El telescopio James Webb y la nueva era astronómica

Nebulosa de Carina

Divulgación
de la ciencia

La etapa de investigación astronómica a gran detalle ha comenzado, reduciendo el tiempo de captura del cosmos y con una resolución impresionante, lo que ha facilitado el estudio y la compresión de los lugares claves, observados anteriormente bajo el lente del Hubble, para responder las preguntas heredadas siglo tras siglo sobre nuestro origen común, sin importar etnia, religión e ideología.

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El telescopio James Webb y la nueva era astronómica

8M 2022 - Día Internacional de la mujer

Cuando se anunció el lanzamiento del nuevo telescopio infrarrojo (diseñado en conjunto por la NASA, European Space Agency y Canadian Space Agency), James Webb, se lanzaba con él nuestra esperanza de darle respuesta a las incógnitas más sonadas, pero menos respondidas por la humanidad. El 25 de diciembre del 2021 se realizó el despegue del sucesor del telescopio Hubble, a bordo del cohete Ariane- 5, desde la Guayana Francesa. Ciertamente tuvo muchas más complejidades que su antecesor. Su inversión fue de $10,000.00 millones de dólares y con avances tecnológicos sin precedentes, hazaña que culminó con tres décadas de construcción, y que representa una gran apuesta para el descubrimiento del universo poco explorado.

El telescopio James Webb seguirá los pasos del mítico Hubble, lanzado en 1990, con la ambición de esclarecer dos preguntas esenciales: ‘¿De dónde venimos?’ y ‘¿Estamos solos en el universo?’”

resumió Amber Straughn, astrofísica de la NASA, en una conferencia de prensa.

James Webb: digno sucesor del Hubble

La ubicación del James Webb está en un punto conocido como Lagrange 2. Se trata de uno de los cinco puntos en el espacio usado como estacionamiento para los satélites, donde las fuerzas gravitacionales le permitirán acoplarse a la órbita terrestre para que, por un lado, orbite alrededor del Sol y, por el otro, se coloque en un punto a la sombra de la Tierra, situándose en una distancia de 1.5 millones de kilómetros del planeta.

Eje primario

El gran panal cósmico compuesto de 18 espejos plegables mide 6.5 metros, frente a los 2.4 del Hubble, lo que es una ventaja comparativa ya que, mientras mayor sea este espejo, mayor es la distancia de alcance de su visión debido a la cantidad de luz que puede capturar. Ello equivale a ver más atrás en el tiempo (tal como se observa en la ilustración 1).

Este espejo cuenta con mayor resolución que su antecesor. Puede alcanzar pequeñas fuentes de luz y separar la luz de objetos que están cerca uno de otro. Gracias a su gran tamaño recolecta la luz de objetos más débiles y distantes. Lo que se traduce a momentos más tempranos en la historia del Universo, cercanos al momento del Big Bang (según lo dice Arribas). Es decir, puede detectar las primeras galaxias, estrellas y agujeros negros.

Ilustración 1. Visión del cosmos y la distancia. Fuente: NASA, ESA & CSA.

Ojos en infrarrojo

Otro punto importante por tocar es el rango frecuencia con el que opera este nuevo ojo en el cielo. El espectro electromagnético es un conjunto de las longitudes de onda de todas las radiaciones electromagnéticas conocidas, desde los rayos gamma, de onda corta, (emitidos por los elementos químicos tales como el uranio), los rayos x (usada en las radiografías), radiación ultravioleta (aprovechada en la lámparas fluorescentes y recibida a través de la radiación solar), luz visible (contiene el espectro de colores que el ojo humano es capaz de percibir), radiación infrarroja IR, (siendo la fuente natural más importa el Sol) y las ondas radioeléctricas, de onda larga, (emitidas por la televisión, teléfonos etc).

El James Webb observa el universo en el espectro infrarrojo cercano (NIR) e infrarrojo medio (MIRI). A diferencia del Hubble, que estaba centrado en la observación del rango de la luz visible (y esto le limitaba el campo de visión), Webb detecta la luz de las primeras estrellas y galaxias en formación, así como estrellas jóvenes y galaxias cercanas.

El universo está en expansión. Hay un movimiento relativo entre los objetos lejanos, que emiten luz, y nosotros, que la recibimos, por lo que la luz en el rango visible que emiten los cuerpos grandes incide en nosotros con una longitud de onda diferente, ya que esta se desplaza hacia el rango de luz infrarroja. Esto permite que el telescopio pueda ver más allá de la nube de polvo cómico y gas. Su visión, por tanto, llega un poco más allá que la del Hubble, tal como se puede apreciar en la ilustración 2.

Además de que la luz infrarroja procede de cuerpos astronómicos más fríos. Captarla facilita la detección de las firmas espectrales (que son las huellas digitales únicas para cada elemento de la tabla periódica). Su detección se hace a través de los espectrógrafos, ubicados en conjunto con los detectores, con el fin de determinar la composición química de los cuerpos detectados. También posee un cronógrafo que permite la visibilidad de cuerpos muy débiles alrededor de un objeto central brillante, colocado con el fin de determinar las características de los planetas que orbitan estrellas cercanas.

Ilustración 2. Características de telescopio James Web. Fuente: NASA, ESA & CSA.

Protector solar

Las estrellas y planetas lejanos y fríos no son los únicos en emitir luz infrarroja. También la emiten los cuerpos cálidos, como el Sol de nuestro sistema solar, y los componentes que conforman el telescopio. Por ello una pieza clave del instrumento es el escudo térmico. El cual consta de cinco capas delgadas que cubren los detectores de la radiación solar. Lo que ayuda a suprimir las emisiones infrarrojas mediante un sistema de refrigeración criogénico, y así llevar el sistema a una temperatura de -230 °C. Otra razón por la que es necesario llegar a dicha temperatura es por la llamada corriente oscura, creada por las vibraciones de los átomos (y el aumento de la temperatura) en los detectores. La corriente oscura es detectada como una señal “real” y, por ende, arroja una falsa impresión de un posible cuerpo objetivo, opacando la señal deseada.

Luces, cámara, ¡big bang!

Después de seis meses de desarrollo, prueba de instrumentos y recopilación de datos, el 12 de julio la NASA publicó la primera serie de imágenes capturadas por el James Webb. Y con ellas una nueva y mejor forma de ver el cosmos.

Las primeras observaciones de Webb fueron seleccionadas por un grupo de representantes de la NASA, la ESA, la CSA y el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScl, por sus siglas en inglés). Estas observaciones revelan las capacidades de los cuatro instrumentos científicos de última generación de Webb.

SMACS 0723 (ilustración 3): Webb ha proporcionado la imagen infrarroja más profunda y nítida del universo lejano hasta la fecha, ¡y en sólo 12.5 horas! Este campo profundo utiliza un cúmulo de galaxias como lente gravitacional para encontrar algunas de las galaxias más distantes jamás detectadas. Esta imagen no es más que un pequeño ejemplo de la capacidad de Webb para estudiar los campos profundos y rastrear las galaxias hasta el principio del tiempo cósmico.

Este mismo cúmulo de galaxias fue observado por el Hubble, pero le tomó 10 días de observación para completar la imagen que se muestra en la ilustración 4. Y aún así, pese a las limitaciones de la época, nos mostró de manera clara muchísimas galaxias y estrellas, aunque con ciertas aberraciones ópticas… y con algunas sorpresas guardadas debido a su corto campo de visión.

James Webb le dio un giro radical a la forma de observar el universo. Gracias a sus detectores en infrarrojo (y todo el mecanismo explicado en la primera parte de este artículo), pudo observar a detalles galaxias y estrellas que el Hubble escondía tras el basto fondo oscuro del espacio. Pudo, también, detallar la forma de algunas de ellas y nos mostró, aún con gran resolución, las galaxias que parecen mucho más lejanas y que no se lograban notar en la imagen del Hubble, ya que su luz nos llegaba en infrarrojo y este no podía detectar tales longitudes de onda.

He aquí la importancia del nuevo ojo en el cielo. El Webb sí es capaz de traducir dicha luz. Con esta observación de cuerpos lejanos se resalta el hecho más importante: estamos viendo más lejos en el tiempo. Estas galaxias, que no eran visibles en los noventa, son galaxias con una edad aproximada de 4.600 millones de años: ¡lo más atrás en el tiempo que se ha podido observar!

También se puede notar en la imagen del James Webb que las galaxias se ven estiradas por el efecto de distorsión del espacio-tiempo, generada por el campo gravitacional de las estrellas que se encuentran en este cúmulo. Esta distorsión “alarga” las galaxias, simulando ser 2 en lugar de una, tal como lo indica la teoría de la relatividad de Einstein.

Esta primera imagen fue el preámbulo de las posteriores fotografías, en alta resolución, que el James Webb ha capturado durante el tiempo que lleva en órbita. Estos son los mismos escenarios que en su momento el Hubble observó.

Imagen del James Webb
Imagen obtenida por el satélite James Webb, vista de un cúmulo de galaxias de hace 4600 millones de años // Fuente: https://webbtelescope.org/news/first-images/gallery

Imagen del James Webb
Ilustración 4. Comparación del del cúmulo de galaxias SMACS 0723 tomada por el telescopio Hubble en los años noventa y la capturada por el telescopio James Webb en 2022
Ilustracion 5. Southern Ring Nebula. Fuente: NASA.

Nebulosa southern ring nebula

También conocida como la Nebulosa de las “Ocho Explosiones” (ilustración 5). Los gases que se están alejando de la estrella moribunda en el centro viajan a una velocidad de nueve millas por segundo. En la ilustración 5 se logra observar cómo el gas de hidrógeno se va expandiendo desde el centro de la estrella, también se logra apreciar con gran detalle cómo los rayos de luz atraviesan las nubes de gas. Además de galaxias que en el Hubble no se podían apreciar.

En la misma imagen, del lado izquierdo, se puede ver el resultado de la captura tomada por la cámara del detector en infrarrojo cercado y a la derecha está la imagen tomada con el detector del infrarrojo medio, viendo a través de las nubes de gas galaxias que no se lograban notar en el Hubble. A través del James Webb se pudo detectar que se trataba de un sistema binario, es decir, que 2 estrellas desfallecen en lugar de una.

Wasp-96b (composición)

Ilustración 6. Composición atmosférica del exoplaneta WASP-96b. Fuente: NASA.

WASP-96 b es mucho más grande y caliente que cualquiera de los planetas que orbitan alrededor de nuestro Sol. Tiene masa inferior a la mitad de la masa de Júpiter y un diámetro 1.2 veces mayor. Ya se conocían datos acerca de este exoplanetas gracias a otros telescopios, pero la observación detallada obtenida por Webb revela señales inconfundibles de agua, esto gracias a los instrumentos del Webb que trabajan en el infrarrojo cercano y en longitudes de onda que son sensibles para la detección de agua, así como otras sustancias clave como el oxígeno, el metano y el dióxido de carbono, los cuales no son inmediatamente obvios en el espectro de WASP-9, pero se espera que se puedan leer en siguientes exploraciones en exoplanetas.

Esto se conoce gracias a las “huellas digitales” únicas de cada elemento (tal como se ve en la ilustración 6). Con su primera detección de agua en la atmósfera de un exoplaneta, Webb ahora se dispondrá a estudiar cientos de otros sistemas para entender de qué están hechas otras atmósferas planetarias, según lo comenta la NASA posterior a lanzamiento público de las imágenes.

Existen un par de imágenes que se publicaron el mismo día, una mostrando la etapa de nacimiento de las estrellas, como en el caso de la Nebulosa Carina (ilustración 7) y la interacción de las galaxias como el famoso Quinteto de Stephan (ilustración 8).

La etapa de investigación astronómica a gran detalle ha comenzado. Ahora el tiempo de captura del cosmos es más rápido y tiene una resolución impresionante. Contamos con más facilidades para el estudio y la compresión de lugares claves (observados anteriormente bajo el lente del Hubble) para responder las preguntas heredadas siglo tras siglo sobre nuestro origen común, sin importar etnia, religión e ideología.

Ilustración 7. Carina Nebula. Fuente: NASA.
Ilustración 8. Stephan’s Quintet. Fuente: NASA.

Referencias

Víctor Ingrassia (2022). “Cómo funciona y qué observará el poderoso telescopio espacial James Webb”, obtenido de: INFOBAE.

R. CASTRO (2022). “El instrumento más frío del telescopio espacial James Webb alcanza la temperatura óptima de funcionamiento”, obtenido de: NASA.

Mario Viciosa (2021). “Telescopio James Webb, la máquina del tiempo de la primera luz del cosmos”, obtenido de: Newtral.

NASA (2022). “Webb ofrece la imagen infrarroja más profunda del universo hasta la fecha. Ciencia”, obtenido de: NASA.

Jonathan Amos (2021). “James Webb: el mayor telescopio espacial de la historia busca la luz de las primeras estrellas”, obtenido de: BBC.

Scientific Committees. (s.f.). “Espectro electromagnético”, obtenido de: Scientific Committees.

Gerelle Dodson (2022). “La NASA revela las primeras imágenes del telescopio Webb de un universo nunca antes visto”, obtenido de: NASA.

Alex Riveiro (2022). “SMACS 0723: LA PRIMERA IMAGEN DEL JAMES WEBB. Astrobitacora”, obtenido de: Astrobitácora.


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Guadalupe Villegas López

Guadalupe Villegas López

Ingeniera geofísica con alma humanista.

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