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27 de enero de 2023
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La mirada del Telescopio Espacial James Webb
Imagen: NASA, ESA, CSA, STScI

La mirada del Telescopio Espacial James Webb

Sergio de Régules

La mirada infrarroja del Telescopio Espacial James Webb puede atisbar el interior de las nubes de gas y polvo en las que se forman las estrellas, así como remontarse en el tiempo para ver cómo eran las galaxias más antiguas.

Entender el Universo nunca estuvo entre los problemas más urgentes de la humanidad. Durante cientos de miles de años lo único importante fue sobrevivir al hambre y a las fieras el tiempo suficiente para tener descendientes, así como velar por que esos descendientes tampoco fueran víctimas del hambre y los depredadores. No había tiempo ni energía para nada más.

Tampoco había aptitudes. El equipo de fábrica que nos dio la evolución no es óptimo para otra cosa que no sea la simple supervivencia. Aún hoy oímos, vemos y olemos solo lo que tenemos que oír, ver y oler para sobrevivir en las condiciones prehistóricas en las que vivieron miles de generaciones de nuestros antepasados. Los 10 000 o 15 000 años de civilización no han sido suficientes para que nuestra especie se haya modificado para adaptarse a la vida sedentaria que permite la civilización. Así, en la vida moderna seguimos operando con capacidades adaptadas a la época de las cavernas. Podemos, por ejemplo, ver un oso a lo lejos en la planicie, pero no podemos ver las lunas de Júpiter ni la luz de las primeras galaxias. Para eso hemos tenido que inventar extensiones de nuestros sentidos: instrumentos científicos que nos dejan ver fenómenos y rincones de la naturaleza que ni siquiera sabíamos que existían.

Los Pilares de la Creación, en la nebulosa del Águila, cámara MIRI. La cámara MIRI se especializa en revelar capas de gas y polvo. Las partes más oscuras de esta región de la nebulosa del Águila (a unos 6 500 años luz) corresponden a regiones en las que el polvo está más concentrado. Los picos que sobresalen de los pilares son lugares donde se están formando estrellas con sus planetas. Cada una de las bolitas que se ven en los extremos de los picos es más grande que el Sistema Solar. El pilar superior mide cinco años luz de largo.

El telescopio que construyó Galileo en 1609 servía para ver más lejos y nada más. Lo mismo puede decirse de los que le siguieron durante varios cientos de años, hasta llegar a los de las primeras décadas del siglo XX. Luego se inventaron telescopios que nos dan otra ventaja muy distinta: nos permiten ver cosas que no emiten luz, sino radiaciones del mismo tipo, pero invisibles al ojo humano. La luz a la que son sensibles nuestros ojos —los colores del arcoíris del rojo al violeta— cabe en una franja estrecha de una gama infinita conocida como espectro electromagnético. Más allá del violeta está la región de la radiación ultravioleta, y todavía más lejos se encuentran los rayos X y los rayos gamma. Más allá del rojo, por el otro lado del arcoíris empieza la región de la radiación infrarroja y después las de las microondas y las ondas de radio. El parámetro que distingue estas variedades de radiación electromagnética se llama longitud de onda, el tamaño de un ciclo de vibración completo de la onda. Las ondas electromagnéticas tienen longitudes que van desde miles de kilómetros hasta mucho más pequeñas que un átomo. La luz visible ocupa una franja que va de 0.4 a 0.7 micras (una micra es una milésima de milímetro). Las ondas que se usan para transmitir señales por Bluetooth (un tipo de ondas de radio) son mucho más grandes: unos ocho metros.

Si quieres sentir los efectos de la radiación infrarroja, ponte al sol. El calorcito solar no es efecto de la luz visible, sino de la radiación infrarroja que nuestra estrella emite también en grandes cantidades.

En 1800 el astrónomo William Herschel (descubridor del planeta Urano) se puso a medir con un termómetro los efectos térmicos de la luz de distintos colores. Separó luz solar en un bonito arcoíris por medio de un prisma y fue colocando el termómetro en las distintas franjas de color. El violeta tenía un efecto mínimo. El efecto aumentaba a medida que se avanzaba hacia el azul, el verde, el amarillo. Y era máximo al llegar al extremo rojo del arcoíris.

Ya encarrerado, Herschel fue y puso el termómetro más allá del rojo, donde sus ojos no veían nada. Se sorprendió de ver que el termómetro reaccionaba aún más: junto al rojo había una radiación que, pese a ser invisible, tenía efectos muy reales. Se le llamó “infrarroja” porque estaba por debajo del rojo en frecuencia (parámetro equivalente a la longitud de onda para caracterizar fenómenos ondulatorios).

Montañas cósmicas, en la nebulosa de Carina, cámara NIRCam. Otra región de formación estelar, a 7 600 años luz en la nebulosa de Carina. Las estrellas del área azul de la imagen emiten intensa radiación ultravioleta y vientos estelares que dispersan el gas y el polvo y van erosionando las partes de gas más denso, dándoles la apariencia de montañas. Dentro de esas montañas hay estrellas más jóvenes que aún no se despojan del manto nebuloso. El proceso de formación estelar dura entre 50 000 y 100 000 años —un parpadeo en la escala de tiempo cósmico—. Los ocho picos que salen de las estrellas son un efecto óptico del telescopio.

Galaxia M74 (la Galaxia Fantasma), cámara MIRI. La cámara MIRI revela aspectos ocultos de la galaxia M74, también conocida como la Galaxia Fantasma, situada a unos 32 millones de años luz. Los brazos espirales que estamos acostumbrados a ver en las fotografías en luz visible aquí se ven interconectados por filamentos de gas y polvo, que forman una especie de esqueleto de la estructura espiral. Los destellos rojos son regiones en las que se están formando estrellas. En el centro de la galaxia, la ausencia de polvo deja ver un cúmulo de estrellas jóvenes, en azul en la imagen. Estas imágenes servirán para entender mejor el proceso de formación estelar en galaxias relativamente cercanas y recientes.

Todas las cosas emiten algo de infrarrojo, dependiendo de su temperatura. Incluso las personas, por eso se pueden hacer esas fotografías térmicas que muestran un aura de colores alrededor de un cuerpo humano: es simplemente radiación infrarroja de distintas longitudes de onda. Muchas cosas interesantes en el espacio se ven mejor en infrarrojo que en luz visible. Las estrellas y planetas en formación están envueltos en nubes de gas y polvo. La luz visible, con sus ondas de escala nanométrica, rebota y es absorbida fácilmente por partículas de polvo y moléculas de gas, por lo que no puede escapar del interior de las nebulosa en las que nacen las estrellas, pero las ondas infrarrojas son mucho más grandes en comparación y esquivan sin dificultad estos obstáculos. Esto quiere decir que podemos atisbar en infrarrojo lo que ocurre detrás del velo de gas y polvo.

Lente gravitacional MACS0647 con triple imagen de una galaxia. La fuerza de gravedad desvía la luz, de modo similar a lo que hacen las lentes. Como si fuera un telescopio natural en el espacio, la gravedad del cúmulo de galaxias MACS0647 (centro de la imagen) permite ver galaxias aún más lejanas por el efecto de lente gravitacional. Los recuadros señalan tres imágenes distintas de una misma galaxia mucho más distante, que al aumentarse en esta imagen de la cámara NIRCam revelan dos objetos donde el Telescopio Hubble solo veía uno. Aún no sabemos qué son: ¿dos galaxias en interacción o dos cúmulos de estrellas en una galaxia?

Quinteto de Stephan. Mosaico de más de 1 000 exposiciones de las cámaras MIRI y NIRCam. Este conjunto de galaxias en colisión se conoce como Quinteto de Stephan, aunque solo cuatro de las galaxias forman parte de esta danza cósmica, a 290 millones de años luz de nosotros. La galaxia de la izquierda está a solo 40 millones de años luz y no forma parte del grupo. La gravedad mutua de las galaxias les arranca filamentos de gas, polvo y estrellas en formación. Los especialistas en preparar imágenes asignaron tonos rojos y naranjas a las longitudes de onda de la cámara MIRI y azul y blanco a las de la NIRCam, lo que permite distinguir procesos distintos.

Lo que es todavía más interesante es que las primeras estrellas y galaxias que se formaron después del Big Bang (hace más de 13 000 millones de años) se pueden ver hoy en infrarrojo. La cosa funciona así: como la luz tarda cierto tiempo en ir de un lado a otro porque no se propaga a velocidad infinita, mientras más lejos echemos la mirada en el espacio, más antiguos serán los objetos que veamos (su luz ha tardado más en llegar hasta aquí). Y como el Universo se expande, la longitud de onda de la luz que originalmente emitieron esos objetos lejanos se ha ido estirando con el tiempo: lo que originalmente era ultravioleta o visible nos llega como infrarrojo.

El Telescopio Espacial James Webb no capta luz visible, sino infrarroja. De hecho, capta una gama de radiación 100 veces más amplia que la de la luz visible: ondas cuya longitud va de 0.6 micras a 28.3 micras. El James Webb tiene cuatro instrumentos para detectar radiación de distintas partes de esta banda de longitudes de onda (y muchos filtros que dividen la gama en franjas aún más angostas). En general, solo dos de estos instrumentos se usan para producir imágenes: las cámaras NIRCam (cámara de infrarrojo cercano, para longitudes de onda no muy alejadas del rojo, de 0.6 a 5 micras) y MIRI (instrumento para infrarrojo intermedio, de longitudes de onda de 5 a 28.3 micras).

Las imágenes que captan estos instrumentos no se pueden visualizar directamente por la misma razón que no podemos oír sonidos infrasónicos. Convertir en imágenes visibles los datos del telescopio requiere bastante manipulación. Volvamos a la foto térmica de una persona. La foto se toma con aparatos sensibles a la radiación infrarroja. En la foto, empero, vemos un aura de colores. Eso quiere decir que la imagen infrarroja original se ha modificado artificialmente para volver visible lo invisible. En concreto, la gama de infrarrojos que captó la cámara se transforma artificialmente en una gama de colores visibles. Es un poco como transportar una canción a un tono más alto para poderla cantar, o subirle la frecuencia a los sonidos infrasónicos que hacen los elefantes para poder oírlos. La foto térmica es una imagen intervenida, pero no por eso deja de representar una realidad física.

Las fotos astronómicas que publican las agencias espaciales —y en particular las del Telescopio Espacial James Webb— son una cosa parecida. Los instrumentos de las sondas y telescopios espaciales están hechos para captar distintos tipos de radiación, según lo que le interese a los diseñadores de la misión. La información así capturada se puede representar de muchas maneras útiles para la ciencia: gráficas, espectros, imágenes en blanco y negro para ver contrastes, imágenes en una sola longitud de onda para aislar fenómenos específicos. Pero las fotos que ve el público son imágenes preparadas por un equipo especial, no para mostrar información científicamente útil sino para dar una idea general del panorama cósmico en cuestión y atendiendo a consideraciones estéticas. A veces se intenta representar lo que veríamos si estuviéramos ahí. Este es el caso de las fotos de la superficie de Marte que envía el vehículo explorador Curiosity, que se preparan tratando de darle al paisaje marciano los colores que vería el ojo humano. En el caso de las imágenes del James Webb esto es imposible, porque la radiación que captan sus cuatro instrumentos no está en el rango de la luz visible. Así pues, hay que asignar colores visibles a cada filtro de los instrumentos del telescopio. Pero tampoco se aplica simplemente el método que consiste en aumentarle la frecuencia a todo para llevarlo al rango visible. Las fotografías del espacio, además, suelen ser mosaicos, es decir, imágenes compuestas de muchas exposiciones individuales, incluso tomadas en días distintos. Así se prepararon estas imágenes que demuestran las capacidades del Telescopio Espacial James Webb.

  • “Los descubrimientos de nuestros telescopios espaciales”, NASANET, NASA: https://www.lanasa.net/universo/telescopios-espaciales.
  • Bachiller, Rafael, Astronomía: de Galileo a los telescopios espaciales, Editorial Consejo Superior de Investigaciones Científicas, España, 2009.
  • Golombek, Daniel, El telescopio de las estrellas. El Hubble, los enormes observatorios y la astronomía del siglo XXI, Editorial Siglo XXI, Argentina, 2015.

Sergio de Régules es divulgador de la ciencia y coordinador científico de ¿Cómo ves? En 2019 ganó el Premio Nacional de Divulgación de la Ciencia y la Técnica otorgado por la Somedicyt y en 2021 el Premio Latinoamericano a la Popularización de la Ciencia y la Tecnología, otorgado por la RedPOP.

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