¿Qué podrá ver el reemplazo del Hubble? [ENTREVISTA]

El nuevo telescopio espacial James Webb será lanzado el 2019

A principios de marzo, la red volvió a informar que el lanzamiento del telescopio "James Webb" se había retrasado una vez más durante varios meses debido a problemas técnicos. Sin embargo, "James Webb" no es una herramienta fácil para la cual la comunidad astronómica tiene grandes esperanzas. En este artículo, les diremos qué hace que el lanzamiento del telescopio sea tan complejo y cómo se cumplirá su misión.

La idea de construir un nuevo y poderoso telescopio surgió hace casi 20 años. En 1996, los científicos publicaron un informe llamado "HST y más allá", que discutió la pregunta principal: ¿hacia dónde debería ir la astronomía? Coincidió que en 1995 se descubrió el primer exoplaneta junto a una estrella similar a nuestro Sol. Naturalmente, la idea emocionaba a la comunidad científica (de hecho había una posibilidad de que en algún lugar pueda haber un mundo que se asemeje a la Tierra) por lo que los investigadores pidieron a la NASA construir un telescopio que fuera adecuado para la búsqueda de exoplanetas. Es aquí donde comienza la historia de "James Webb".


Científicos de NASA revisando los espejos del James Webb / NASA


Científicos de NASA revisando los espejos del James Webb / NASA


Los espejos del Webb tienen una delgada capa de oro / NASA


Los espejos del Webb tienen una delgada capa de oro / NASA

El nombre "James Webb" no se asignó al telescopio hasta 2002, antes de eso llamaba el Telescopio Espacial de Nueva Generación (o NGST por sus siglas en inglés). El caso es que se suponía que el instrumento debía continuar la investigación iniciada por Hubble. Además, este nombre fue elegido debido a las avanzadas tecnologías y soluciones de ingeniería que se planificaron para su uso en el telescopio.

Quizás el más extraño y complejo de ellos sea el espejo principal de James Webb, con un diámetro de 6,5 metros. Los científicos no podían crear una versión simplemente ampliada del espejo del Hubble, porque pesaba demasiado para lanzarlo al espacio. Luego, los investigadores idearon una forma elegante de salir de la situación: decidieron ensamblar un espejo de 18 segmentos individuales. Para su creación, se utilizó un metal ligero y fuerte de berilio, sobre el que se aplicó una fina capa de oro. El diseño final pesa 705 kilogramos, mientras que su área es de 25 metros cuadrados. Pero lo más importante es la capacidad de resolución del espejo, que alcanza 0.1 segundos angulares. En otras palabras, James Webb podrá ver objetos muy pequeños a distancias muy distantes.


Los espejos del Webb son extremadamente sensibles / NASA


El espejo del Webb tendrá el tamaño de una cancha de tennis / NASA


El espejo del Webb tendrá el tamaño de una cancha de tennis / NASA

Otro componente importante del telescopio, que recientemente causa muchos problemas a los ingenieros, es un escudo desplegable. Es necesario para proteger los dispositivos sensibles del  "James Webb" del sobrecalentamiento. Por lo general, nos parece que en el espacio hace frío, pero no es así. En una órbita cercana a la Tierra, por ejemplo, el aparato puede calentarse a 121 grados Celsius, ya que la atmósfera densa de la Tierra no disipa la radiación solar. Los dispositivos "James Webb", por el contrario, deben funcionar en condiciones de temperaturas suficientemente bajas, por lo que los investigadores crearon un escudo especial que los protege del sol.

En tamaño es comparable al de una cancha de tenis de 21 x 14 metros, por lo que es imposible enviarlo desdoblado al punto Lagrange L2 (donde funcionará el telescopio). Aquí comienzan las principales dificultades: ¿cómo lanzar el escudo al destino para que no se dañe? La solución más lógica era doblarlo durante el vuelo, y luego expandirlo cuando el "James Webb" estuviera en el punto de funcionamiento.

El lado exterior, donde está localizada la antena, la computadora, los giroscopios y los paneles solares, se calentará hasta los 85° Celsius. Pero en el lado "de noche", donde están los principales instrumentos científicos, estará helado: alrededor de -233 grados centígrados. Para proporcionar aislamiento térmico, el escudo será de cinco capas, cada una más fría que la anterior.


Los científicos buscan proteger las partes más sensibles del telescopio / NASA


Los científicos buscan proteger las partes más sensibles del telescopio / NASA

¿Qué instrumentos científicos se deben proteger cuidadosamente del Sol? En total, hay cuatro de ellos: la cámara infrarroja cercana NIRCam, el dispositivo infrarrojo medio NIRSpec, el espectrómetro infrarrojo cercano MIRI y el sistema FGS / NIRISS. En la imagen de abajo puedes ver claramente en qué "luz" verán el universo:

Con la ayuda de estos instrumentos científicos, los científicos esperan responder muchas preguntas fundamentales. En primer lugar, las referentes a exoplanetas.

A pesar de que hasta la fecha, Kepler ha descubierto más de 2.500 candidatos confirmados, las estimaciones de densidad (atmosférica) solo existen para unos pocos cientos. Mientras tanto, estas estimaciones nos permiten comprender el tipo de planeta al que pertenece. Si tiene una baja densidad, obviamente, tenemos un gigante de gas frente a nosotros. Si el cuerpo celeste tiene una alta densidad, entonces, lo más probable es que sea un planeta rocoso que recuerda a la Tierra o a Marte. Los astrónomos esperan que el James Webb ayude a recopilar más datos sobre las masas y los diámetros de los planetas, lo que ayudará a calcular su densidad y determinar su tipo.

Otro tema importante se refiere a las atmósferas de los exoplanetas. Hoy, el Hubble y el Spitzer dieron una descripción de las bombas de gas de alrededor de cien objetos. Las herramientas del "James Webb" aumentarán este número, al menos tres veces. Gracias a instrumentos científicos y diferentes modos de observación, los astrónomos podrán ver rastros de un gran número de moléculas, incluyendo agua, metano y dióxido de carbono, no solo en planetas gigantes, sino también en planetas terrestres.

Además, el James Webb medirá la temperatura de los cuerpos celestes y estudiará su clima. En particular, será posible predecir la presencia de una atmósfera en planetas del mismo tipo que la Tierra, ya que el aire participa activamente en la transferencia de calor. Uno de los objetivos de observación será el notorio sistema TRAPPIST-1, donde hay siete planetas similares a la Tierra a la vez, el telescopio estudiará todos los objetos excepto TRAPPIST-1c.

Por otro lado, el James Webb podrá explorar el planeta utilizando fotometría de alta precisión. En su mayoría, este método se usa para estudiar objetos durante el tránsito, pero un nuevo telescopio le permitirá obtener información sobre los cuerpos celestes, incluso si no pasan a través de la estrella; sin embargo, deberán estar en una órbita corta.

Se espera que la mayoría de los resultados sean “Júpiter jóvenes”, recién formados, que todavía irradian calor. Además, el Webb obtendrá una gran cantidad de datos sobre los gigantes de gas. En particular, en el sistema solar, debido a que a medida que el gigante de gas reduce su tamaño, el contenido de metales (elementos más pesados ​​que el hidrógeno y el helio) aumenta. El Hubble en su momento mostró que no todos los sistemas planetarios están sujetos a esta ley, sin embargo, no tiene una muestra estadísticamente significativa, algo que sí obtendrá el James Webb. Además, se espera que el telescopio también estudie planetas más pequeños que Neptuno y las famosas “Super Tierras”.

Otro objetivo importante del telescopio serán las galaxias antiguas. Hoy, que ya saben mucho acerca de las galaxias modernas, pero todavía muy pocos de los que han aparecido en el universo muy temprano. "Hubble" puede ver el universo como fue unos 400 millones de años después del Big Bang; y el Observatorio "Planck", detectó radiación cósmica que se originó 400 mil años luego del Big Bang. El James Webb llenará ese vacío y averiguará cómo las galaxias parecían en el primer 3 por ciento de la historia cósmica.

Ahora los astrónomos observan una relación directa entre el tamaño de la galaxia y su edad: cuanto más viejo es el Universo, más galaxias pequeñas hay en él. Sin embargo, es poco probable que esta tendencia continúe y los científicos esperan determinar algún "punto de inflexión" para encontrar el límite inferior del tamaño de las galaxias. Por lo tanto, los astrónomos quieren responder la pregunta, ¿cuándo aparecieron las primeras galaxias y qué es una galaxia en general?

Un punto aparte es el estudio de nubes moleculares y discos protoplanetarios. En el pasado, Spitzer solo podía ver el vecindario más cercano del sistema solar. El Webb es mucho más sensible y puede ver el otro lado de la Vía Láctea, así como su centro. Además, buscará estrellas de la población III, estos son objetos muy livianos (100-1000 veces más livianos que el sol), que consisten principalmente en helio, hidrógeno y litio. Hoy, no se ha encontrado ninguno de esos objetos. Se supone que las estrellas de este tipo deberían formar la primera generación de estrellas después del Big Bang.

El lanzamiento del James Webb está programado para junio de 2019. Inicialmente se asumió que el telescopio se enviaría al espacio a principios de la primavera, pero la misión se pospuso durante varios meses debido a problemas técnicos. N+1 habló con Christine Pulliam, supervisora ​​de investigación adjunta del proyecto, y descubrió qué dificultades enfrentan los investigadores y cuándo esperar los primeros resultados.

N+1 Supongo que haré la pregunta obvia, pero ¿qué hace que el "James Webb" sea único?
Christine Pulliam
: El "Webb" nos permitirá ver el universo como nunca antes lo habíamos visto. Llevará a cabo observaciones en el rango de infrarrojos, es decir, en otras longitudes de onda que el Hubble, podrá mirar más allá del Spitzer, y en otras áreas además del Herschel. Completará los vacíos y ayudará a crear una imagen holística del universo. Las observaciones extensas en el rango infrarrojo nos ayudarán a ver las estrellas y los planetas nacientes. Finalmente observaremos las primeras galaxias, y esto ayudará a armar toda la historia cosmológica. A algunas personas les gusta decir que los telescopios son máquinas del tiempo, y esta es una expresión muy buena. Cuando miramos hacia el espacio, vemos el pasado, porque la luz tarda un tiempo en llegar a la Tierra. Veremos el universo cuando era extremadamente joven, y ayudará a comprender cómo aparecimos y cómo funciona el universo. Si hablamos de algo más cercano a la humanidad, entonces veremos cómo surgieron las estrellas, cómo se formaron los exoplanetas, e incluso podemos caracterizar sus atmósferas.

Sí, la cuestión de las atmósferas en los planetas distantes es una gran preocupación para muchos. ¿Qué resultados espera recibir?
Tuvimos misiones como Kepler, que estaban buscando candidatos. Gracias a ellos, hoy conocemos miles de exoplanetas. Ahora, el James Webb observará objetos ya conocidos y explorará sus atmósferas. En particular, en lo que se refiere a planetas gigantes, cuerpos celestes de tamaño entre el Neptuno y los “super Júpiter”. Es extremadamente importante para nosotros entender cómo se forman tales objetos, cómo evolucionan y cómo se ven los sistemas en los que están compuestos. Por ejemplo, si vemos un sistema de varios planetas, es importante determinar si puede haber agua y dónde buscarla.

¿Determina la zona de hábitat?
Exacto Para diferentes estrellas, será diferente. "James Webb" nos ayudará a caracterizar los planetas distantes y comprender cuán único es nuestro hogar.

Se espera que la misión del telescopio dure unos diez años. Sin embargo, ¿cuáles son las predicciones reales? Todos recordamos Voyagers, que todavía están en condiciones de funcionar y enviar datos a la Tierra, aunque nadie lo planeó.
La vida útil nominal del instrumento es de cinco años, y esperamos que pueda trabajar más. Si uno da estimaciones más audaces, entonces son diez años. Estamos limitados al suministro de frío, que debe mantener los sistemas de telescopio en funcionamiento. No creo que el James Webb pueda “vivir” durante 29 años, como el Hubble.

Sí, James Webb estará demasiado lejos de la Tierra, en el segundo punto de Lagrange. ¿Cree que la tecnología nos permitirá viajar al telescopio en el futuro y repararlo en caso de avería?
Esta posibilidad no está descartada. En este caso, el telescopio tiene un soporte para un manipulador robótico, que se puede instalar en el "Webb". Sin embargo, desde el principio no se previó el mantenimiento del telescopio, por lo que no es necesario depositar demasiadas esperanzas en él. Dado que la herramienta solo funcionará durante 5-10 años, es poco probable que podamos avanzar lo suficiente como para enviarle una nave espacial.

¿James Webb trabajará en conjunto con otras naves espaciales? Por ejemplo, el Centro Espacial y Astronómico de la Universidad de Colorado ofrece crear un coronógrafo externo para él. En 2013, hablaron sobre el posible trabajo conjunto con el telescopio. ¿Existen planes así en realidad?
No diría que en este momento estamos considerando tal oportunidad. Si no me equivoco, Webb Cash responde para este proyecto, pero hay otro proyecto de estribor, así como varios otros grupos que están creando herramientas similares. No hay planes concretos para vincular James Webb con otra herramienta, aunque hipotéticamente puede funcionar junto con cualquier observatorio espacial.

¿Y cómo se planea distribuir el tiempo de observación?
Ahora los astrónomos de todo el mundo nos envían sus aplicaciones y, una vez que pasen la revisión, obtenemos un plan aproximado. Hay un "tiempo garantizado para la observación", que se asigna a los científicos que ayudan en el diseño y la creación de "James Webb" hoy, algo así como una gratitud por su trabajo. Estos investigadores estudiarán galaxias, exoplanetas, por ejemplo, los planetas del sistema TRAPPIST. En parte, elegimos nuestros objetivos para probar las posibilidades del James Web. Cuando creamos el telescopio, comenzamos a pensar en exoplanetas, pero ahora, esta es una área muy prometedora en la astronomía, y debemos entender cómo usar el Webb para estudiar planetas fuera del sistema solar. Esto es exactamente lo que harán los equipos que realizarán observaciones en el primer año. En otoño ya se sabrá que "veremos" durante el primer año.

¿Por qué los tiempos de puesta en marcha se cambiaron de nuevo? Hay rumores sobre problemas financieros y problemas con el sistema espejo.
El asunto es que el Webb es un telescopio muy difícil, y por primera vez resolvemos un problema tan difícil. El dispositivo tiene varios componentes principales: espejos, herramientas, un escudo enorme y mecanismos de enfriamiento. Todos estos elementos deben ser construidos y probados, combinados, probados nuevamente; por sí mismo, lleva tiempo. También debemos asegurarnos de haber hecho todo correctamente, de que todas las piezas encajen, que el lanzamiento sea exitoso y que todos los elementos se desarrollen correctamente. Los retrasos se deben a una gran cantidad de etapas y la necesidad de una verificación exhaustiva.

Entonces, ¿ahora realizaron pruebas y se dieron cuenta de que no encaja en el cronograma original?
Sí. De hecho, todavía tenemos mucho tiempo de respaldo. Inicialmente sabíamos que todo estaría en orden, pero admitimos que el entrenamiento podría continuar por alguna razón. Además, cuando estemos listos para iniciar el dispositivo, también tendremos que acordar una fecha específica con la ESA, propietaria del cohete Ariane. Entonces pensamos, ¿por qué apurarnos?

Cuéntanos… ¿qué pruebas debería pasar el telescopio?
Recientemente, el sistema OTISS (Optical Telescope and Instrument Assembly) fue probado en el Centro Espacial Lyndon Johnson. Se enfrió a temperaturas de operación extremadamente bajas, se probaron todas las ópticas y el propio telescopio. Recientemente, los científicos retiraron el sistema de la cámara de enfriamiento, lo calentaron nuevamente y ahora OTISS viajará a California, al Parque Cósmico en la playa de Redondo, donde se conectará a un protector solar. Además, ahora también se está trabajando en el escudo en sí, los expertos están realizando numerosos controles. Cuando todos los elementos estén unidos al escudo, se doblarán y desplegarán para garantizar que funcionen sin quejas, y luego se realizarán otras pruebas, incluida una prueba de vibración, que el telescopio encontrará durante un vuelo en el cohete. El lanzamiento al espacio es una prueba seria para el vehículo, por lo que los ingenieros quieren asegurarse de que todos sus componentes sobrevivan al vuelo. Luego, los investigadores prepararán al James Webb para su lanzamiento, pondrán una barcaza y lo enviarán al centro espacial en la Guayana Francesa en algún momento a comienzos de 2019.

¿Y las otras herramientas? Por lo que yo sé, no mencionaste todo. ¿Ya pasaron los controles preliminares?
Sí, ya pasaron todas las pruebas y ahora están instalados en el telescopio. Estos son dispositivos separados que llevarán a cabo numerosas investigaciones científicas: un espectrógrafo que estudia el cielo en el rango IR medio, una cámara. Además, todas las herramientas tienen diferentes modos, por lo que debemos verificar si realmente funcionan de la manera que quisiéramos. Esto es muy importante: es necesario "agitar" el dispositivo y asegurarse de que el ángulo de visión permanezca igual.

¿Cuándo debemos esperar los primeros resultados?
Lo más probable es que los primeros datos lleguen a fines del próximo año o principios de 2020. Entre el inicio y la recepción de la primera información. Durante este tiempo, el telescopio se desplegará, y nos aseguraremos de que se haya abierto y funcione normalmente. Entonces los dispositivos deberán enfriarse, tomará mucho tiempo. En la Tierra, el James Webb está a temperatura ambiente, pero cuando lo coloquemos en el espacio, será necesario esperar hasta que sus instrumentos alcancen las temperaturas de funcionamiento. Luego los encenderemos: ya se han planificado varios "ejercicios de entrenamiento", varias observaciones planificadas y verificaciones de diferentes modos de funcionamiento que garantizarán que todo funcione como se espera. Como no tenemos una fecha de inicio, y como consecuencia, no sabemos qué caerá en el campo de visión del telescopio, no se selecciona un objeto específico para las observaciones. Lo más probable es que calibremos los instrumentos del telescopio en alguna estrella distante. Todo esto son procesos internos: primero debemos asegurarnos de que podamos ver.

Sin embargo, después de asegurarnos de que todas las herramientas estén funcionando, procederemos directamente a los experimentos científicos. Un equipo de científicos especializados en imágenes determinará qué objetivos se verán realmente fascinantes y atraparán al público. El trabajo será realizado por los mismos artistas que trabajaron con las imágenes de Hubble: personas con años de experiencia en el procesamiento de imágenes astronómicas. Además, se realizarán pruebas adicionales de equipos.

Después de que salgan las primeras imágenes, tendremos poco menos de un año para las observaciones científicas, las cuales incluyen programas ya conocidos para estudiar galaxias muy distantes, cuásares, exoplanetas y Júpiter. En general, los astrónomos observarán todo lo que es posible, comenzando con las regiones de formación activa de estrellas y terminando con hielo en discos protoplanetarios. Estos estudios son importantes para todos nosotros: el resto de la comunidad científica podrá ver los resultados de otros equipos y comprender a dónde deberían ir después.

 

Kristina Ulasovich

Traducido por Victor Román
Esta noticia ha sido publicada originalmente en N+1, ciencia que suma

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