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15 de diciembre de 2018
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El telescopio espacial James Webb
Ilustración: Alex Mit/ Shutterstock

El telescopio espacial James Webb

Daniel Martin Reina

Es el proyecto astronómico más caro y complejo de la historia. Del tamaño de un campo de tenis, este telescopio espacial dará vueltas alrededor del Sol más allá de la Luna. Desde esa posición privilegiada, el aparato rastreará el espacio en busca de luz infrarroja.

La radiación que emiten las galaxias más lejanas que somos capaces de detectar nos llega como luz infrarroja. Esta luz tiene la virtud de atravesar las nubes de polvo que hay dentro de esas galaxias, permitiéndonos escudriñar sus profundidades. En nuestra propia galaxia la radiación infrarroja sirve para estudiar la atmósfera de los planetas que giran alrededor de otras estrellas. Con el Telescopio Espacial James Webb (TEJW) la NASA, la Agencia Espacial Europea y la Agencia Espacial de Canadá aspiran a seguir la evolución de las primeras galaxias, observar el nacimiento de las primeras estrellas y localizar planetas que puedan albergar vida.

Sólo un nubarrón se cierne en el horizonte: la NASA anunció hace unos meses el enésimo retraso del proyecto, el Webb debería haberse lanzado en 2015. Habrá que esperar hasta marzo de 2021 para que se abra esta nueva ventana a un Universo que apenas somos capaces de intuir.

El Universo en infrarrojo

La radiación electromagnética es un tipo de energía que se transmite en forma de onda y que viaja a la velocidad de la luz. La hay de muchos tipos —rayos gamma, rayos X, luz ultravioleta, luz visible, luz infrarroja, ondas de radio y microondas—, que se distinguen por la longitud de onda, es decir, la distancia entre dos picos consecutivos de la onda. El conjunto de todos estos tipos de radiación se llama espectro electromagnético.

¿Qué tiene de especial la luz infrarroja? Este tipo de radiación, cuya longitud de onda va de 0.8 a 1 000 micrómetros (un micrómetro es una millonésima parte de un metro) guarda la llave del Universo lejano y primitivo.

La luz de los objetos celestes más lejanos no nos llega con la misma longitud de onda con que fue emitida. Esto se debe a la expansión del Universo, que separa las galaxias unas de otras de modo que desde la Tierra las vemos alejarse de nosotros (salvo nuestras vecinas más cercanas). Cuando una fuente de luz se aleja, las ondas luminosas que emite se alargan en el camino y su longitud de onda es mayor al llegar a la Tierra. Este fenómeno se conoce como efecto Doppler en honor del físico austriaco Christian Doppler, quien lo estudió a mediados del siglo XIX. El efecto Doppler también es el causante de que el sonido de una sirena de ambulancia se oiga más grave cuando se aleja que cuando se acerca. En el caso de los objetos celestes, este aumento de la longitud de onda se traduce en un desplazamiento de la luz en el espectro visible hacia la región del rojo; por eso este fenómeno se conoce también como “desplazamiento al rojo”. Cuanto más lejos se encuentre un objeto celeste, mayor será su desplazamiento al rojo. Así, la luz de las primeras estrellas y galaxias del Universo (que también son las más lejanas) se detecta precisamente en el infrarrojo. Otra característica de la luz infrarroja es que, por tener una longitud de onda mayor que la luz visible, su poder de penetración también es mayor. Si captamos luz infrarroja, podemos adentrarnos en regiones del espacio que por ahora nos resultan opacas, como el interior de las densas nubes de gas y polvo en las que nacen las estrellas. El Universo está salpicado de cuerpos celestes como estrellas enanas marrones, planetas jóvenes y asteroides y cometas confinados en la frontera del Sistema Solar. Todos estos objetos fríos, y por ahora invisibles, emiten radiación en el infrarrojo.

Espejito, espejito

En 1994, cuatro años después del lanzamiento del Telescopio Espacial Hubble, los astrónomos empezaron a planear el siguiente gran observatorio espacial. Ya entonces se planteó la posibilidad de un nuevo tipo de telescopio que operara lejos de la Tierra, más grande que cualquier otro lanzado hasta ese momento y optimizado para ver en el infrarrojo. Aquella fue la semilla de la que surgió el TEJW.

Lo más notable del TEJW es su espejo, encargado de reflejar la luz infrarroja y dirigirla hacia los instrumentos científicos. En cualquier telescopio, cuanto más grande sea el espejo, mayor es la capacidad de distinguir objetos muy cercanos entre sí (llamada resolución). Si hablamos de un telescopio infrarrojo el tamaño resulta más importante todavía: por ser de longitud de onda más grande que la luz visible, la luz infrarroja exige un espejo mayor para producir una imagen de la misma calidad. El TEJW tendrá el espejo más grande que jamás se haya lanzado al espacio: 18 segmentos hexagonales, cada uno de 1.3 metros de ancho, que juntos equivalen a un único espejo de 6.5 metros. Su poder de resolución es tal que podría ver detalles del tamaño de una moneda de 50 centavos a 40 kilómetros de distancia. Y es tan sensible que sería capaz de detectar el calor emitido por un abejorro ¡que estuviera en la Luna!

Los segmentos del espejo son de berilio, un metal que a bajas temperaturas es ligero e indeformable, dos características fundamentales para la misión. Dado que el berilio no refleja demasiado bien la luz infrarroja, cada segmento ha sido recubierto por una finísima capa de tres gramos de oro. Esta cantidad repartida por toda su superficie apenas supone un grosor de 120 nanómetros, unas 200 veces más fino que un cabello humano. Aunque parezca insignificante, gracias a este baño dorado el espejo refleja el 98 % de la luz infrarroja que recibe, cuando los espejos habituales de aluminio se quedan en un 85 %.

TEJW

  1. Espejo primario 18 segmentos hexagonales de berilio recubiertos por una fina capa de oro
  2. Espejo secundario refleja la luz del espejo primario hacia el módulo de los instrumentos
  3. Módulo de instrumentos alberga cámaras, sensores e instrumentos científicos
  4. Escudo solar 5 capas de kaptón para disipar el calor y proteger de la luz
  5. Aleta ayuda a estabilizar el satélite y a equilibar la presión solar en el escudo
  6. Pánel solar siempre dirigido hacia el Sol es la fuente de energía del observatorio
  7. Antena de comunicación para enviar los datos a la Tierra y recibir instrucciones de la NASA
  8. Módulo de control con sistemas de computación, comunicación, propulsión, navegación y estructurales
  9. Telescopios estelares pequeños telescopios que emplean patrones de las estrellas para dirigir el observatorio

Organizaciones: NASA, ESA y CSA (Agencia Espacial Estadounidense, Europea y Canadiense, respectivamente)
Fecha de lanzamiento: marzo 2021

Las dos caras del mismo telescopio

Todas las cosas emiten una luz infrarroja cuya intensidad depende de la temperatura: las más calientes emiten más. Esto puede interferir con las mediciones de los instrumentos del TEJW. Por ello, tanto el espejo como el equipamiento científico deben estar totalmente aislados de cualquier fuente de calor, como el Sol y la Tierra, pero también de algunas partes del propio telescopio, que emiten calor. Hasta ahora la solución había sido utilizar sistemas de refrigeración basados en helio líquido, capaz de alcanzar temperaturas muy por debajo de 0 ºC. Pero el helio se evapora, lo que limita la vida útil del telescopio. El predecesor del TEJW, el telescopio espacial Spitzer de la NASA, apenas pudo trabajar cinco años a pleno rendimiento hasta que se agotó el helio líquido y sus instrumentos dejaron de funcionar correctamente.

Los ingenieros han optado por otra alternativa. El TEJW tendrá un gigantesco escudo del tamaño de un campo de tenis formado por cinco capas de kaptón, una espuma ligera y aislante que se usa habitualmente en astronáutica. Las capas tienen menos de un milímetro de espesor y no llegan a tocarse unas con otras. Esa zona de vacío entre ellas es fundamental para ayudar a disipar el calor que pueda atravesarlo. De esta manera, el escudo térmico divide el telescopio en dos partes bien diferenciadas: por un lado, el espejo y los instrumentos científicos sensibles a la luz infrarroja, estarán totalmente aislados, manteniendo su temperatura a –233 ºC. A modo de referencia, la temperatura más baja registrada en nuestro planeta es de -89 ºC. Al otro lado del escudo, sin embargo, la situación es completamente distinta. Expuestos a la luz del Sol, la computadora central, el panel solar y los sistemas de navegación del telescopio trabajarán a una temperatura de unos 85 ºC.

Daños Colaterales

Cuando se concibió a principios de la década de 2000, el presupuesto estimado del TEJW era de 1 000 millones de dólares. En pocos años, sin embargo, se disparó hasta los 6 500 millones de dólares y el Congreso de Estados Unidos estuvo a punto de cancelarlo en 2011. Sólo la presión de la comunidad científica consiguió evitar el desastre en el último minuto. Pero eso no ha detenido la sangría, y todo apunta a que la factura superará los 8 000 millones de dólares. Cada vez se oyen más voces contra este proyecto faraónico, que además tendrá una vida útil de apenas 10 años y que no se puede reparar en el espacio, ya que se encontrará demasiado lejos de nuestro planeta como para permitir misiones de mantenimiento.

Una de las consecuencias del derroche del TEJW es que la NASA se ha visto obligada a cancelar numerosas misiones espaciales, entre ellas dos para buscar planetas parecidos a la Tierra en estrellas cercanas al Sistema Solar. Y algunas de las misiones actuales se encuentran en la cuerda floja, como la interesante WFIRST, que pretende estudiar la energía oscura y la materia oscura.

Cada vez falta menos para que la comunidad científica disponga de su ansiado telescopio gigante en el espacio. Pero el precio puede ser demasiado alto.

Origami

Mandar al espacio un telescopio con un espejo de semejante tamaño y un escudo térmico todavía mayor es otro de los grandes desafíos de esta misión. Hay que tener en cuenta que el cohete de lanzamiento, un Ariane 5 de la Agencia Espacial Europea, tiene un espacio de carga limitado. La solución de la NASA ha sido, de nuevo, poco convencional: el TEJW tendrá que encogerse. En un impresionante ejercicio de papiroflexia, los segmentos del espejo son plegables, al igual que el escudo térmico, la antena y el panel solar. Los elementos se desplegarán cuando el aparato alcance su órbita objetivo, dispuesto a empezar su misión.

A diferencia del telescopio Hubble, el TEJW no orbitará alrededor de la Tierra, sino alrededor del Sol, a más de 1.5 millones de kilómetros de distancia, casi cuatro veces la distancia entre la Tierra y la Luna. Esta órbita, conocida como segundo punto de Lagrange, o L2, es uno de los cinco puntos en los que las fuerzas gravitacionales de la Tierra y el Sol permiten a un cuerpo mantenerse en una posición fija con respecto a nuestro planeta. En esa órbita el aparato siempre estará alineado con la Tierra y el Sol. Esto tiene dos importantes consecuencias. Por un lado, el escudo térmico mirará hacia el Sol y la Tierra en todo momento, protegiendo así los instrumentos más sensibles de estas fuentes de calor tan perjudiciales para un telescopio infrarrojo. Por otro lado, esa ubicación facilitará las comunicaciones con el centro de operaciones, ya que siempre mantendrá la misma posición relativa en el cielo nocturno. Aquí jugará un papel fundamental la Red del Espacio Profundo (DSN, siglas en inglés de Deep Space Network), una red internacional de antenas de radio que sirven de apoyo a las misiones interplanetarias de la NASA. La DSN consta de tres grandes complejos en Goldstone (California), Canberra (Australia) y Madrid (España), separados unos 120 grados en longitud geográfica. Así, una nave espacial siempre puede mantener contacto directo con alguna de las estaciones, independientemente del movimiento de rotación terrestre.

Hágase la luz

En los primeros instantes después del Big Bang la temperatura del Universo era tan elevada —miles de millones de grados— que no había moléculas, ni átomos ni siquiera núcleos atómicos. Todo se reducía, en esencia, a electrones, protones y neutrones sueltos nadando en una sopa de radiación.

Con el paso del tiempo, el Universo se expandió y enfrió y los neutrones y protones pudieron juntarse para formar los primeros núcleos de hidrógeno y helio. Más tarde, los electrones se unieron a estos núcleos, constituyendo los primeros átomos de esos elementos.

Sin partículas cargadas eléctricamente con las que interactuar y desviarse, la luz por fin pudo surcar el espacio sin obstáculos. Unos 380 000 años después del Big Bang, el Universo dejó de ser un lugar opaco y se inundó de luz. Todavía hoy existen signos de esa luz, llamada radiación cósmica de fondo: el calor remanente del Big Bang, algo así como las ascuas que quedan en la hoguera después de apagarse el fuego.

El tiempo siguió su curso y las áreas de mayor densidad de materia empezaron a compactarse por efecto de la gravedad. Partes de estas regiones alcanzaron tal densidad y temperatura, que se iniciaron reacciones nucleares de fusión: habían nacido las primeras estrellas. Estas estrellas, masivas y luminosas, brillaron durante unos pocos millones de años, forjando en sus hornos nucleares nuevos elementos químicos como carbono, oxígeno y hierro. Al cabo de este tiempo algunas explotaron en forma de supernovas, violentas explosiones que alteraron la composición química del Universo esparciendo los nuevos elementos por el espacio. Los nuevos elementos se incorporaron a la siguiente generación de estrellas, además de formar planetas, asteroides, cometas y otros cuerpos celestes. Los telescopios actuales son incapaces de penetrar en esa edad oscura del cosmos, pero el TEJW sí podrá.

Máquina del tiempo

El objetivo científico del TEJW es ambicioso: emprender un viaje en el espacio, y también en el tiempo, hasta la época en que el Universo era un recién nacido, hace unos 13 500 millones de años. La luz de los objetos lejanos tarda más en llegar a la Tierra que la de los cercanos, lo que quiere decir que los objetos más lejanos los vemos con retraso y que mientras más lejos atisbamos en el espacio, más atrás nos remontamos en el tiempo. El TEJW observará el crecimiento de las primeras galaxias, cuya evolución presenta todavía muchos interrogantes. Por ejemplo, no sabemos los procesos que condujeron a las distintas formas de las galaxias actuales, que pueden ser elípticas, espirales o irregulares. Tampoco conocemos el papel de los agujeros negros ni la materia oscura en la formación de esas primeras galaxias. Todo esto resulta fundamental para entender la historia del Universo.

Gracias a la capacidad de penetración de la luz infrarroja, este telescopio también podrá adentrarse en turbulentas regiones de gas y polvo cósmico en las que nacen las estrellas. Será fascinante también contemplar los discos de rocas, hielo y gas que se arremolinan alrededor de estas estrellas recién nacidas y estudiar las condiciones para que se formen nuevos planetas. Estas observaciones nos permitirán refinar las actuales teorías de formación planetaria.

Otro de los usos del TEJW será escudriñar la atmósfera de exoplanetas en busca de sustancias fundamentales para la vida, como agua y moléculas orgánicas. Mucho más cerca, en nuestro Sistema Solar, el TEJW ayudará a identificar y estudiar cometas y otros cuerpos helados situados más allá de la órbita de Neptuno, en el llamado cinturón de Kuiper. Estos cuerpos son auténticas reliquias de la época en que se formó el Sistema Solar, y pueden contener pistas sobre los orígenes de nuestro planeta. James Webb fue administrador de la NASA durante la década de 1960. Además del programa Apolo, Webb es reconocido por impulsar el programa científico de la NASA. Hoy estaría orgulloso de que la máquina del tiempo astronómica más avanzada jamás construida lleve su nombre.

Más información

  • Golombek, Daniel, El telescopio de las estrellas: el Hubble, los enormes observatorios y la astronomía del siglo XXI, Ed. Siglo XXI, Buenos Aires, 2015.
  • Telescopio Espacial James Webb: www. nasa.gov

 

Daniel Martín Reina es físico y colaborador habitual de ¿Cómo ves? Actualmente es miembro del grupo de Investigación de Instrumentación Electrónica y Aplicaciones de la Universidad de Sevilla, España. Escribe el blog de divulgación La aventura de la ciencia: http://laaventuradelaciencia.blogspot.mx

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