem. O COBE recebeu luz verde para lançar a partir da Base Aérea de Vandenberg, na Califórnia, um local originalmente solicitado porque proporcionaria acesso mais fácil a uma órbita polar do que lançar um ônibus espacial da Flórida. O lançamento foi agendado para novembro de 1989. O COBE foi entregue vários meses antes.

Então, em 17 de outubro, o solo da Califórnia tremeu violentamente. Um terremoto de magnitude 6,9 ​​atingiu o condado de Santa Cruz, causando danos generalizados aos edifícios. Vandenberg, 320 quilômetros ao sul, sentiu o tremor. Felizmente, o COBE só foi instalado com segurança porque dois de seus engenheiros supervisores o protegeram naquele dia, antes de ir para o casamento. A máquina não sofreu danos e foi lançada com sucesso em 18 de novembro. Mais drama veio com ventos fortes no dia do lançamento. Inúmeras preocupações surgiram nas primeiras semanas de operação: o criostato esfriou muito rapidamente; A luz solar refletida no gelo da Antártida causou estragos no sistema energético. Elétrons e prótons presos nos cintos de Van Allen desabilitaram a eletrônica; E assim por diante.

Todos os atrasos, todo o drama, desapareceram numa memória distante para Mather quando os resultados do ensaio COBE chegaram. Pode levar quatro anos para coletar dados. Mas os resultados foram surpreendentes. O primeiro resultado veio semanas após o lançamento, quando Mather mostrou o espectro à Sociedade Astronômica Americana e foi aplaudido de pé. O Big Bang era uma teoria segura. Dois anos depois, numa reunião da American Physical Society em abril de 1992, a equipe mostrou seu primeiro mapa. Os dados correspondem exatamente à teoria. Este foi o brilho do Big Bang que revelou as sementes que cresceriam em estrelas e galáxias. O físico Stephen Hawking a descreveu como “a descoberta mais importante do século, senão de todos os tempos”.

Mather falou humildemente sobre esta descoberta no seu discurso de aceitação do Prémio Nobel em 2006, dando todo o crédito à sua brilhante equipa e colega George Smoot, com quem partilhou o prémio nesse ano. Mas ele não subestimou a importância da conquista. Ele observou que estava entusiasmado com o “reconhecimento mais amplo de que nosso trabalho era tão importante quanto as pessoas no mundo da astronomia profissional sabem há muito tempo”.

Mather mantém esse realismo hoje. Embora estivesse preocupado com atrasos, ameaças de cancelamento, custos excessivos e hostilidade não tão subtil na comunidade científica mais ampla sobre “o telescópio que comeu a astronomia”, ele não deixou que isso o consumisse a ele ou à sua equipa. “Não faz sentido tentar controlar os sentimentos das outras pessoas”, disse ele. “Muitos comentários da comunidade são: ‘Bem, se eu tivesse um centavo, eu o gastaria de forma diferente.'” Mas não é o níquel deles. A razão pela qual temos o níquel, em primeiro lugar, é porque a NASA enfrenta desafios incrivelmente grandes. Congresso concordou: “Enfrentamos grandes desafios. E grandes desafios não são gratuitos. Minha sensação é que a única razão pela qual existe um programa de astronomia na NASA para qualquer pessoa desfrutar – ou reclamar – é porque realizamos projetos incrivelmente difíceis. Nós avançamos para o limite do que é possível.”

Mather acrescentou que Webb não é nem um pouco melhor que o Telescópio Espacial Hubble; É cem vezes mais forte. No entanto, a sua maior preocupação ao projetar a missão não foram os instrumentos astronômicos avançados, mas sim o enorme escudo solar que teve que ser aberto. A redundância está incorporada em todas as ferramentas e todos os mecanismos de implantação; Existem duas ou mais maneiras de fazer isso funcionar se o método básico falhar. Mas este não é o único problema do protetor solar. Ou funciona ou não.

Agora Mather pode se concentrar totalmente na ciência a ser adquirida. Espere surpresas. Ele ficaria surpreso se não houvesse surpresas. “Quase tudo na astronomia é uma surpresa”, disse ele. “Quando você tiver um novo equipamento, terá uma surpresa.” Seu palpite é que Webb pode revelar algo estranho sobre o universo primitivo, talvez uma abundância de objetos de vida curta nunca antes vistos que diz algo sobre a energia escura, uma força misteriosa que parece estar acelerando a expansão do universo, ou um força igualmente misteriosa. Matéria escura. Ele também mal pode esperar que Webb direcione suas câmeras para Alpha Centauri, o sistema estelar mais próximo da Terra. E se existisse um planeta adequado para a vida? Supõe-se que Webb tenha a sensibilidade necessária para detectar quais moléculas, se houver, estão presentes em sua atmosfera.

“Isso seria ótimo”, disse Mather. Sugestões de vida no sistema estelar mais próximo? Sim, muito legal.