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El Telescopio Espacial James Webb: el futuro de la mirada al pasado

Créditos de imagen destacada: ESA, NASA, S. Beckwith (STScI) and the HUDF Team, Northrop Grumman Aerospace Systems / STScI / ATG medialab.

Después de un arduo proceso de desarrollo, el Telescopio Espacial James Webb, construido por la NASA en colaboración con la ESA y la CSA, ha superado las últimas pruevas técnicas antes de su lanzamiento previsto para el 31 de octubre de este año. Así pues, ha llegado el momento de hacer una revisión de la misión de este telescopio y por qué es este tan excitante para toda la comunidad astronómica. En este astrobito, procedemos a explorar los temas en dónde el James Webb va a arrojar su luz de descubrimiento.

¿Qué es el Telescopio Espacial James Webb?

El James Webb planea ser nada menos que el sucesor de los históricos telescopios espaciales Hubble y Spitzer, combinando lo mejor de los éxitos de ambas misiones en un observatorio mucho más grande y de tecnología puntera. Debido a que la luz viaja a una velocidad finita, para mirar el universo antiguo solamente hace falta observar los objetos más lejanos. El universo antiguo fue una vez muy brillante en todo el espectro electromagnético, pero la expansión del universo ha corrido la luz de los objetos más distantes hacia el infrarrojo, ya que su longitud de onda se ha expandido con el universo durante el viaje. Así pues, hay secretos del universo antiguo que escapan la detección de incluso el telescopio con más resolución de la historia, el Hubble, que es sensible en el visible. Además, debido a la mayor longitud de onda de la luz infrarroja, es más difícil tomar imágenes nítidas en este rango que en el visible, de forma que telescopios infrarrojos cómo el Sptizer no han podido llegar a observar los objetos más distantes, los cuales han seguido escondidos hasta ahora.

¿Entonces, cuál es la solución de James Webb a este conóndrumo? “Sencillo”, el satélite va a llevar al espacio un telescopio reflector desplegable de casi 7 metros de diámetro (Imagen 1) para tomar imágenes infrarrojas en alta definición. Combinando lo mejor de Hubble y Spitzer, James Webb está listo para hacer historia en el estudio de las regiones más distantes del universo, pero no solamente esto, sino que va a servir incluso para investigar fenómenos cercanos cómo la formación de sistemas planetarios e incluso la vida.

Imagen 1. Maqueta del Telescopio Espacial James Webb. El telescopio de casi 7 metros de diámetro está compuesto por un gran espejo de oro (Primary Mirror) que refleja la luz de objetos lejanos en un punto focal. A su vez, un espejo secundario (Secondary mirror) en el punto focal envía la luz a los instrumentos infrarrojos (Integrated Science Instrument Module, ISIM) detrás de la montura del espejo principal (Backplane). Ya que el telescopio debe de mantenerse a una temperatura de 50 K para funcionar correctamente, un gran parasol desplegable va a proteger toda la montura de la radiación solar (Sunshield). Crédito de imagen: NASA.

La ciencia del James Webb:

El final de la la Edad Oscura: las primeras luces y la reionización.

Se cree que no fue hasta 180 de años después del Big Bang que las primeras estrellas del universo aparecieron. Antes de ello, el universo era un lugar oscuro por mucho tiempo, lo que da el nombre de la Edad Oscura. Estas primeras estrellas se conocen como la estrellas de Población III, y se estima que podrían haber llegado a tener masas de centenares de soles. Con ellas llegaron las primeras supernovas, los primeros agujeros negros y las primeras galaxias primordiales. Los agujeros negros también empezaron a acretar materia, generando los primeros discos de acrecimiento y quásares.

Todos estos objetos dieron paso las primeras luces al universo, y con el James Webb los astrónomos serán capaces de observarlas. La famosa imagen del Campo Ultraprofundo de Hubble (Imagen 2) contiene las galaxias más distantes/antiguas conocidas, con 13 mil millones de años de antigüedad o de cuando el universo tenia una edad de 800 millones de años. Ahora se conocen galaxias observadas en un universo con una edad de 400 millones de años. Sin embargo, el James Webb podrá observar las primeras galaxias de todas, justo 180 de años después del Big Bang.

Imagen 2. El Campo Ultraprofundo de Hubble, tomada por el Telescopio Espacial Hubble a lo largo de los años 2004 y 2004. La imagen cubre una región del cielo tan pequeña como un décimo de la Luna vista desde la Tierra, pero que incluye a decenas de miles de galaxias de todas las épocas del universo. Las galaxias más cercanas se ven brillantes y nítidas, pero a medida que miramos más lejos estas se vuelven más tenues y rojas. Las galaxias más lejanas de todas se vuelven tan rojas que caen al infrarrojo y ya no pueden ser detectadas por el telescopio Hubble, y es aquí donde el James Webb viene para tomar el listón. Crédito de imagen: NASA/Hubble.

Otro tema a investigar es que, antes de las primeras luces, el universo estaba compuesto mayoritariamente de gas hidrógeno neutro, es decir, hidrogeno con un electrón en órbita. Con las primeras luces, la radiación ultravioleta arrancó los electrones del hidrógeno en un proceso conocido como reionización que se ha mantenido hasta hoy en día. Con el James Webb, se va a poder investigar cuándo ocurrió este fenómeno y si su principal causante fueron las primeras estrellas o los primeros quásares.

La formación de las galaxias.

La formación y evolución de galaxias es una tema muy fascinante. El paradigma actual afirma que estas se formaron a partir de fluctuaciones de densidad originadas durante el mismo Big Bang. En un inicio, regiones con una densidad de materia oscura superiores acumularon gas debido a la atracción gravitatoria, y en estas acumulaciones nacieron las primeras galaxias. A partir de aquí, factores muy complejos entran en el juego de la evolución galáctica. Procesos como los vientos estelares de las supernovas interactúan con el medio intergaláctico, incrementan la metalicidad del medio, afectan la acumulación de gas en el futuro y, por ende, la historia de las galaxias mismas. Ya con el Hubble y el Spitzer se ha visto claramente que cómo más atrás miramos en el tiempo, más actividad de formación estelar y nuclear es apreciada en las galaxias.

Con el telescopio James Webb, los astrónomos van a poder ver esta evolución a lo largo del tiempo observando desde las galaxias más cercanas a las más lejanas, como comentamos anteriormente. Con los espectrómetros montados en él, se van a poder medir precisamente el ritmo de formación estelar y el movimiento de las estrellas midiendo la intensidad y posición de la línea Hα en galaxias individuales. La se encuentra bien adentro del infrarrojo a largas distancia, lo cual es excelente para los receptores del James Webb. Con otras líneas se van a poder medir también las abundancias de, por ejemplo, oxígeno y nitrógeno. Además, muchas galaxias que son típicamente oscurecidas por su contenido en polvo van a ser observadas nítidamente en el infrarrojo, dónde el polvo es transparente.

Con todo, estas observaciones van a ser de gran ayuda para entender, por ejemplo, por qué existen galaxias espirales y elípticas en la actualidad (Imagen 3). A la larga, esto nos va a dar pistas incluso de cómo se formó nuestra propia Via Láctea.

Imagen 3. La famosa secuencia de Hubble se trata en realidad de la clasificación morfológica de las galaxias, que se dividen en su mayoría según si tienen un disco y brazos espirales (galaxias espirales) o según si son una “bola” difusa de estrellas (elípticas). Ambos tipos han tenido su particular historia evolutiva, con cambios y fusiones a lo largo del tiempo. Con el James Webb, los astrónomos van a poder observar muchas más galaxias al detalle que nunca, e investigar todos los procesos que les han dado forma. Crédito de imagen: Cosmo0 (usuario de Wikipedia).
El nacimiento de las estrellas, los sistemas protoplanetarios y exoplanetas.

Las aportaciones del James Webb no se acaban en el universo lejano, pues también tienen impacto más cerca de nuestra casa. Con él, podremos estudiar a detalle el proceso de formación estrellas en la Vía Láctea misma. Éstas se forman durante el colapso gravitatorio de grandes nubes de polvo y gas en nuestra galaxia. Sin embargo, los embriones estelares suelen ser obscurecidos por sus propios discos de acrecimiento y las nubes donde se encuentran encapsulados. Estas capas de polvo son opacas para el visible, pero una imagen en el infrarrojo puede desvelar centenares de estrellas en formación en su interior (Imagen 4).

Imagen 4. La cercana nube molecular Barnard 6 observada con filtros ópticos (izquierda) y con un añadido de infrarrojo (derecha). Esta nebulosa es típicamente visible a simple vista en el cielo nocturno como una gran mancha oscura en la Vía Láctea. Sin embargo, la imagen en infrarrojo revela decenas de estrellas ocultadas por el polvo. El telescopio James Webb va a poder observar incontables estrellas tenues ocultadas por nubes como Barnard 6 y que han escapado detección hasta ahora. Créditos de Imágenes: ESO.

El telescopio James Webb va a observar estos sistemas proto-estelares con una resolución sin precedentes, permitiendo el estudio de las estrellas en las fases más tempranas de su existencia. Esto incluirá el estudio sistemas protoplanetarios, dónde se gestan los futuros exoplanetas.

Pero la misión planetaria de el James Webb llega aun más allà, pues será capaz de fotografiar directamente gigantes gaseosos y enanas marrones. Esto será posible gracias a una técnica llamada coronografía, en la que la estrella central es ocultado por un filtro en el telescopio de forma que los receptores pueden captar luz reflejada en objetos a su alrededor (Imagen 5), un método que se espera efectivo para estrellas más cerca de 30 pc (¡Aunque parezca un cifra baja, es en realidad muy impresionante para la ciencia planetaria!). Esta misma técnica podrá servir para observar discos de asteroides o cometas similares a nuestra Nube de Oort. Además de todo esto, podrá medir las composiciones de los planetas con sus espectrómetros, una investigación claba para estudiar el origen de la vida fuera de nuestro sitema solar.

Imagen 5. Ejemplo de imagen coronográfica del Sol. Bloqueando el disco solar, estructuras en la corona solar se vuelven visibles (de ahí el nombre de coronografía). Lo mismo es aplicable a las estrellas, en este caso para observar la luz reflejada en planetas u otros cuerpos en órbita a su alrededor. Esta técnica ha sido muy exitosa en tiempos recientes para descubrir nuevos exoplanetas, y el telescopio James Webb no se va a quedar atrás con su alta definición. Crédito de Imagen: NASA.

Recapitulación

Como hemos visto, el Telescopio Espacial James Webb da muchos motivos para estar emocionados/as ante su lanzamiento. Desde las estrellas y galaxias más lejanas hasta sistemas planetarios cercanos, con su telescopio de casi 7 metros de diámetro y sus instrumentos infrarrojos, los secretos de todos ellos van a ser revelados con una resolución sin precedentes.

Así pues, solamente nos queda cruzar los dedos y desear que so lanzamiento no sea demorado de nuevo. Si todo va bien, a partir del año que viene, ¡La próxima vez que mencionemos al James Webb será para hablar de sus descubrimientos!

Acerca de Miquel Colom i Bernadich

Nacido y criado en Catalunya, mostré mi interés por la astronomía desde bien chiquitito. Estudié física fundamental en la Universidad de Barcelona y redacté mi tesis de grado sobre el crecimiento de las galaxias. Cursé un máster en astronomía y ciencias del espacio en la Universidad de Uppsala, en Suecia, donde practiqué astronomía de neutrinos con la gente del IceCube entre otras cosas. Redacté mi tesis de máster en Berlín sobre astronomía de rayos-X con los telescopios XMM-Newton y eROSITA, y ahora soy estudiante doctoral en Instituto Max Planck por la Radioastronomía en Bonn, Alemania. Mi tarea actual es cazar y analizar radiopúlsares, estrellas de neutrones magnetizadas con altas frequencias de rotación, con los radiotelescopios de MeerKAT y Parkes. En mi tiempo libre soy un gamer, lector y excursionista. Me interesa mucho la historia moderna también.

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