James Webb, el telescopio más poderoso en el espacio

* Observará la luz infrarroja, lo que le permitirá mirar unos 13 mil 500 millones de años atrás para ver las primeras galaxias tras el Big Bang

* La misión se ha desarrollado por más dos décadas. Contribuyeron en ella miles de científicos, ingenieros y otros profesionales de más de 14 países y 29 estados de EU

* Fue nombrado en honor al administrador de la NASA que jugó un papel integral en el programa Apolo, el cual culminó con la llegada del hombre a la Luna

* Su construcción inició en 2004

Actualización. El Telescopio Espacial James Webb (JWST)¸ el más grande y poderoso jamás construido, se encuentra ya en su viaje espacial con destino al segundo punto de Lagrange (L2), ubicado a un millón y medio de kilómetros de la Tierra, desde donde permitirá el estudio de gran variedad de objetos celestes -desde planetas del Sistema Solar y estrellas cercanas hasta las galaxias vecinas y los confines del Universo más distante-, tras su lanzamiento el pasado 25 de diciembre desde el complejo Arianespace ELA 3 del puerto espacial europeo enclavado cerca de Kourou, Guayana Francesa.

El JWST es un telescopio “’frío’, puesto que está diseñado para operar a muy bajas temperaturas -alrededor de -230° Celsius)” con el objetivo de ofrecer una “vista inédita del Universo”, pues su “tecnología revolucionaria explorará todas las fases de la historia cósmica”, con lo que contribuirá a conocer los orígenes del universo, detalló la Administración Nacional de Aeronáutica y el Espacio (NASA, por sus siglas en inglés) en su cibersitio en español.

Este observatorio espacial es “la revolucionaria misión insignia de la NASA para buscar la luz de las primeras galaxias en el universo temprano y explorar nuestro propio sistema solar, así como de planetas que orbitan otras estrellas llamados exoplanetas” y representa un esfuerzo conjunto entre la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia Espacial Canadiense.

“La promesa de Webb no es lo que sabemos que descubriremos; es lo que aún no entendemos o no podemos comprender de nuestro universo. ¡No puedo esperar a ver qué descubrirá!”, expresó Bill Neslson, administrador de la NASA. Cabe resaltar que la misión de este observatorio se ha desarrollado durante dos décadas, con contribuciones de miles de científicos, ingenieros y otros profesionales de más de 14 países y 29 estados de Estados Unidos.

El viaje que ha iniciado el Telescopio Espacial James Webb (JWST), el mayor telescopio jamás lanzado al espacio, será de un mes, durante el cual desplegará su parasol –“del tamaño de una cancha de tenis- y luego su espejo primario, de 6.5 metros, con el que podrá detectar la tenue luz de estrellas y galaxias distantes con una sensibilidad 100 veces mayor que la del Hubble”.

Tras el lanzamiento de Webb “nos quedan 29 días críticos, cuando la nave espacial se despliegue en el espacio”, pues será la secuencia de este tipo de maniobras “más difícil y compleja jamás intentada” fuera de la Tierra, abundó Gregory L. Robinson, director del programa de JWST en la sede de la NASA. Sin embargo, una vez que complete su proceso para estar en servicio, el cual se prevé tenga una duración de seis meses, “veremos imágenes impresionantes que nos cautivarán”.

En ese momento, Webb estará listo para observar “la luz infrarroja con una sensibilidad sin precedentes, lo que le permitirá mirar atrás en el tiempo unos 13 mil 500 millones de años para ver las primeras galaxias tras el Big Bang”, abundó la agencia espacial estadounidense.

Despegue, viaje y preparación de operación

Los objetivos científicos de Webb requieren que el observatorio sea muy grande, tanto que cuando está a su tamaño real, no cabe dentro de ningún vehículo de lanzamiento disponible en su configuración operativa, por ello, se eligió un cohete Ariane 5, “uno de los vehículos de carga pesada más confiables del mundo” para el lanzamiento del JWST.

Se trata de un cohete de varias etapas que utiliza una combinación de propulsor sólido y líquido criogénico; y posee un cono estándar de 5 metros de diámetro, y tiene un tiempo total de vuelo con motor de casi 27 minutos, tiempo en el que el telescopio se separó del cohete después del lanzamiento, con lo que inició su viaje de manera autónoma.

Tres minutos más tarde, el panel solar comenzó a desplegarse de manera automática -y los gerentes de la misión confirmaron que ya proporcionaba energía al observatorio-. A dos horas del despegue, inició el desdoblamiento de la antena. Doce horas más tarde, se realizó la primera maniobra (de tres que deberán ocurrir durante el viaje) de corrección de trayectoria, para poder alcanzar su destino -conocido como L2-(la última de ellas ocurrirá 29 días después del lanzamiento para insertar al aparato ya en la órbita en la que permanecerá), realizada por pequeños motores de cohete a bordo del propio Webb.

“La NASA tiene un plan detallado para desplegar el Telescopio en un periodo de alrededor de dos semanas”, explicó la agencia, al destacar que el proceso está controlado por humanos, pues existe un equipo que lo monitorea en tiempo real y puede pausar las maniobras en cualquier momento.

Una travesía con coreografía exacta

Después de su lanzamiento, Webb es sometido a un periodo de puesta de operación de seis meses, durante el cual se desplegará por completo, se enfriará a temperaturas de funcionamiento, alineará sus espejos y calibrará sus instrumentos.

Así, tras el despegue del telescopio y tras la segunda maniobra de corrección de su trayectoria (ejecutada 2.5 días más tarde), inició una secuencia de despliegue, es decir, “una serie de movimientos intrincadamente coreografiados” que durará dos semanas.

En la primera se inicia el desdoblamiento de dos paletas del protector solar, después se extiende el conjunto de la torre, que separa al observatorio en dos partes (superior e inferior), lo que es necesario para dar espacio y permitir el despliegue del parasol. Días después se extenderán los bazos telescópicos, se desdoblarán y tensarán cada una de las cinco capas del protector.

La segunda semana se centra en el telescopio. “El trípode que sostiene el espejo secundario se desdoblará y extenderá por delante del cristal primario. Después se desenvolverán las alas a los lados del espejo principal, con lo que quedarán al descubierto los 18 fragmentos del espejo en el espacio”, detalló la NASA en su cibersitio.

Como se mencionó, el periplo del telescopio hasta su destino final –L2-tendrá una duración de un mes y, una vez ahí, su órbita seguirá un camino especial, que le permitirá permanecer en el lado nocturno de la Tierra y seguir la trayectoria de ésta alrededor del Sol.

El JWST se ubicará en el segundo punto de Lagrange -de cinco que hay-. Se trata de posiciones en el espacio donde la gravedad del Sol y la Tierra equilibra la fuerza centrípeta requerida para que una nave espacial se mueva con ellos y los hace útiles para reducir la cantidad de combustible que necesita para permanecer en órbita. Este punto está ubicado a 1.5 millones de kilómetros “detrás de la Tierra, con vista desde el Sol.

La órbita de Webb asegura que un lado de su parasol esté de manera continua frente a la estrella y sea bañado de forma permanente por su luz, lo que le permitirá generar energía a través de la matriz solar, ubicada en ese lado de la nave espacial, al tiempo que proporciona una vista sin obstáculos del espacio profundo, pues estará fuera de las sombras de la Tierra y la Luna. Este aparato es un observatorio de infrarrojos, por lo que debe de estar protegido de todas las fuentes brillantes y calientes para poder detectar las débiles señales de calor de los objetos distantes del universo

Cabe resaltar que el observatorio siempre estará en la misma ubicación general en relación con la Tierra, lo que permitirá que permanezca en contacto continuo a través de la Red del Espacio Profundo.

Descripción: “Los ingenieros en tierra dirigen de forma remota una secuencia compleja de despliegues en las horas y días posteriores al lanzamiento del telescopio espacial James Webb. Esta animación muestra la secuencia nominal de estas implementaciones”. Video tomado de www.nasa.gov/mission_pages/webb

¡Un éxito!

El 14 de enero, la NASA informó que el espejo primario del telescopio, recubierto de oro, fue desplegado en su totalidad, con lo que la etapa final de despliegues fue concluida con éxito y se puede dar paso a la preparación para realizar las operaciones científicas.

Así, “las dos alas del cristal principal de Webb, que fueron dobladas para transportarlas dentro de la punta del cohete Ariane 5 durante el lanzamiento”, fueron extendidas de forma remota, tras una semana de maniobras de otros despliegues críticos. El proceso de desdoblamiento de los segmentos hexagonales del espejo principal inició el 7 de enero con el primer lado; y un día después con el segundo. Por lo que una vez que quedó extendido y fue colocado en su posición, “el equipo declaró que todos los procesos principales se completaron con éxito”.

Después de este paso, el observatorio “comenzará a mover sus 18 segmentos del espejo primario para alinear la óptica” del instrumento, detalló la NASA en un comunicado de prensa. El equipo que maneja el aparato desde la Tierra controlará 126 actuadores en la parte posterior de los segmentos para flexionar el espejo, una alineación que llevará meses completar. Después, calibrará todos los instrumentos científicos antes de entregar las primeras imágenes de Webb este verano”, agregó.

“La finalización exitosa de todos los despliegues del Telescopio Espacial Webb es histórica”, dijo el director de este programa en la NASA, Gregory L. Robinson, al agregar que “es la primera vez” que una misión dirigida por esta agencia espacial “intenta lograr una secuencia compleja para desplegar un observatorio en el espacio, una hazaña notable” para el mundo.

Por su parte, Bill Nelson, administrador de la agencia espacial estadounidense, expresó que “la NASA logró otro hito de la ingeniería que lleva décadas en desarrollo. Si bien el viaje no está completo, me uno al equipo de Webb para respirar un poco más tranquilo e imaginar los avances futuros”.

Proceso de Implementación

Tras la llegada del aparato al punto desde donde orbitará y después de su despliegue durante el viaje, iniciará un periodo crítico, en el que miles de partes y secuencias tienen que funcionar de manera correcta, para que al finalizar, el telescopio comience a tomas datos.

Así, el observatorio -sus espejos e instrumentos- comenzará a enfriarse, lo que le llevará una semana, tras el despliegue de su parasol. Llegado al punto de enfriamiento, abundó la agencia espacial, “su instrumento NIRCam comenzará a funcionar para respaldar la alineación del telescopio. Se necesitan alrededor de tres semanas adicionales para que la parte sombreada del observatorio baje a su temperatura de funcionamiento -alrededor de 40 grados Kelvin-”.

Su instrumento MIRI utiliza un enfriador criogénico para alcanzar su temperatura óptima, que es de -447 grados Fahrenheit (7 Kelvins), por lo que de forma independiente requiere de más tiempo (alrededor de 100 días tras el lanzamiento) para lograr su punto óptimo de operación.

“Una vez que Webb esté frío, la NIRCam ayudará a determinar que la luz sigue la trayectoria correcta a través de los espejos y el resto de los instrumentos. Después llega el proceso de ajuste de cada uno de los segmentos del espejo primario individuales”. Durante esta prueba la NIRCam medirá cualquier imperfección en la alineación que impida que cada fragmento de cristal funcione como uno solo. Las alineaciones tanto de los espejos primarios y secundarios se completarán en alrededor de cuatro meses.

Por último, el observatorio apuntará a una variedad de objetivos representativos para probar y calibrar todas sus capacidades de funcionamiento.

Las operaciones científicas de rutina comenzarán tras los seis meses de implementación, cuando todos los espejos estén alineados y los instrumentos calibrados.

Un telescopio hecho para mirar el pasado

“Los telescopios nos muestran cómo eran las cosas, no cómo son ahora”, abunda la NASA en su cibersitio, es por ello que Webb “es el primero observatorio capaz de observar las primeras galaxias y quizás incluso algunas de las primeras estrellas en explosión, por ello ¿Cómo está hecho este aparato?

El JWST es “un telescopio de infrarrojos” y presenta dos retos principales: su espejo debe ser muy grande para recolectar suficiente luz y debe mantenerse frío para evitar que las fuentes no deseadas de infrarrojos interfieran con el espectro de lo que se observa.

Por ello, el observatorio se compone de tres secciones principales: la óptica y los instrumentos científicos que lleva, su parasol y el bus de la nave espacial.

Parasol

El protector solar es uno de los componentes más relevantes, pues divide al telescopio en dos: un lado caliente que mira hacia el sol y la Tierra, donde se encuentra el bus de la nave; el otro extremo es frío y mira hacia el espacio.

Esta estructura tiene forma de diamante o cometa, construido con cinco capas, con un área muy cercana a lo que es una cancha de tenis, por lo que, para el despegue, fue doblado y empaquetado de manera cuidadosa con el objetivo de que pudiera ser enviado en el cohete Ariane 5.

“La capa más externa tiene sólo 0.05 milímetros de grosor, mientras que las cuatro restantes tienen 0.025 milímetros de grosor. Todas tienen tamaños y formas ligeramente diferentes. Además, la más externa es la más grande y relativamente plana, mientras que la más interna es la más pequeña y curva. Las cinco hojas están más juntas en el centro y más separadas en los bordes”.

Esta cantidad de capas permitirá que el parasol bloquee y redirija el calor necesario para que el observatorio pueda alcanzar sus temperaturas de funcionamiento frías en extremo, pues están separadas para reducir la transferencia de calor entre ellas, es decir, cada capa estará más fría que la que está debajo. Juntas “reducen la exposición al sol en un factor de un millón, de más de 200 kilovatios a una fracción de vatio”.

Las membranas del protector solar “están hechas de Kapton, un material empleado en naves espaciales que tiene alta resistencia al calor y se mantiene estable en una amplia gama de temperaturas. Cada capa está recubierta de aluminio y las dos más cercanas a la estrella tienen una capa de silicio adicional que ha sido tratada para que sea eléctricamente conductora.

“Las capas de protección están construidas con ripstops para minimizar el daño potencial si se forman agujeros más pequeños a partir de escombros y micrometeoritos.

“En el espacio, este artefacto se expandirá, tensará y separará en sus cinco capas”, mediante un elaborado sistema de motores, poleas y cables.

Espejos

Por otro lado, “al diseñar Webb, los ingenieros tuvieron que imaginar un telescopio diferente a todos los que hayan construido antes”, pues uno de los componentes más importantes de este aparato es su sistema de tres espejos. La sensibilidad del observatorio, o la cantidad de detalles que puede ver, está directamente relacionada con el tamaño del área del espejo que recoge la luz de los objetos a estudiar.

Los cristales de este aparato “están hechos de berilio y cubiertos por una capa de oro microscópicamente delgada, que los optimiza para reflejar la luz infrarroja. El grosor promedio del oro es de sólo mil angstroms (100 nanómetros). El berilio fue seleccionado como el material principal para los espejos porque, detalla la agencia espacial, “es liviano, pero fuerte para su peso y mantiene su forma en la etapa criogénica (menos de -223 grados Celsius). Ambas características son ideales para Webb, ya que su espejo primario debe ser en extremo grande y frío para cumplir con sus objetivos científicos”.

El espejo principal mide 6.5 metros de diámetro y 25 metros cuadrados de área y fue segmentado en 18 partes de forma hexagonal cada una de 1.32 metros de diámetro, de plano a plano-, desplegables y livianas -cada una pesa alrededor de 20 kilogramos), unidas por bisagras. Así, el cristal completo está dividido en seis segmentos de espejo (tres a cada lado) que se plegaron para ser trasladadas en el ya mencionado cohete y que también se encuentran en proceso de despliegue mientras dure el viaje de Webb al punto L2.

“La forma hexagonal del cristal principal permite no dejar espacios significativos” entre cada cristal, que se han hecho móviles, los cuales se alinean en millonésimas de milímetros para funcionar a temperaturas frías en extremo” y funcionar como una “única óptica grande”. Así, “es el espejo más grande jamás lanzado al espacio”.

Por otro lado, el espejo secundario es convexo, redondo y más pequeño -mide sólo 0.74 metros de diámetro-, explica la Administración Nacional de Aeronáutica y el Espacio, y esta sostenido por tres puntales o brazos de 7.6 metros de largo que se extienden desde el principal. Los puntales también se desplegarán durante la travesía rumbo a su destino.

“Los espejos de dirección terciario y fino están ubicados dentro de la punta negra que sobresale del centro del cristal primario, conocido como Subsistema de Óptica Aft (AOS). La luz que es capturada por el espejo primario se dirige al secundario, que la envía al terciario y, por último, al fino antes de enfocarse en los instrumentos científicos colocados atrás del cristal principal.

Como ya se mencionó, “el espejo debe enfriarse a temperaturas criogénicas, menos de 50 kelvin (menos de -223 grados Celsius). Por lo general, los materiales se encogen a medida que se enfrían, y debido a que los espejos e instrumentos de este telescopio se construyeron a temperatura ambiente, pero funcionarán en otras muy frías, los ingenieros construyeron el telescopio ‘en forma inexacta’, para asegurarse que sus componentes se contraerán a la forma y dimensiones correctas en el espacio”.

Los Instrumentos de Webb

Los cuatro instrumentos científicos del aparato tienen dos funciones, explica la NASA: Primero, obtener o captar imágenes de objetivos científicos; y segundo, espectroscopía o descomposición de la luz en longitudes de onda separadas para determinar las propiedades físicas y químicas de varias formas de materia cósmica.

Todos están contenidos en el Módulo de Instrumentos de Ciencia Integrada (ISIM), el cual está situado en el lado ‘frío’ del JWST, y son los siguientes:

Cámara de Infrarrojo Cercano (NIRCam).- Diseñada para estudios de imágenes y detección de objetos tenues. Sus tareas incluyen buscar estrellas, cúmulos estelares y núcleos de galaxias primigenios, formados tras el Big Bang; estudiar galaxias distantes en proceso de formación o fusión: detectar distorsiones de luz debido a la materia oscura; descubrir supernovas en galaxias remotas y estudia la población estelas de galaxias cercanas, las estrellas jóvenes de la Vía Láctea y objetos en el Cinturón de Kuiper de nuestro Sistema Solar.

Espectógrafo para el Infrarrojo Cercano (NIRSpec).- Está diseñado para observar 100 objetos -estrellas y galaxias- de manera simultánea. Sus principales objetivos son: el estudio de la formación de estrellas y la abundancia química de las galaxias jóvenes distantes; el seguimiento de la creación de los elementos químicos en el pasado y la exploración de la historia del medio intergaláctico: también se empleará para estudiar las propiedades y la composición de las atmósferas de los planetas extrasolares.

Instrumento Cámara y Espectógrafo para Infrarrojos Medio (MIRI).- Es esencial para estudiar la luz desplazada al rojo de galaxias distantes, estrellas recién formadas, cometas visibles débilmente y objetos en el Cinturón de Kuiper. Este instrumento debe mantenerse aún más frío que sus contrapartes.

Espectógrafo Sin Ranura de Infrarrojo cercano / Sensor de Guiado Fino (NIRISS/FGS).- Permitirá obtener espectros de todos los objetos en su amplio campo de visión. Ha sido diseñado para facilitar la recuperación de estos espectros, aunque se superpongan. Incluye un modo de observación espectroscópica optimizado para la visión exoplanetaria, aunque se espera que contribuya en todas las cuestiones científicas de la misión. Por otro lado, el Sensor de Guiado Fino detecta e identifica a las estrellas guía y asegura que el telescopio esté fijo en esas estrellas durante todo el periodo de observación.

Foto NASA/Collage de fotos de Chris Gunns, tomadas de www.flickr.com/photos/nasawebbtelescope

Orígenes de James Webb

La historia del Telescopio Espacial James Webb (JWST) se remonta a 1989, cuando el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI) y la Administración Nacional de Aeronáutica y el Espacio (NASA) realizaron un taller, cuyas deliberaciones hicieron la recomendación formal en 1996 de que el observatorio debería operar en longitudes de onda infrarrojas y estar equipado con un espejo de más de cuatro metros.

Seis años después, en 2002, “la NASA ya había seleccionado los equipos para construir los instrumentos y el grupo de astrónomos que ofrecerían orientación para la construcción”; y fue en ese año también que se decidió nombrar a este nuevo observatorio como James E. Webb, en honor al administrado de la NASA entre 1961 y 1968, quien jugó un papel integral en el programa Apolo, y que bajo su mando se inició uno de los proyectos más relevantes de la historia espacial: la llegada del hombre a la Luna.

En 2004 inició la construcción del telescopio y un año más tarde, se eligió como lugar de lanzamiento al puerto espacial Centre Spatial Guyanais (CSG) de la Agencia Espacial Europea, ubicado en la Guayana Francesa y al cohete Ariane 5 como su vehículo.

En 2011 fueron concluidos y probados los 18 segmentos de espejos -que forman el espejo principal; y en 2012 y 2013, las piezas individuales del observatorio -que fueron construidas en diversas ubicaciones. Llegaron al Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, en Maryland. En ese último año, también inició la fabricación de su parasol.

A finales de 2015 e inicios de 2016, se ensamblaron las estructuras y la óptica del telescopio, con la instalación de los 18 espejos individuales en la placa posterior del aparato; pero fue hasta 2017 que el conjunto del observatorio y sus instrumentos científicos se integraron en uno y se sometieron a pruebas. En 2019, el bus de la nave espacial más el parasol se conectaron a las dos mitades de Webb.

La construcción y operación de Webb es una colaboración internacional de agencias espaciales; pues mientras la NASA es responsable de la misión general del observatorio, dirige su ingeniera general; la Agencia Espacial Europea (ESA, por sus siglas en inglés) proporcionó el instrumento de espectógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec), la mitad del instrumento MIRI y también el cohete de lanzamiento, así como los servicios de lanzamiento en el puerto espacial. En total, tiene una participación mínimo del 15 por ciento del tiempo total de observación.

En tanto, la Agencia Espacial Canadiense (CSA, por sus siglas en inglés) contribuyó con el sensor de imágenes de infrarrojo cercano y el espectógrafo sin ranura de infrarrojo cercano (NIRISS) y, a cambio, recibirán 450 horas garantizadas de tiempo de observación durante los primeros años de la misión. El 5 por ciento del programa de Observaciones generales también está reservado para este país.

Además, científicos de 41 países y 42 estados de Estados Unidos y Washington, D.C, recibieron tiempo de observación durante el primer año de operaciones científicas del telescopio. Los programas de Observadores Generales del Ciclo 1 ya fueron seleccionados e incluyen 280 proyectos, presentados por dos mil 264 investigadores del número de naciones y entidades ya mencionadas.

“Todos los datos de Webb se almacenarán en el Archivo Mikulski para Telescopios Espaciales (MAST) en el STScI, que proporciona una reserva segura y servicios de recuperación confiables para datos de observación, crea herramientas de búsqueda científicamente útiles y fáciles de usar, desarrolla productos de datos completamente procesados que están listos para el análisis científico y ofrece servicios de apoyo a la comunidad astronómica”, abundó la NASA. Los datos son accesibles en línea para la comunidad científica y el público en general.

El modelo a gran escala del telescopio espacial James Webb en South by Southwest en Austin, Texas. Foto NASA/Chris Gunn, tomada de www.flickr.com/photos/nasawebbtelescope/albums