“La Naturaleza le habla a los hombres en una voz que resulta familiar a sus almas”

Alexander von Humboldt

Texto original en inglés: Alexandra de Castro

Tradcción: Jesús Pineda

 

Cuando Alejandro de Humboldt viajó a Cumaná, Venezuela, se obsesionó con descubrir “científicamente” el río que, según leyendas, unía a el Orinoco y el Amazonas. Junto con Aimé Bonpland, cruzó desde los llanos hasta la selva — luchando contra temperaturas extremas, anguilas eléctricas y cocodrilos — transportando consigo los más delicados instrumentos de medición producidos por la tecnología prusiana. Siendo un cuidadoso observador y reportero del cosmos de la vida, Humboldt demostró que los ríos Amazonas y Orinoco, en efecto, están conectados.

Contagiados de ese espíritu, un grupo de astrónomos está a punto de embarcarse en una nueva aventura para aprender más acerca del cosmos. Dentro de muy poco, el más complejo y voluminoso telescopio jamás construido, bautizado en honor a James Webb, iniciará su travesía al espacio — a más de un millón y medio de kilómetros de nuestro planeta— para audazmente observar lo que ningún otro telescopio ha observado.

La travesía de un telescopio valuado en millardos de dólares 

La odisea del telescopio espacial James Webb comenzó en octubre de 2021,cuando partió de California a bordo del carguero Colibrí, cruzó el canal de Panamá y llegó al Puerto Espacial Europeo en la Guyana Francesa para su lanzamiento en Navidad. Pero ser lanzado al espacio por un cohete como un guijarro por una honda no será la parte más complicada de su viaje. 

Por su tamaño descomunal (su espejo principal, cubierto de oro, mide seis metros y medio),  el telescopio Webb, será lanzado plegado cual figura de origami. Tras atravesar la órbita de nuestra luna, se desdoblará delicadamente como una mariposa emergiendo de su crisálida para desplegar por completo el escudo protector y el espejo con forma de panal de abejas.

Cada paso del proceso debe completarse a la perfección para que el telescopio alcance su forma final de operación. 

Aproximadamente un mes después de su lanzamiento, llegará a su punto final de órbita, llamado Lagrange 2, ubicado en la línea imaginaria que conecta al Sol, La Tierra y a la Luna. Esta ubicación fue elegida para proteger los instrumentos que deben permanecer a muy bajas temperaturas.

“Esta es una posición muy atractiva para Webb porque es muy estable y el telescopio puede permanecer a una temperatura más o menos constante. En L2 (Lagrange 2) siempre estará protegido del Sol por la Tierra” dijo Sarah Kendrew, quien es miembro del equipo de científicos de la ESA-Webb en el Space Telescope Science Institute en Baltimore, Maryland, USA.  

 

Detectando el calor en el universo con una sensibilidad sin precedentes

El telescopio espacial James Webb observará en la región infrarroja del espectro de la luz, esto es, detectará calor. Para esto, está equipado de un escudo de múltiples capas que protege los instrumentos de cualquier forma de calor que provenga del sistema Tierra-Luna. 

“Es especialmente importante porque Webb es un telescopio infrarrojo. Todos los objetos en nuestro planeta, a nuestro alrededor, Ud. y yo, nuestras casas, y todo lo demás emite radiación infrarroja; por lo tanto, necesitamos suprimir esa radiación”, explica Sarah. 

El telescopio estará expuesto a una diferencia de temperatura, entre el espejo principal y el escudo, de cerca de 150 ºC.  

“Gracias a los protectores solares habrá una enorme diferencia de temperatura. Tan grande que, en el lado cálido, se podría hervir un huevo mientras que en el lado frío, donde se encuentra el espejo, podrías congelar oxígeno”, explica a manera de ilustración Marcio Meléndez, uno de los científicos del NASA-Astronomical Optics Scientists en el Space Telescope Science Institute de Baltimore, Maryland, USA.  

El Webb es un orgulloso heredero del legado del Hubble. Además de su tamaño y órbita, el Hubble y el Webb se distinguen en sus respectivas áreas de observación. El Webb será capaz de observar, con una sensibilidad sin precedentes, luz en las zonas cercana y media del infrarrojo, mientras que el Hubble se ha concentrado en la región visible del espectro. 

“El Webb es tan sensible que es capaz de detectar el calor que generaría una abeja en la Luna”,  dice el Premio Nobel de Física de 2006 John C. Mather, líder del equipo que trabaja en el proyecto. 

Debido a que la luz infrarroja es básicamente el calor que emana de cualquier objeto, esta tecnología nos permitiría observar lugares oscuros y ocultos como los que se esconden tras las densas nubes de polvo estelar, justamente donde nacen las estrellas.   

Otra razón para usar luz infrarroja es que la luz que observamos en el universo tiene su frecuencia desplazada a esas regiones del espectro debido a la expansión del espacio-tiempo. Los instrumentos del James Webb podrán capturar la luz proveniente de los objetos más distantes, rápidos y tenues del universo.  

“La radiación que proviene de las interacciones con hidrógeno, el elemento más abundante del universo, yace en el visible y el ultravioleta, pero se desplaza al rojo debido a la expansión del universo. Por esto, Hubble es incapaz de ver esa luz proveniente del origen del universo, pero Webb sí podrá hacerlo”, explicó Marcio Meléndez. 

Otra ventaja es que los elementos y moléculas necesarios para la vida dejan huellas únicas cuando interactúan con la luz infrarroja. Por lo tanto, con el James Webb, los investigadores podrán escudriñar buscando esas huellas químicas en, por ejemplo, las nubes estelares o las atmósferas de exoplanetas. 

El telescopio espacial James Webb está equipado de cuatro instrumentos de última tecnología: tres de ellos serán para observar las regiones del infrarrojo cercano (entre 0.5 y 5 micrómetros) y el cuarto estudiará el infrarrojo medio (de 0.6 a 28.5 micrómetros). Sarah Kendrew explica que las observaciones de estos instrumentos se complementarán entre sí, capturando la luz de “muchas de las distintas piezas del mismo rompecabezas”. Continúa:

“Los emplearemos para observar los planetas gigantes del sistema solar, sus lunas y planetas que acompañan a otras estrellas de nuestra galaxia. Será capaz de caracterizar (en detalle) lo que ocurre en las atmósferas de esos exoplanetas y observará otras galaxias del universo, desde aquellas muy cercanas a nosotros hasta las que se formaron muy temprano en los orígenes del universo”.

¿Pero cuáles son las preguntas concretas que los científicos buscan responder con este enorme observatorio espacial? Resumimos aquí las cinco principales:

Desde nuestra vecindad planetaria hasta los confines del universo conocido

I. ¿Cómo se veía el universo a la luz de las primeras estrellas? 

Comparado con Hubble, su predecesor, que capturaba luz proveniente de 12.5 millardos de años en el pasado, Webb podrá observar hasta 13.5 millardos de años en el pasado, justo al final de la Era Oscura del Universo. La Era Oscura es el período que comienza unos pocos miles de años tras el Big Bang, justo cuando las partículas elementales se combinaron para crear los átomos más simples, en su mayoría hidrógeno y helio.

Se supone que ese período era oscuro porque los fotones visibles eran capturados por los átomos nacientes. Luego, las nubes de hidrógeno comenzaron a colapsar por su propia atracción gravitacional, llevando a la formación de las primeras estrellas. En esas estrellas primigenias se crearon elementos más masivos, que eventualmente se convirtieron en la materia prima de los primeros planetas rocosos y de la vida como la conocemos.

“Uno de los principales objetivos de Webb es observar el origen del universo ¿Cómo surgieron las primeras estrellas y galaxias hace 13.5 millardos de años? Esa es la época de los primeros destellos de luz tras la era de recombinación, cuando el universo empezó a ser lo suficientemente frío para que la radiación pudiese escapar ¿Cómo era esa radiación? ¿Cómo fue ese universo recién nacido?” dice Marcio.

Las estrellas primitivas eran demasiado tenues para ser detectadas por los telescopios activos en este momento, pero con la llegada del James Webb por fin tendremos un telescopio diseñado para ser suficientemente sensible para mostrarnos los orígenes del universo como lo conocemos.

II. ¿Qué fue primero, el huevo o la gallina?  

Pues bien, los biólogos ya saben que el huevo fue primero. Sin embargo, aún no sabemos qué vino primero: los agujeros negros supermasivos o las galaxias ¿Cómo surgieron las enormes galaxias con agujeros negros supermasivos en sus núcleos? ¿Acaso se formaron primero esos agujeros negros y luego, a raíz de su descomunal atracción gravitacional, atrajeron el resto de la masa a su alrededor para eventualmente formar galaxias? ¿O acaso ocurrió que muchas estrellas se reunieron formando galaxias, para luego fusionarse creando los agujeros negros supermasivos en el núcleo?

Estudios recientes del observatorio ALMA indican que los agujeros negros supermasivos podrían haber “co-evolucionado” con sus respectivas galaxias. Con Webb, los astrónomos tendrán la oportunidad de observar el nacimiento de los primeros agujeros negros supermasivos y las primeras galaxias. Así, podrán estudiar cómo están enlazadas la evolución de los agujeros negros y la formación de las estrellas en las galaxias.

“Con Webb esperamos ver cómo se formaron las primeras galaxias. Esas primeras galaxias eran diferentes a las actuales, no tenían elementos pesados ¿Qué tipo de estrellas las conformaban? No conocemos sus tamaños, sus formas y este es uno de los aspectos más emocionantes del telescopio James Webb porque su ciencia es tan única”. Ilustra Sarah.

“Tenemos dos instrumentos: el NIRSpec (Espectrógrafo de infrarrojo cercano) y MIRI (Instrumento del infrarrojo medio), que capturarán la luz del espectro de cada píxel en las galaxias. De esta manera veremos la química de cada galaxia en la vecindad del agujero negro y lejos de él; seremos capaces de hacer seguimiento a la materia afectada por el agujero negro. Esto es importante porque hay un momento en el que el agujero negro empieza a emitir una gran cantidad de radiación y, en ese momento, el agujero negro puede detener el crecimiento de la galaxia y comienza a consumir toda la materia contenida en la galaxia”, explicó Marcio Meléndez, quien se dedica a la investigación de agujeros negros supermasivos y formación galáctica.

III. ¿Cómo obtienen los planetas rocosos como la Tierra su agua y las moléculas de la vida?  

Los instrumentos infrarrojos del telescopio espacial medirán el contenido molecular de las regiones internas de los discos protoplanetarios. Estas son las regiones en las que normalmente se encuentran planetas rocosos como la Tierra. El Webb específicamente buscará moléculas con elementos comunes de la vida: carbono, oxígeno, nitrógeno… midiendo las cantidades de agua, monóxido y dióxido de carbono, metano, amoníaco y cualquier otra molécula orgánica.

El Webb empleará el instrumento del infrarrojo medio para complementar las observaciones de ALMA hechas desde la Tierra. La idea no es ubicar las moléculas en planetas específicos sino en las regiones donde se estén formando ¿Cómo se hace eso? Cuando la luz interactúa con la materia y es descompuesta en sus múltiples colores, forma patrones que tienen las huellas de los elementos y moléculas con los que interactuó. Esto le permite a los científicos identificar no solamente cuáles elementos existen en algún lugar sino la cantidad.

“Puede tomar imágenes; funciona como una cámara. Tenemos muchísimos filtros diferentes de manera que se puede observar en los distintos colores de la luz infrarroja. También tenemos instrumentos de espectroscopía a bordo para descomponer la luz en sus distintas longitudes de onda. Esto es tremendamente poderoso porque nos permite estudiar la química de los objetos observados: cuáles elementos están disponibles, cómo interactúan, cómo se mueven los objetos, cómo rotan las galaxias, y otras preguntas como esas”, explicó Sarah Kendrew, quien ha estado trabajando por más de trece años en las operaciones científicas del Mid InfraRed Instrument, MIRI. 

El Webb también respaldará observaciones del telescopio espacial Spitzer de la NASA—en la búsqueda de vapor de agua en los discos protoplanetarios alrededor de estrellas pequeñas— desde enanas marrones hasta estrellas como nuestro Sol. La motivación es responder la gran pregunta ¿de dónde vino el agua de nuestro planeta? 

IV. ¿Dónde están otros mundos habitables?

En 1992, científicos trabajando en el radiotelescopio de Arecibo anunciaron la detección de dos planetas que giraban en torno a un pulsar lejano. Fue la primera de una avalancha de descubrimientos de sistemas planetarios extrasolares. A la fecha, han sido descubiertos más de cuatro mil exoplanetas. Los astrónomos estiman que sólo en la Vía Láctea el número de exoplanetas podría superar el billón.

Pero además de catalogar las rocas en torno a las estrellas, la pregunta fundamental es ¿estamos solos en el universo? Los expertos pesan las muchas razones por las que la vida, como la conocemos, debería estar allá afuera, no sólo en un lugar sino, tal vez, en muchos otros lugares. Sin embargo, desde la Tierra, con nuestros instrumentos actuales, no es realista esperar hallar vida sino, la química de planetas habitables. 

“Seremos capaces de detectar moléculas en las atmósferas de exoplanetas. Hay una enorme cantidad de cosas por aprender en esta área. Apenas hemos comenzado a estudiar esto con Hubble y algunos telescopios de gran poder basados en la Tierra. Estamos aprendiendo tan rápido sobre los exoplanetas: cómo se ven, sus propiedades, cómo se forman… también será un área muy interesante para el Webb”.

“Con el Webb, habrá un gran foco en buscar biomarcadores. Buscaremos moléculas que puedan indicar si un planeta puede soportar vida. Hay un esfuerzo de investigación considerable dedicado a esto. Incluso entender qué es un biomarcador, a cuáles moléculas hay que prestar atención”, continuó Sarah Kendrew, quien también está involucrada en las investigaciones de astrobiología del Webb. 

Una de las muchas maneras que los astrónomos usan para detectar exoplanetas es el método del tránsito. Tomemos, por ejemplo, el paso de Mercurio o Venus frente al Sol. Cuando esos planetas pasan entre el Sol y nosotros, se ven como una mancha oscura que atraviesa el Sol. Los astrónomos pueden ver así el paso de exoplanetas frente a sus estrellas madre. Sin embargo, con nuestra tecnología actual, no es posible ver la mancha del exoplaneta frente a la estrella sino la diminuta caída en el brillo de la estrella causada por su paso.

“La manera en que observamos esas moléculas [en las atmósferas de los exoplanetas] es que observamos el paso del planeta frente a su estrella. Observamos el sistema cuando el planeta pasa detrás de su estrella. Luego observamos el sistema cuando pasa frente a la estrella y buscamos las diferencias entre ambos datos. Estas observaciones son extremadamente complicadas; estamos buscando señales que no son de unos cuantos porcentajes sino de una diminuta, diminuta fracción de un porcentaje de la señal. Así que técnica y científicamente, estas son observaciones complicadas. Sin embargo, el Webb será capaz de completar tareas muy emocionantes en esta área”, explica Sarah.

V. ¿Qué se esconde bajo las superficies de nuestros planetas gigantes vecinos y sus lunas?  

El Webb escudriñará las atmósferas de las lunas de nuestros vecinos gigantes para estudiar sus climas, los componentes de sus atmósferas y la estructura de sus sistemas de nubes. Hay muchos misterios por desvelar ¿Cómo es el ciclo del metano en Titán? ¿Hay un mar bajo la cubierta de hielo de Ganímedes, tiene realmente volcanes, como sospechan los especialistas?  

Urano y Neptuno serán el centro de esta misión. No conocemos esos planetas lejanos con el detalle con que conocemos a Júpiter o Saturno ¿Cómo son sus respectivas químicas planetarias? ¿Cómo son sus sistemas de anillos y lunas? El Webb investigará también planetas enanos y asteroides, continuando el legado de la misión New Horizons de NASA. Aún hay mucho por aprender en esta área, su mineralogía y composición. Los asteroides en particular, son objetos rocosos vírgenes que contienen mucha información sobre el orígen del sistema solar.   

¿Qué podría salir mal?

Han pasado treinta años desde el lanzamiento del telescopio espacial Hubble y aún recordamos los problemas con uno de sus espejos y la costosísima misión que NASA tuvo que organizar para instalarle “anteojos” al Hubble.

Según Sarah Kendrew, el Webb “ha sido diseñado de manera muy diferente [al Hubble]”. Debido a la imposibilidad de una misión que pueda llegar tan lejos para reparar cualquier problema, los ingenieros han incluido muchos sistemas de respaldo. “Hay una gran cantidad de mecanismos de mitigación de riesgo incluidos en el diseño de Webb”.  

“El telescopio Webb en realidad es un enorme robot; tiene al menos cincuenta mecanismos desplegables con trescientos cuarenta y cuatro puntos de falla únicos. Esto quiere decir que si uno de estos puntos falla, la misión deja de existir. Son trece puntos de falla más que la misión más reciente [de NASA] a Marte. Otra diferencia con Hubble es que Webb tiene dieciocho espejos móviles, mientras que Hubble tiene sólo uno. Esto nos llevó a asegurarnos de que, de surgir un problema óptico como ocurrió con el Hubble, podremos controlar y ajustar esos dieciocho espejos desde La Tierra, para obtener las imágenes que queramos”, explicó Marcio.

A diferencia de Hubble, Webb ha superado muchas pruebas en la Tierra bajo condiciones de temperatura y vacío similares a las que encontrará en el espacio.

El lanzamiento, la gente, la emoción

El grupo de  científicos trabajando en el telescopio espacial James Webb es tan grande como la misión. La colaboración internacional incluye a la Agencia Espacial Europea-ESA, la Agencia Espacial Canadiense-CSA, y la Administración Nacional de Aeronáutica Espacial-NASA. La lista completa de instituciones supera las trescientas.   

“Siempre me asombra lo enorme que es el proyecto, cuánta gente está involucrada hoy y han participado por las décadas que hemos trabajado en Webb. Hay un gran número de colaboradores, institutos, y compañías, todas trabajando en el mismo proyecto. Y una de las razones es que es una misión compleja y difícil” Sarah expresó con entusiasmo.

El universo está lleno de sorpresas. Más allá de la emoción sobre los objetivos de la misión —la incertidumbre, lo desconocido que nos espera en las profundidades del espacio— son realmente lo más emocionante de la misión del telescopio espacial James Webb. El mismo misterio de lo desconocido que llevó a Alejandro de Humboldt a explorar las profundidades de la selva. 

Con respecto a esto, Marcio nos compartió su emoción:

“Más allá de las preguntas científicas que nos hagamos, nos emociona la ciencia nueva que descubriremos. Lo más emocionante del Hubble fue la ciencia que nadie esperaba descubrir. Entonces, no es solamente lo que tenemos planeado investigar con Webb, sino las cosas nuevas que veremos, que nos permitirán hacer nuevas preguntas ¿Qué interrogantes devela un telescopio tan sensible como este? ¿Qué sorpresas nos esperan? Esas son nuestras expectativas”. 

El telescopio espacial James Webb está pautado para ser lanzado desde el Puerto Espacial Europeo en la Guayana Francesa —cerca de la misma selva que fascinó a Humboldt y Bonpland—a bordo de un cohete Ariane 5 de la ESA el 22 de diciembre de 2021. Después del lanzamiento, seguirán dos semanas de tensión hasta que el telescopio se despliegue por completo. Si todo sale bien, tras seis meses el Webb nos mostrará las primeras imágenes de un cosmos que no hemos visto jamás.

Traducción del texto original en United Academics Magazine.

Referencias

1. Takuma, I. et al. (2021). Subaru High-z Exploration of Low-luminosity Quasars (SHELLQs). XIII. Large-scale Feedback and Star Formation in a Low-luminosity Quasar at z = 7.07 on the Local Black Hole to Host Mass Relation. The Astrophysical Journal 914(1), 36. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abf6dc 

Preimpresión: https://arxiv.org/pdf/2104.05738.pdf.

1. Atacama Large Millimeter/submillimeter Array Observatory. (2021). ALMA Discovers Earliest Gigantic Black Hole Storm. ALMA Observatory.
2. The European Space Agency. (2021). James Webb Space Telescope launch kit. ESA Science & Exploration. 
3. Kaltenegger, L., MacDonald, R. J., Kozakis, T., Lewis, N. K., Mamajek, E. E., McDowell, J. C., & Vanderburg, A. (2020). The White Dwarf Opportunity: Robust Detections of Molecules in Earth-like Exoplanet Atmospheres with the James Webb Space Telescope. The Astrophysical Journal, 901(1), L1. 
4. Lincowski, A. P., Lustig-Yaeger, J., & Meadows, V. S. (2019). Observing Isotopologue Bands in Terrestrial Exoplanet Atmospheres with the James Webb Space Telescope: Implications for Identifying Past Atmospheric and Ocean Loss. The Astronomical Journal, 158(1), 26. Kalirai, J. (2018). Scientific discovery with the James Webb Space Telescope. Contemporary Physics, 59(3), 251–290.
5. ​​Wolszczan, A., Frail, D. (1992). A planetary system around the millisecond pulsar PSR1257 + 12. Nature 355, 145–147. 

Científicos entrevistados

Sarah Kendrew. Astrónoma de ESA-James Webb space telescope y del MIRI instrument en el Space Telescope Science Institute de Baltimore, Maryland, EEUU.  

Marcio Meléndez. Científico de óptica astronómica y formación galáctica de NASA en el Space Telescope Science Institute de Baltimore, Maryland, EEUU. 

Acá puedes escuchar la entrevista completa con Marcio Meléndez

Imagen principal: ESA.