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Telescopio James Webb: una nueva ventana al universo más lejano y primitivo

¿Por qué gastarse 10 mil millones de dólares en un telescopio 50 veces más caro que su predecesor, el Hubble? Las primeras imágenes que han llegado desde el nuevo instrumento tienen la respuesta.

Julio, 2022

Con un coste de 10 000 millones de dólares, el telescopio espacial James Webb se puso en marcha el pasado 25 de diciembre de 2021. ¿Por qué gastarse tal cantidad en un telescopio 50 veces más caro que su predecesor el Hubble? ¿Realmente valía la pena? De esto nos hablan los académicos Óscar del Barco Novillo y Ruth Lazkoz, respectivamente. La publicación de sus primeras fotografías, procedentes desde del espacio, adelantan, ya, una respuesta.

Telescopio Espacial James Webb: un hito en la historia de la observación espacial

Oscar del Barco Novillo


Tras sucesivos retrasos en la fecha de lanzamiento, el pasado 25 de diciembre de 2021 se puso en marcha el telescopio espacial James Webb (JWST), el cual marca, ya, un hito en la historia de la observación espacial.

Debe su nombre a James E. Webb, el segundo administrador de la NASA y responsable del proyecto Apolo que pondría al ser humano en la Luna.

Con un coste estimado de 10 000 millones de dólares, se trata de un proyecto liderado por la NASA en colaboración con las Agencias Espaciales Europea (ESA) y la Canadiense (CSA).

El telescopio orbita la Tierra a una distancia de 1,5 millones de kilómetros (más alejado que la Luna, a unos 380 000 km) en un punto donde la interacción gravitacional entre la Tierra y el Sol está equilibrada (llamado punto de Lagrange L2).

Por ello, el JWST mantendrá una órbita estable alineada con nuestro planeta.

Posición del telescopio espacial James Webb orbitando la Tierra. / NASA.

Antes de adentrarnos en los potenciales descubrimientos del nuevo telescopio espacial, es conveniente mirar atrás en el tiempo y revisar cómo ha evolucionado la observación astronómica hasta nuestros días.

Desde el telescopio de Galileo al James Webb

Hasta la invención del telescopio, la observación del firmamento fue a simple vista. Es decir, sin la ayuda de un instrumento óptico capaz de recoger la luz emitida por los astros y generar una imagen ampliada de los mismos.

Cualquier telescopio óptico (sensible a las longitudes de onda de la luz visible) consta de dos componentes fundamentales: objetivo y ocular.

Dependiendo de cómo sea el objetivo del telescopio, estos se pueden clasificar en dos grandes grupos:

1. Refractores o anteojos: su objetivo está formado por una lente o acoplamiento de lentes. A este tipo pertenece el telescopio de Galileo con el que se detectaron cráteres lunares y los cuatro satélites galileanos del planeta Júpiter.

2. Reflectores: el objetivo lo constituye un espejo o acoplamiento de espejos. Su precursor fue Isaac Newton, quien diseñó un telescopio más compacto que el refractor, corrigiendo defectos en la imagen como la aberración cromática. La mayoría de los telescopios posteriores se han basado en este modelo newtoniano.

Ya en el siglo XVIII, el astrónomo y músico William Herschel diseñó un telescopio reflector que le permitió descubrir un planeta más alejado que Saturno (hasta la fecha, el último del Sistema Solar). Bautizado posteriormente como el planeta Urano, dicho hallazgo tuvo lugar justo 173 años después de las primeras observaciones de Galileo.

El mayor telescopio del mundo (hasta el año 1917) fue el de Rosse o Leviatán de Parsonstown. Se trataba de un reflector con tamaño de espejo primario de 1,8 metros capaz de observar, entre otros objetos, galaxias espirales como la del Remolino (M51).

En el siglo XX, el telescopio de Hooker (con 2,5 metros de diámetro del objetivo) consiguió observar galaxias como la de Andrómeda (M81).

El relevo lo tomó el telescopio de Hale, que desafió el diseño del Hooker con un espejo de 5 metros de diámetro. Con estas características, el astrofísico Edwin Hubble consiguió medir la velocidad radial de las galaxias llegando a una conclusión sorprendente: las galaxias se alejan de nosotros y, cuanto más distantes, a más velocidad lo hacen. Fue la primera confirmación experimental de la expansión del universo.

La idea de colocar un telescopio en el espacio se gestó a finales del siglo XX y se materializó con la puesta en órbita en 1990 del telescopio espacial Hubble. De esta forma, se eliminan las turbulencias atmosféricas y la contaminación lumínica durante las observaciones astronómicas.

Telescopio espacial Hubble.

Se trata de un reflector con espejo primario de 2,4 metros y una masa de unas 11 toneladas. En sus treinta años de servicio, ha captado imágenes sin precedentes de nebulosas, galaxias, explosiones de supernovas e imágenes de los planetas del Sistema Solar de alta resolución.

Potenciales descubrimientos del James Webb

El telescopio James Webb es el más potente hasta la fecha. Dispone de un espejo primario de 6,5 metros de diámetro (formado por 18 segmentos hexagonales de berilio, revestidos en oro) y obtendrá imágenes en el rango del infrarrojo.

¿Qué tiene de especial esta característica?

Por un lado, captar detalles de objetos astronómicos que no se podrían registrar con un telescopio operando en el visible.

A modo de ejemplo, la imagen inferior representa el mismo objeto astronómico (la Nebulosa de la Laguna, M8) tomada en el espectro visible (izquierda, con una gran concentración de polvo cósmico) e infrarrojo (derecha). Es notorio que la concentración de polvo cósmico impide distinguir (en el rango del visible) el conjunto de estrellas presentes en M8.

Nebulosa de la Laguna (M8) registrada en el visible (izquiera) e infrarrojo (derecha). NASA

Pero su mayor fortaleza será la observación de las galaxias más lejanas y antiguas del universo. Debido al efecto conocido como desplazamiento hacia el rojo, la luz emitida por estas galaxias primitivas (y que se alejan a mayor velocidad de nosotros) será detectada por el nuevo telescopio espacial en el rango del infrarrojo, algo impensable para observatorios terrestres (incluido el telescopio espacial Hubble).

Además, dado que los objetos más fríos del universo emiten también en el infrarrojo, el telescopio espacial James Webb permitirá la observación de planetas extrasolares con una resolución sin precedentes.

Si el telescopio de Galileo mostró un firmamento desconocido hasta entonces, el telescopio espacial James Webb abrirá otra ventana a los primeros instantes del universo, cuando las galaxias más lejanas empezaron a formarse. Será, sin duda, un viaje apasionante al pasado.

[Óscar del Barco Novillo: Ciencias Físicas (Universidad de Granada), doctorado en Física (Universidad de Murcia). Profesor asociado en el área de Óptica, Universidad de Murcia. / Fuente: The Conversation; texto reproducido bajo la licencia Creative Commons.]

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Lo que se juega la NASA con las primeras imágenes del telescopio James Webb

Ruth Lazkoz


La sociedad quizá se pregunta por qué merece la pena gastarse 10 000 millones de dólares (unos 8.828 millones de euros) en un telescopio 50 veces más caro que su predecesor, el Hubble. Sus primeras fotografías tienen la respuesta.

El espía que surgió del frío

Mostrar argumentos convincentes de la utilidad de la ciencia es un espectáculo de malabares, y un pequeño fallo acabaría con mis pelotitas en el suelo. Quizá me atreva a ponerme reivindicativa ante la embriaguez del espectáculo que el JWST promete brindar.

Pero baste por ahora un argumento puramente científico para poder valorar el valor que tendrán sus impactantes imágenes.

Poner un telescopio en el espacio es carísimo, está claro. Pero ¿por qué tan lejos? Sencillamente porque permite optimizar su funcionamiento en el rango de la radiación infrarroja. Con esto el telescopio James Webb complementa el trabajo del telescopio Hubble, un veterano que investiga el visible y el ultravioleta.

 Esta es una imagen de descarte del James Webb, obtenida por un instrumento canadiense que no está dedicado a hacer fotos, solo se ocupaba de elegir el campo al que Webb debía apuntar. Sin embargo, ese descarte ya ofrecía la imagen más profunda del universo jamás tomada. NASA

Las señales astronómicas que nos llegan del espacio son un bien escaso. Y por ello conviene librarse de los competidores. Las moléculas de agua de la atmósfera tienen mucha avidez por las ondas infrarrojas. En cambio en la profundidad y el frío del espacio los detectores se libran de esa molestia. Y lo mismo sucede con los calentamientos no deseados causados por las propias piezas del instrumento. Esto se consigue con un complicado dispositivo llamado enfriador acústico.

Esa pieza clave del JWST se vale del efecto Joule-Thomson, según el cual un gas se enfría cuando la presión sobre él disminuye. Poco podían imaginar aquellos dos pioneros cuán lejos iba a llegar su entusiasmo por la física básica. Eso nos da una idea de que es posible que muchos avances propiciados por la investigación más fundamental alcancen también los confines del saber y del propio universo.

La tecnología desarrollada para James Webb ya ha llegado a los hospitales

Hasta aquí el reto que supone evitar absorciones indeseadas para obtener señales más precisas y potentes. En realidad eso es sólo un pequeño aspecto del enorme grado de complejidad de los desafíos a los que se enfrenta el JWST. Y sólo al tener eso en cuenta podremos valorar lo puntero de la ciencia y la tecnología que involucra su desarrollo y explotación. Baste sólo mencionar que una tecnología diseñada para calibrar sus espejos ha sido transferida con éxito a la cirugía oftalmológica con láser. Y son ya decenas de miles los pacientes cuya córnea ha sido operada gracias a este avance transformador.

Pero, ¡basta de panfletos! Mejor hagamos poesía.

La ciencia básica en el espacio profundo

Robando el concepto a El Principito, el telescopio James Webb es el nuevo corazón de ese ser vivo que llamamos astronomía. Este nuevo instrumento va a permitirnos ver lo esencial, lo que es invisible a los ojos, el universo en infrarrojo. Detectar y comprender las ondas de esta región del universo es parte de la historia entrelazada de la astronomía y la tecnología. No es sorprendente que las predijera Emile du Châtelet, la más ilustre pionera de las mujeres en la física. Ni tampoco lo es que las descubriera uno de los más insignes astrónomos de la historia, William Herschel. Y en su honor se bautizó un telescopio que cuenta con sistemas de refrigeración más rudimentarios que James Webb.

Tampoco sorprende que el precursor de los termómetros de infrarrojo que la pandemia puso de moda se inventase para ser usado en astronomía. Este aparato, denominado tasímetro, fue creado por Thomas Edison para detectar cambios de temperatura en la corona solar amplificados durante un eclipse.

El telescopio James Webb toma el testigo de toda aquella ciencia discreta y pertinaz. Y promete desvelar algunos preciosos secretos del universo gracias a su exquisita profundidad de campo.

James Webb ha tomado imágenes con una “lupa” cósmica

Podemos pensar en James Webb como un balde capaz de recoger luz. Y capta mucha más luz que ningún telescopio espacial hasta la fecha. Es, por así decirlo, un ojo con una pupila más grande, sólo que no es un orificio, sino una reunión de espejos. Así, según ha adelantado la NASA, ha sido capaz de obtener espectaculares imágenes producidas por el sistema de lentes gravitacionales SMACS 0723. Este conjunto de cúmulos masivos de galaxias aprovecha la curvatura del espacio-tiempo magnificando la luz de galaxias débiles y lejanas situadas detrás de él. Gracias a ello esperamos que nos regale la mirada al universo más profunda jamás realizada.

SMACS 0723 es un cúmulo de galaxias masivos que magnifican la luz en primer plano y la distorsionan para los objetos detrás de ellos, que permitirá obtener una visión de campo profundo de galaxias extremadamente distantes y de aquellas débiles. Mañana veremos que ha visto en esta fabulosa región del espacio James Webb. NASA

El material del que están hechas las estrellas

Pero volvamos a ocuparnos de sus capacidades en el rango del infrarrojo. Este telescopio en particular investigará las regiones del universo ricas en polvo cósmico, un compuesto de partículas de menos de 100 micras. Esto es justo del orden de la longitud de onda de la radiación infrarroja, y así puede atravesar con facilidad las nubes de polvo cósmico. Curiosamente esta materia prima es la sustancia que da lugar a las estrellas. Es decir, abunda significativamente en las regiones donde se forman las estrellas. En términos futboleros, son algo así como la Masía del Universo. De hecho, las estrellas embrionarias se mantienen un tiempo dentro de una crisálida de polvo.

No obstante, en el universo encontramos nubes de polvo cósmico en tamaños muy variados. Por ejemplo, las nebulosas planetarias son pequeñas y suelen rodear estrellas moribundas. Ese es el caso de la nebulosa de las “Ocho ráfagas”, protagonista también de la primera colección de imágenes que veremos con los ojos de James Webb. Se espera que su interpretación nos lleve a comprender mejor la evolución estelar.

¿Y en el futuro?

Hemos dado algunas pistas de las ofrendas a la ciencia que hará este singular telescopio, pero se espera mucho más. Por ejemplo, se cree que será un actor clave para ajustar el ritmo de expansión actual del universo. En concreto, permitirá hacer más precisas las medidas necesarias de distancia usando estrellas gigantes rojas. Una de las claves es que la incertidumbre sobre la física de estos árbitros entre las medidas locales y distantes del valor de la constante de Hubble es menor en el infrarrojo. Ello se debe a que la emisión en ese rango no tiene tanta dependencia de su edad ni de su composición metálica.

Tantas promesas nos hacen sentir que vamos a tener que encontrar ya una vacuna para el síndrome de Stendhal que nos va a provocar cada colección de imágenes del telescopio James Webb. Y quizá a lo que como comunidad podemos aspirar es a que ello sustente vocaciones que puedan sacar todo el provecho posible a tanto conocimiento.

Concepción artística del telescopio espacial James Webb. /NASA
[Ruth Lazkoz es doctora en Física por la Euskal Herriko Unibertsitatea/Universidad del País Vasco. Profesora de Física Teórica, Universidad del País Vasco. / Fuente: The Conversation; texto reproducido aquí bajo la licencia Creative Commons.]

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