Esto es lo que el Telescopio Espacial James Webb pondrá su mirada a continuación

El mundo se reunió la semana pasada en un raro espectáculo de unidad internacional para mirar con asombro las primeras imágenes científicas producidas por el Telescopio Espacial James Webb. Décadas de fabricación y resultado de los esfuerzos de miles de personas de todo el mundo, el telescopio está listo para revolucionar la astronomía al permitirnos mirar más profundamente en el cosmos que nunca.

Webb tiene el espejo más grande jamás lanzado al espacio, así como el parasol más grande, y es el telescopio espacial más poderoso jamás construido. Las primeras imágenes son solo una muestra de lo que esta notable pieza de tecnología es capaz de hacer. Entonces, para obtener más información sobre qué investigación científica futura permitirá este gigante, hablamos con Mark McCaughrean, científico interdisciplinario de Webb en la Agencia Espacial Europea.

McCaughrean será uno de los primeros investigadores en utilizar Webb para su trabajo en la Nebulosa de Orión , y ha estado involucrado en la planificación del telescopio durante más de 20 años. Nos contó todo acerca de cómo Webb empujará las fronteras de la astronomía y permitirá descubrimientos que ni siquiera hemos comenzado a imaginar.

Ver el universo en infrarrojo

Cuando los astrónomos comenzaron a imaginar a Webb por primera vez en la década de 1980, tenían un plan específico en mente: querían una herramienta de investigación cosmológica para observar las primeras galaxias del universo.

Los científicos sabían que estas galaxias tempranas estaban ahí afuera y estaban cerca de ser accesibles para nosotros porque el Telescopio Espacial Hubble había observado algunas galaxias bastante tempranas. Al mirar en la longitud de onda de la luz visible, Hubble pudo identificar cientos de estas galaxias, que se formaron unos pocos cientos de millones de años después del Big Bang. Pero estas galaxias ya se habían formado, y los investigadores querían mirar hacia atrás aún más, para ver si realmente se estaban formando.

Para hacer eso, necesitaban una herramienta que pudiera mirar en la longitud de onda infrarroja, más allá de la luz visible. Eso se debe a que las primeras galaxias emitían luz visible al igual que las galaxias actuales. Pero el universo se expande con el tiempo, y eso significa que las galaxias que vemos en el cielo se están alejando de nosotros. Cuanto más antigua es la galaxia, más lejos está. Y esta distancia provoca un fenómeno llamado corrimiento al rojo.

Similar al efecto Doppler, en el que los sonidos cambian su tono percibido a medida que cambia la distancia entre la fuente y el observador, la longitud de onda de la luz cambia a medida que su fuente se aleja de nosotros. Esta luz se desplaza hacia el extremo más rojo del espectro, de ahí el nombre de corrimiento al rojo.

Las galaxias más antiguas, entonces, tienen una luz que se desplaza tanto hacia el rojo que ya no es observable como luz visible. En cambio, es visible como infrarrojo, y esta es la longitud de onda en la que opera Webb.

Así es como Webb puede detectar e identificar las galaxias más antiguas. Si Webb puede ver una galaxia que brilla intensamente en el infrarrojo, pero que es tenue o invisible para los telescopios basados ​​en luz principalmente visible como el Hubble, entonces los investigadores pueden estar seguros de que han encontrado una galaxia que está extremadamente desplazada hacia el rojo, lo que significa que es muy muy lejos, y por lo tanto muy antiguo.

Incluso en la primera imagen de campo profundo de Webb, puedes ver algunas galaxias extremadamente antiguas. El cúmulo de galaxias que es el foco de la imagen tiene 4600 millones de años, pero debido a su masa, dobla el espacio-tiempo a su alrededor. Esto significa que la luz que proviene de las galaxias detrás de este cúmulo también se dobla, por lo que el cúmulo actúa como una lupa en un efecto llamado lente gravitacional. Algunas de las galaxias vistas en este campo profundo tienen alrededor de 13 mil millones de años, lo que significa que se formaron en los primeros mil millones de años del universo.

Expansión para hacer más

Sin embargo, si Webb se conceptualizó originalmente como una herramienta de cosmología, pronto se expandió para convertirse en mucho más que eso.

Durante décadas de planificación para Webb, los diseñadores se dieron cuenta de que la herramienta que estaban construyendo podría usarse para campos mucho más diversos que solo la cosmología. Agregaron nuevos instrumentos, como MIRI, que mira en la longitud de onda del infrarrojo medio en lugar del infrarrojo cercano y es más útil para estudiar la formación de estrellas y planetas que la cosmología. Esa diferencia trae su propio desafío ya que este instrumento tiene detectores diferentes de los otros instrumentos y requiere su propio enfriador . Pero, junto con otros instrumentos, expande lo que Webb puede hacer en toda una gama de posibilidades.

“El enfoque original del telescopio estaba mucho más en el universo de alto corrimiento al rojo”, resumió McCaughrean. “Ese era el objetivo más alto, encontrar estas primeras estrellas y galaxias que se formaron después del Big Bang. Todo lo demás después de eso es un 'agradable tener'. Pero sobre el progreso del proyecto, logramos convertirlo en cuatro temas: cosmología, formación de estrellas, ciencia planetaria y evolución de galaxias. Y nos aseguramos de que el observatorio fuera capaz de todo eso”.

Cámaras y espectrógrafos

Webb tiene cuatro instrumentos a bordo: la cámara de infrarrojo cercano o NIRCam, el espectrógrafo de infrarrojo cercano o NIRSpec, el generador de imágenes de infrarrojo cercano y el espectrógrafo sin rendija o NIRISS, y el instrumento de infrarrojo medio o MIRI. También hay un sensor llamado Fine Guidance Sensor (FGS), que ayuda a apuntar el telescopio en la dirección correcta.

Los instrumentos son una combinación de cámaras y espectrógrafos, que son instrumentos para dividir la luz en diferentes longitudes de onda para que pueda ver qué longitudes de onda se han absorbido. Esto le permite ver de qué está compuesto un objeto mirando la luz que emite.

Si bien las imágenes tomadas por las cámaras atraen la mayor atención del público, los espectrógrafos no deben subestimarse como herramienta científica. Alrededor de la mitad del tiempo de observación asignado actualmente se dedica a la espectroscopia, para tareas como analizar la composición de las atmósferas de los exoplanetas. En parte, eso se debe a que toma más tiempo tomar el espectro de un objeto que tomar una imagen de él, y en parte porque la espectroscopia puede hacer cosas que las imágenes no pueden.

Las cámaras y los espectrógrafos también funcionan juntos, ya que los filtros que se utilizan en las imágenes son útiles para seleccionar objetos para estudiar con los espectrógrafos.

“Imagina que haces un campo profundo, tomando algunas imágenes profundas con NIRCam”, explicó McCaughrean. “Luego, usa diferentes filtros para seleccionar candidatos, porque habrá demasiadas cosas para observar en ese campo una por una con espectroscopia. Por lo tanto, necesita la imagen para encontrar a los candidatos”, como mirar los colores en una imagen para decidir que un objeto determinado es, por ejemplo, una galaxia de alto desplazamiento al rojo y no una estrella cercana débil.

Esto ya se ha demostrado en la práctica, con la primera imagen de campo profundo de Webb . La imagen se realizó con la cámara NIRCam, que pudo captar una gran cantidad de galaxias, tanto cercanas como lejanas, en una imagen impresionante. Luego, se eligieron y observaron objetivos particulares, como una galaxia de más de 13 mil millones de años , con el espectrógrafo NIRSpec, recopilando datos sobre la composición y la temperatura de esta galaxia temprana.

“Es un espectro tan hermoso y limpio”, dijo McCaughrean. “Nadie ha visto algo así antes desde ningún lugar. Así que ahora sabemos que esta máquina funciona con una potencia increíble”.

Múltiples modos

Para comprender todas las capacidades de Webb, debe saber que los cuatro instrumentos no tienen solo un modo cada uno: se pueden usar de múltiples maneras para observar diferentes objetivos. En total, hay 17 modos entre los cuatro instrumentos, y cada uno de ellos tuvo que ser probado y verificado antes de que el telescopio fuera declarado listo para iniciar operaciones científicas.

Por ejemplo, tome el instrumento NIRSpec. Puede realizar varios tipos de espectroscopia, incluida la espectroscopia de hendidura fija, que es un modo muy sensible para investigar objetivos individuales (como el análisis de la luz emitida por la fusión de estrellas de neutrones llamada kilonova), o la espectroscopia de unidad de campo, que analiza los espectros para múltiples píxeles en un área pequeña para obtener información contextual sobre un objetivo (como mirar una galaxia extremadamente distante que ha sido deformada por lentes gravitacionales).

El tercer tipo de espectroscopia que hace NIRSpec es algo realmente especial llamado espectroscopia multiobjeto. Utiliza pequeñas contraventanas en forma de ventana dispuestas en un formato llamado matriz de microobturadores. “Son básicamente pequeños dispositivos de un par de centímetros de ancho, de los cuales tenemos cuatro. En cada uno de esos dispositivos, hay 65.000 pequeños obturadores individuales”, dijo McCaughrean.

Cada una de estas persianas se puede controlar individualmente para abrirse o cerrarse, lo que permite a los investigadores seleccionar qué partes de un campo están mirando. Para usar estos microobturadores, los investigadores primero toman una imagen usando otro instrumento como NIRCam para seleccionar los objetos de interés. Luego mandan abrir las contraventanas correspondientes a estos objetos de interés, mientras que las demás permanecen cerradas.

Esto permite que la luz de los objetivos, como galaxias particulares, brille a través de los detectores del telescopio, sin permitir que la luz del fondo también se filtre. "Al abrir solo la puerta donde está la galaxia y cerrar todas las demás puertas, cuando la luz pasa por ese objeto, se dispersa en un espectro, y no tienes toda la otra luz que pasa", dijo McCaughrean. . “Eso lo hace más sensible”.

Esta espectroscopia multiobjeto se puede utilizar para observar galaxias particulares en imágenes de campo profundo, lo que es especialmente útil para estudiar las galaxias más tempranas que están muy desplazadas hacia el rojo. Y este método es capaz de obtener espectros de hasta 100 objetos a la vez, lo que lo convierte en una forma muy eficiente de recopilar datos.

Lidiando con demasiada luz

Como demuestran los microobturadores, una parte complicada de trabajar con instrumentos altamente sensibles es lidiar con demasiada luz. Tomemos como ejemplo el trabajo que James Webb hará en Júpiter en sus primeros meses de funcionamiento; en realidad, es muy difícil obtener imágenes de los anillos y las lunas alrededor de Júpiter porque el planeta en sí es muy brillante. Si el objeto tenue que está tratando de observar está al lado de uno muy brillante, puede apagar sus lecturas para que todo lo que vea sea la luz del objeto más brillante.

Un problema similar surge cuando intentas observar exoplanetas distantes, que son muy tenues en comparación con las estrellas que orbitan. Para hacer frente a este desafío, James Webb tiene otro truco bajo la manga llamado coronagrafía.

Tanto NIRCam como MIRI tienen modos de coronagrafía, cuya forma más simple es colocar un pequeño disco de metal frente al objeto brillante para bloquear su luz. Entonces puede observar las otras fuentes de luz más tenues a su alrededor más fácilmente. Pero este enfoque tiene sus limitaciones: si el objeto brillante se mueve detrás del disco, su luz puede derramarse por los bordes y arruinar las observaciones. Puede hacer que el disco sea más pequeño para que bloquee solo el punto central más brillante del objeto, pero aún así tendrá que lidiar con un exceso de luz. Podrías agrandar el disco, pero luego bloquearía otros objetos que están cerca del objeto brillante.

Entonces, hay otra forma de este modo de coronagrafía que usa un hardware llamado máscara de fase de cuatro cuadrantes. “Esta es una pieza óptica muy inteligente”, dijo McCaughrean. “No tiene un disco de metal, pero tiene cuatro piezas de vidrio diferentes que imparten diferentes fases a la luz que entra. Cuando pensamos en la luz como una onda, en lugar de fotones, la luz tiene una fase. Si coloca la fuente brillante justo en la cruz donde se encuentran esas cuatro placas de fase diferentes, puede resolverlo de tal manera que la luz realmente se cancele de la estrella, debido al efecto de interferencia de onda".

Eso significa que si lo alinea correctamente para que el objeto brillante esté exactamente en el medio de estos cuadrantes, la luz de la estrella se cancelará, pero la luz de otros objetos como los planetas seguirá siendo visible. Eso lo hace ideal para observar exoplanetas que orbitan cerca de sus estrellas anfitrionas que, de otro modo, serían imposibles de ver.

Haciendo uso del tiempo

Otra forma más de manejar una combinación de objetos brillantes y oscuros es realizar varias lecturas a lo largo del tiempo. A diferencia de algo como su teléfono, que toma una foto y luego se reinicia inmediatamente, los detectores en Webb pueden tomar múltiples lecturas sin reiniciar.

“Así que podemos tomar una serie de fotografías a lo largo del tiempo con el mismo detector, ya que acumula la luz de las fuentes débiles”, explica McCaughrean. “Pero cuando miramos los datos, podemos usar las primeras imágenes para las fuentes brillantes antes de que se saturen, y luego seguir acumulando luz de las fuentes débiles y obtener la sensibilidad. Extiende efectivamente el rango dinámico al leer los detectores varias veces”.

Otro modo en el que los instrumentos pueden operar se llama observaciones de series de tiempo, que básicamente consiste en tomar muchas lecturas una tras otra para capturar objetos que cambian con el tiempo. Eso es útil para capturar objetos que parpadean, como estrellas de neutrones pulsantes llamadas magnetares, o para observar exoplanetas que se mueven frente a su estrella anfitriona en un movimiento llamado tránsito.

“A medida que un planeta transita frente a la estrella, desea atraparlo en los bordes del tránsito, así como en el medio del tránsito”, dijo McCaughrean. “Así que sigues viéndolo y sigues tomando datos”.

Un desafío con este método es que requiere que el telescopio permanezca en una alineación casi perfecta porque si se moviera aunque sea un poco, introduciría ruido en los datos. Pero la buena noticia es que el telescopio está funcionando muy bien en términos de apuntar a un objeto y permanecer en su lugar, gracias al sensor de orientación fina que se fija en las estrellas cercanas y se ajusta a cualquier perturbación, como los vientos solares.

Desafíos al trabajar con Webb

Como con cada pieza de tecnología, hay limitaciones en lo que Webb puede hacer. Una de las grandes limitaciones prácticas para los científicos que utilizan Webb es la cantidad de datos que pueden recopilar del telescopio. A diferencia del Hubble, que orbita alrededor de la Tierra, Webb orbita alrededor del sol en una posición llamada L2 .

Eso es alrededor de 1 millón de millas de distancia de la Tierra, por lo que Webb está equipado con una poderosa antena de radio que puede enviar datos a la Tierra a una velocidad de 28 megabits por segundo. Eso es bastante impresionante, como señaló McCaughrean, es sustancialmente más rápido que el Wi-Fi en su hotel que estábamos usando para hablar, incluso a una distancia mucho mayor, pero no está cerca de la cantidad total de datos que los instrumentos pueden tomar por segundo.

El observatorio tiene una pequeña cantidad de almacenamiento de estado sólido, alrededor de 60 GB , que puede registrar datos durante un breve período de tiempo si los instrumentos recopilan más datos de los que pueden devolverse, actuando como un búfer. Puede que no parezca mucho en comparación con el tipo de almacenamiento que normalmente obtiene en un teléfono o una computadora portátil, pero los requisitos del hardware que es seguro contra la radiación y puede soportar décadas de uso son bastante diferentes.

Esta limitación significa que los investigadores deben ser selectivos sobre qué datos priorizar en los enlaces descendentes del telescopio, eligiendo solo los datos más vitales para sus necesidades. Quizás se pregunte por qué Webb no se coloca más cerca de la Tierra en ese caso, pero la órbita L2 es esencial para la forma en que funciona, y la razón se debe a las temperaturas.

“La gente piensa que el espacio es frío, bueno, no si estás al lado de un objeto grande que te calienta todos los días como la Tierra o el sol”, dijo McCaughrean. "Entonces, si desea mirar en el infrarrojo, debe asegurarse de que su telescopio esté increíblemente frío, de modo que no emita en las longitudes de onda que está tratando de detectar". Es por eso que Webb tiene un parasol enorme para ayudar a mantenerlo fresco, y por qué está en L2 para que el parasol pueda bloquear el calor tanto del sol como de la Tierra.

“Hemos construido un observatorio que debe estar en L2, debe estar allí para enfriarse, para que pueda ofrecer esta ciencia. Y debido a que está en L2, solo tenemos cierto ancho de banda”, explicó McCaughrean. “No existe tal cosa como un almuerzo gratis, digámoslo de esa manera”.

La comunidad decide

El primer año de observaciones de Webb está cuidadosamente planificado. En los primeros cinco meses de operaciones científicas, trabajará en programas científicos de lanzamiento anticipado , que son aquellos diseñados para superar los límites del hardware de Webb y ver de lo que es capaz. Dentro de su primer año, trabajará en programas que han sido seleccionados en el Ciclo 1 , incluida la investigación de exoplanetas, agujeros negros, campos profundos y más.

Sin embargo, más allá de eso, el trabajo futuro que se realizará con Webb está abierto en gran medida. Los investigadores envían propuestas sobre los datos que desean recopilar mediante Webb, y estas propuestas se revisan por pares para seleccionar aquellas que son científicamente más interesantes. “La comunidad decide lo que se hace con el observatorio”, dijo McCaughrean.

Esta participación de la comunidad ya ha cambiado la forma en que se usa Webb; por ejemplo, la investigación de exoplanetas actualmente ocupa alrededor de un tercio del tiempo de observación disponible en la primera ronda de investigación. Cuando McCaughrean y sus colegas estaban planeando cómo se podría usar Webb a principios de la década de 2000, no se imaginaban que se realizaría una investigación de exoplanetas tan grande porque se habían descubierto muy pocos exoplanetas en ese momento.

Esto hace que Webb sea diferente de las misiones con un propósito muy específico, como el observatorio Gaia de la ESA, que está diseñado específicamente para hacer un mapa 3D de la galaxia, y más como el Hubble, que fue diseñado para satisfacer muchas necesidades de investigación. “Definitivamente es un observatorio de propósito general”, dijo McCaughrean. “Solo hay que mirar el Hubble y cómo ha evolucionado a lo largo de los años. En parte a través de la puesta en marcha de nuevos instrumentos, pero principalmente a través de la comunidad científica decidiendo que hay diferentes prioridades y diferentes áreas que deben hacerse”.

Esta flexibilidad es posible porque Webb está diseñado para ser útil para la investigación en una gran cantidad de campos, incluidas las aplicaciones en las que aún no hemos pensado. Se proyecta que Webb dure al menos 20 años, y apenas hemos comenzado a explorar lo que podría hacer en ese tiempo.

“Eso es lo emocionante. Si construyes un observatorio de propósito general muy poderoso y muy capaz, en muchos sentidos está limitado solo por la creatividad de la comunidad”, dijo McCaughrean. “Webb es lo que hacemos ahora”.