Blog CEIM

Autor: José Daniel Carrillo

Telescopio James Webb: Expandamos la Frontera Final

“El espacio, la frontera final. Estos son los viajes de la nave espacial Enterprise. Su continua misión: explorar extraños nuevos mundos, buscar nuevas formas de vida y nuevas civilizaciones, viajando temerariamente a donde nadie ha llegado antes”.

Créditos iniciales, Star Trek: The New Generation.

Cuando escuchamos este mensaje, siempre se nos viene a la mente la poderosa nave Enterprise, yendo a velocidad warp por todo el universo encontrándose con mil civilizaciones y viviendo las más increíbles aventuras. Sin embargo, una pregunta viene a la mente: ¿Cómo trazar una hoja de ruta en un lugar que de otro modo se tendría que explorar al tanteo? ¿Cómo conocer lo que yace más allá de nuestros sentidos? ¿Cómo ver lo que se encuentra “más allá” ? 

La respuesta está en partes, en este caso 4, la primera nos la dieron unos ópticos holandeses hace unos 413 años, y se llama telescopio. Hans Lippershey, Zacharias Janssen y Jacob Metius inventaron catalejos sencillos con dos lentes, que proporcionaban aumentos de 2x o 3x; ósea, de ver los objetos en cuestión si se vieran desde una posición 2 o 3 veces más cercana. De ahí que etimológicamente, se llame “telescopio”, por el griego de “ver lejos”.

Una segunda parte nos la brindaron enseguida aquellos que empezaron a usar el telescopio para ver hacia el cielo y desentrañar sus secretos, ocultos a la vista normal. Hombres y mujeres como Galileo Galilei, que confirmaba la visión heliocéntrica (Sol en el centro, no la Tierra) con sus hallazgos en la superficie de la Luna y el descubrimiento de las lunas de Júpiter; Giovanni Cassini y Christian Huygens con sus respectivos estudios sobre Saturno; William Herschel, descubridor de Urano y de sus satélites; o Clyde Tombaugh, descubridor de Plutón. Y esto sólo con el Sistema Solar y sus planetas, porque caben aquí descubrimientos de centenares de cometas, asteroides y demás cuerpos menores donde entran nombres como Edmond Halley, Caroline Herschel, Johann Encke, Maria Mitchell, Giuseppe Piazzi, entre muchos más. 

La tercera viene con aquellos que usando los descubrimientos ya hechos, combinando con su razonamiento y lo que entendían del universo, formulan toda clase de leyes, principios y conjeturas sobre el cosmos: Urbain LeVerrier, usando la matemática y las observaciones sobre Urano para predecir la existencia de Neptuno; Henrieta Leavitt, empleó las observaciones de las estrellas variables cefeidas y halló una relación período-luminosidad, importantísima para determinar su distancia; Ejnar Hertzsprung y Henry Rusell, creando los diagramas que llevan sus nombres y muestran los ciclos de vida de las estrellas según su luminosidad y temperatura; o Sir Arthur Eddington, que usó el avistamiento de un eclipse solar para confirmar la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, justamente originada por observaciones de Mercurio. De nuevo, son algunos ejemplos entre miles de genios. 

 
Y la última viene gracias al desarrollo tecnológico y aeroespacial, que permitió que cohetes situaran telescopios en órbita alrededor del planeta y evitaran los efectos de ver por debajo de la atmósfera. Dado que es una capa densa y llena de gases, la luz se desvía un poco al pasar por ella, de manera que las imágenes vistas desde tierra pueden ser más borrosas o difíciles de interpretar, efecto corregido con estos “telescopios espaciales”, cuyas imágenes y datos serían utilizadas por miles de científicos desentrañando los más grandes enigmas. Grandes obras de ingeniería como Spitzer, el telescopio infrarrojo; Chandra, el observatorio de rayos X; o Kepler, el satélite de exoplanetas. 

Pero entre todos, hay uno que siempre destacó como icónico en la cultura general, siendo el telescopio espacial más importante y famoso del mundo: El Telescopio Espacial Hubble. Este peso pesado de la astronomía lleva ya más de 31 años en funcionamiento, siendo que no tenía esa proyección originalmente. La potencia y precisión de sus dispositivos ha permitido que gocemos de las más increíbles imágenes del universo, y ha tenido ya varias misiones de servicio para repararlo y actualizarlo. A pesar de todo lo que nos ha dado durante este tiempo, no es ajeno al paso del tiempo y ya no es lo que era. Necesita ya un recambio, que pueda hacer más de lo que ha hecho el Hubble y pueda tener un enfoque distinto para complementar su labor, y poder averiguar más sobre temas como la formación de las primeras galaxias, su evolución, formación de estrellas y sistemas planetarios, estudio de los exoplanetas y sus condiciones físicas y químicas, incluso buscando biomarcadores o potencial vida en ellos.

Y es aquí donde entra nuestro personaje nuevo en cuestión, destinado a ser el nuevo gran telescopio espacial de la humanidad. Amigos, entrando por la puerta grande, recibimos al Telescopio Espacial James Webb. 

Origen e Historia del telescopio

Conocido originalmente como “Next Generation Space Telescope”, la idea surgió durante fines de los 80 para complementar al Telescopio Hubble, que veía mayormente luz visible, además de parte de ultravioleta e infrarrojo, con uno que explorara más a fondo el infrarrojo que el Hubble no podía, en especial el infrarrojo medio. Esta es una zona de especial interés en el espectro electromagnético, pues es la franja usada para estudiar las nubes de gas y polvo que son regiones de formación de estrellas y de planetas con ellas. Sobre todo, buscar detectar aquellas luces provenientes de las primeras estrellas y galaxias en el universo. Esta franja de la radiación electromagnética es exclusiva para estudio en el espacio y no desde tierra, debido a la presencia de nuestra atmósfera, por lo cual no era factible acompañar con telescopios desde tierra por más grandes que fueran. 

Esto trajo consigo un asunto para resolver y fue el tema presupuestario: al ser un proyecto de la NASA, el presupuesto para ello era el que se le asignara en el Congreso, nada de empresa privada para financiar. Por lo cual el proyecto vio bastantes cambios de su concepción original, diseño, fecha de lanzamiento, funcionamientos erróneos, la pandemia de COVID-19, entre otros. Es un poco larga la historia, pero para resumir, se lleva hablando de lanzar el telescopio desde mediados de los 2000’s y entre todos estos factores lo han retrasado. Incluso ya es un proyecto con mayores contribuciones, ya que la Agencia Espacial Europea y la Agencia Espacial Canadiense se han unido a la NASA para este proyecto. Finalmente, después de muchas, pruebas, errores, júbilo y desesperación en un proyecto con más de 14 países involucrados, 10 mil millones de dólares invertidos, 40 millones de horas de trabajo y miles de científicos, ingenieros y técnicos trabajando en ello, el telescopio ya está hoy en la Guayana Francesa, esperando su día de lanzamiento, ya establecido para el 22 de diciembre del presente año en Kourou.

Descripción del telescopio

Nuestro gran amigo tratado aquí, el Telescopio Espacial James Webb (JWST) se trata de, como hemos dicho, el observatorio espacial más grande, midiendo 2 veces y media más que el Telescopio Espacial Hubble (HST). Esto se debe en gran parte al aumento colosal en el tamaño de su espejo primario, de 6.5 m de diámetro; gran aumento al lado de los 2.4 m del espejo del HST. El espejo del JWST está constituido por 18 espejos hexagonales distribuidos y segmentados, aumentando el tamaño posible para el espejo ya que un espejo de una sola pieza como el del HST tiene un límite de tamaño con relación a su propio peso. Los segmentos están creados en una base de berilio recubierta de una capa de oro finísima, de apenas 700 átomos de espesor. 

En relación al tamaño de todo el sistema, sus 21 x 14 m le permiten abarcar fácilmente el área de una cancha de tenis, y su masa total de 13,700 lb, unos 6,215 kg,  es comparable a la de un autobús escolar.

Para entender con cuidado su despiece, dividiremos el telescopio en dos zonas: la “zona caliente” y la “zona fría”, siendo referencia a aquella parte que está de cara al Sol, y aquella que está dándole la espalda. 

Además del espejo primario, 4 brazos extendidos desde este sostienen un espejo secundario de 0.74 m, que refracta la luz que viene del espejo primario y la guía hacia el interior del telescopio, concretamente al Módulo Integrado de Instrumentos Científicos (ISIM, en inglés), donde están todas las cámaras e instrumentos científicos. Ojo a estos instrumentos, volveremos a ellos en un momento.

El telescopio cuenta con un escudo solar de 5 capas delgadas (ninguna de más de 0.05 m de grosor) fabricado en un polímero llamado Kapton, con algún recubrimiento extra de aluminio o silicio. Dicho polímero presenta una gran resistencia al calor y termoestabilidad. Está cuidadosamente diseñado para que la parte operativa del telescopio pueda tener condiciones ideales de temperatura: en el caso del JWST, se busca mantener los instrumentos a menos de 40 K, esto para brindar la máxima sensibilidad posible a la radiación infrarroja que se busca estudiar. Esto nos lleva a ver que, como ya mencionamos, el lado del telescopio donde están los espejos e instrumentos científicos está de espaldas al Sol, para que el escudo absorba el calor proveniente de este y brinde las condiciones ya mencionadas.

En este “lado caliente”, tenemos además los rastrea-estrellas, pequeños telescopios que irán guiando por patrones al telescopio hacia la zona en específico que quiera ver, una matriz de energía solar para brindar gracias a la luz solar la electricidad con la que funciona todo el sistema, antena para comunicaciones, y  una unidad llamada Spacecraft Bus, que contiene los instrumentos más del observatorio como nave espacial, tales como sensores de orientación, temperatura, controles de comunicación, electricidad, propulsión y demás datos necesarios para mantener estable el telescopio en su órbita.

Ya que hemos tocado el tema de su órbita, es una decisión con cierto riesgo, pero se decidió que el cohete Ariane llevara al telescopio fuera de Tierra, y que de ahí en adelante, a medida que se despliega, va en dirección a situarse en una órbita de halo alrededor de un punto más allá de la Luna, a 1.5 millones de km de la Tierra, en el segundo punto de Lagrange: los puntos de Lagrange, mis queridos, son determinados puntos en el espacio situados entre cuerpos celestes, dos grandes y uno pequeño en nuestro caso, donde las fuerzas de atracción entre los 3 se equilibran. En total hay 5 puntos de Lagrange en el sistema Sol-Tierra-Luna. Se envía allí para tener también un mayor control de temperatura en el sistema, y la dificultad mencionada es que, justo debido a la gran distancia (recordamos, 1.5 millones de km), el telescopio debe funcionar desde el día 1 sin fallos graves, pues no se pueden mandar misiones de reparación como si se hizo con el HST, esto dado a que estaba en órbita baja, digamos, a unos 570 km de la Tierra, mucho más cerca.   

Módulo Integrado de Instrumentos Científicos (ISIM)

Volviendo a los instrumentos científicos, estos junto a los espejos son aquello presente en la llamada “zona fría”, y en el módulo están presentes varios instrumentos con cámaras, espectrógrafos, coronógrafos, etc. Entre de los cuales destacan 4 detallados aquí, además de mencionar su procedencia:

Un recordatorio, el telescopio trabaja en la zona del infrarrojo cercano y medio, concretamente en longitudes de onda de entre 0.6 a 28.5 μm.

• NIRCam: Near-Infrared Camera o Cámara de Infrarrojo Cercano, es la cámara principal, que opera en el infrarrojo cercano (0.6 a 5 μm), donde el polvo se hace transparente. Permite tomar fotos de objetos muy tenues alrededor de un objeto central brillante, bloqueando la luz de este último. Muy útil para el estudio de planetas extrasolares o estrellas con discos protoplanetarios (discos de gas y polvo alrededor de la estrella, de donde se originan los planetas). (Universidad de Arizona & Centro de Tecnología Avanzada Lockheed Martin).

• NIRSpec: Near-Infrared Spectrograph o Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano, operando en el mismo rango, es de los instrumentos más versátiles. Además de hacer espectroscopia estándar en diversos objetos, puede observar simultáneamente hasta 100 de estos, siendo el primer espectrógrafo con esa multicapacidad. Teniendo además una matriz de micro obturadores, que son muchas cámaras pequeñas, más delgadas que un cabello humano, haciendo el trabajo, y teniendo tapas que se abren o cierran por presencia de campos magnéticos, esto para ampliar o minimizar su campo de vista. Cada micro obturador puede ser controlado así individualmente y obtener la distribución ideal de cielo que busca estudiarse. (ESA & Airbus Industries el NIRSpec, y NASA la matriz y los subsistemas de detección)

• NIRISS/FGS: Near-Infrared Slitless Spectrograph/Fine Guidance Sensor o Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano sin Ranuras/Sensor de Guía Fina; en el caso del NIRISS, siendo el único equipado con máscara de apertura, obtiene imágenes de mucha mejor resolución de objetos muy brillantes; y el FGS es un sistema de cámaras que asegura la correcta alineación del telescopio con su objetivo durante el tiempo que esté fijado en una observación. (CSA)

Estos instrumentos mencionados operan a unos 39 K para ser más sensibles al infrarrojo cercano.

• MIRI: Mid-Infrared Instrument o Instrumento de Infrarrojo Medio, proporciona capacidades de imágenes y espectroscopia en el infrarrojo medio (5 a 28 μm). Consiste de una cámara, espectrógrafos, coronógrafos y una unidad de campo integral, que es una combinación de cámara y espectrógrafo utilizado para capturar y mapear espectros en un campo de visión. Útil para el estudio de corrimiento al rojo de las galaxias distantes (efecto Doppler), formación de estrellas, cometas muy difusos u objetos en el cinturón de Kuiper. Dado que trabaja en infrarrojo medio, necesita estar aún más frío, entre los 7-18 K. (Consorcio Europeo, ESA y el Laboratorio de Propulsión Jet de la NASA).

Finalmente, hemos aprendido un poco de qué va este gran anuncio de que el lanzamiento del James Webb es ya una realidad, y está a menos de 2 semanas. Después de toda una década haciendo avances, modificando, preservando, este es el momento. Después de siglos y siglos de científicos haciendo grandes aportes y descubriendo más y más sobre el universo, este es el momento. Después de un período glorioso del Hubble, Spitzer y otros grandes telescopios, este es el momento. Y quedará grabado en la memoria de los niños, jóvenes, adultos y todas las personas que miren su lanzamiento y vivan durante su etapa de funcionamiento de 5 a 10 años, y dirán: “Yo viví en la época del Telescopio Espacial James Webb”. El mañana está a la vuelta de la esquina con esto, vamos por él. 

Referencias:

J. Bell, El Libro de la Astronomía. 1° edición. Kerkdiel: Librero, 2014.

D. Marín. "La recta final del James Webb: la historia del telescopio espacial más complejo concebido por el ser humano". Eureka. https://cutt.ly/6YRVeQT 

NASA, "Webb Telescope Launch Media Kit", Estados Unidos, (Guía). [En línea]. Disponible en: https://cutt.ly/8YRBHAT 

Imágenes:

N. Grumman (2009, Abril 29). The James Webb Space Telescope. [Online]. Available: https://cutt.ly/7YvHw9G 

NASA, "Webb Telescope Launch Media Kit", Estados Unidos, (Guía). [En línea]. Disponible en: https://cutt.ly/8YRBHAT 

D. Marín. "La recta final del James Webb: la historia del telescopio espacial más complejo concebido por el ser humano". Eureka. https://cutt.ly/6YRVeQT