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Astrofísica

El mayor telescopio espacial

James Webb será lanzado al espacio a finales de diciembre. Astrónomos brasileños dirigirán dos proyectos de observación y participarán en otros nueve

Representación artística del observatorio James Webb, que orbitará alrededor del Sol a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra

Kevin Gill / James Webb Space Telescope

En la semana de Navidad, un cohete Ariane 5 despegará desde la base de lanzamiento de Kourou, en la Guayana Francesa, llevando consigo el mayor, más caro y más potente instrumento que jamás se haya enviado al espacio para escudriñar el Universo: el Telescopio Espacial James Webb (JWST, por sus siglas en inglés), al que muchos consideran como el sucesor del telescopio espacial Hubble (obsérvese el cuadro comparativo de los dos telescopios en la página 65). El observatorio quedará en órbita solar como si fuera otro planeta de nuestro sistema solar, a una distancia de 1,5 millones de kilómetros de la Tierra. Su vida útil se estipuló en 5 a 10 años y su costo, hasta el momento del lanzamiento, ha sido de unos 10.000 millones de dólares, tres veces más que el costo inicial del Hubble, financiados casi en su totalidad por la agencia espacial estadounidense (Nasa).

El objetivo prioritario del James Webb es, en pocas palabras, la observación del Universo naciente y lejano, las primeras estrellas, galaxias, agujeros negros y sistemas planetarios que surgieron tras el Big Bang, la explosión inicial que habría tenido lugar hace 13.700 millones de años y que dio origen al Cosmos. De no mediar nada inesperado a último momento, el 22 de diciembre, el James Webb comenzará a dejar atrás un pasado turbulento en la Tierra para iniciar su misión cósmica en aras de la ciencia. Han sido casi 30 años jalonados por las modificaciones del diseño y del instrumental, una propuesta (rechazada) de cancelación del proyecto, estampidas del presupuesto y retrasos en su cronograma. En la última década, su lanzamiento llegó a ser previsto al menos en dos ocasiones y este último año su fecha de salida al espacio fue postergada en tres oportunidades.

Principalmente financiado por la Nasa, con una participación menor de sus homólogas de Europa (ESA) y Canadá (CSA), el James Webb había comenzado a proyectarse en 1989, un año antes del lanzamiento del Hubble. En 1996, su primera versión había sido denominada Next Generation Space Telescope (NGST) y su presupuesto era de unos 500 millones de dólares. En 2002, el telescopio fue rebautizado con el nombre de James Webb, el segundo administrador de la Nasa, quien había dirigido la agencia durante el proyecto Apolo, que llevó al hombre a la Luna. Recientemente, un grupo de astrónomos puso en tela de juicio la elección del nombre del telescopio denunciando que James Webb había perseguido a los homosexuales en la administración pública estadounidense durante las décadas de 1950 y 1960. No obstante, la Nasa rechazó las críticas y mantuvo su decisión.

Alexandre Affonso

Desde mediados de octubre de este año, el telescopio se encuentra en la base de Kourou, a 240 kilómetros de la frontera brasileña, lo que indica que la misión, finalmente, tiene grandes posibilidades de despegar. “Hemos revisado todo nuevamente y puedo informar que el James Webb se encuentra en perfectas condiciones”, declaró a principios de noviembre la ingeniera Begoña Vila, de la Nasa, responsable de los sistemas de instrumentación del telescopio, al sitio web de la red británica BBC. A diferencia del Hubble, cuyas observaciones se realizan básicamente en las longitudes de onda de la luz visible y también ultravioleta, el James Webb es un dispositivo concebido para operar esencialmente en frecuencias infrarrojas, invisibles al ojo humano.

La preferencia por este tipo de radiación tiene mucho que ver con los objetivos del telescopio, cuyo espejo principal, de 6,5 metros de diámetro, es casi tres veces mayor que el del Hubble y capta seis veces más luz. “Los objetos más antiguos y lejanos, que se formaron unos pocos cientos de millones de años después del Big Bang, solo pueden observarse en frecuencias infrarrojas, no en el rango de la luz visible”, explica el astrofísico neerlandés Roderik Overzier, del Observatorio Nacional, de Río de Janeiro, quien coordina uno de los casi 300 proyectos que se utilizarán en el James Webb. El grupo de Overzier estudiará la evolución de la radiogalaxia más antigua conocida, la TGSS J1530+1049, de 12.500 millones de años de antigüedad, y otra un poco más “joven”, de 10.000 millones de años.

“Estas galaxias son activas y tienen un agujero negro en su centro”, dice la astrofísica Catarina Aydar, estudiante de doctorado del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São Paulo (IAG-USP), e integrante del equipo del astrofísico del ON. El James Webb será capaz de divisar objetos entre 10 y 100 veces menos luminosos (para un observador situado en la Tierra) que los captados por el Hubble. En su resolución máxima, podría obtener una imagen nítida de un cuerpo celeste del tamaño de un balón de fútbol a una distancia de 550 kilómetros.

El James Webb fue diseñado para poder generar datos sobre objetos que se formaron entre 100 y 200 millones de años después del Big Bang, una etapa de la historia cósmica inaccesible para los instrumentos de observación actuales. “Para mí, lo más correcto es considerar al James Webb como el sucesor del telescopio Spitzer, y no del Hubble”, comenta el astrofísico Rogemar Riffel, de la Universidad Federal de Santa Maria (UFSM), de Rio Grande do Sul, quien coordina un proyecto que utilizará el instrumental del nuevo telescopio de la Nasa para observar vientos de hidrógeno molecular (H2) en las proximidades de los agujeros negros de las galaxias relativamente cercanas. Activo entre 2003 y 2020, el Spitzer, otra iniciativa de la Nasa, también operaba en el rango del infrarrojo, pero su capacidad para revelar detalles de objetos lejanos era unas mil veces menor que la del James Webb.

El nuevo telescopio infrarrojo es un instrumento con características únicas. Por empezar, por su tamaño: 22 metros (m) de largo por 12 m de ancho, similar a las dimensiones de una cancha de tenis (el Hubble tiene el tamaño de un autobús). Nunca se había enviado al espacio un objeto tan grande. Totalmente desplegado, el observatorio no cabe en ningún cohete lanzador de satélites. Por esto es que será transportado completamente encogido en la punta del Ariane 5, con sus componentes principales plegados. Luego del lanzamiento, las partes centrales del telescopio –el escudo solar (su pieza más grande), la antena y el espejo principal– comenzarán a abrirse y ensamblarse unas con otras en un proceso automático que se asemeja al montaje de un origami.

Alexandre Affonso

Su espejo principal, por ejemplo, está compuesto por 18 segmentos hexagonales más pequeños hechos de berilio, un material liviano. A bordo del Ariane 5, viaja al espacio doblado en tres partes que luego se encastrarán para formar el espejo principal: una porción central y mayor, compuesta por 12 segmentos, y otras dos menores, cada una de tres segmentos. “El telescopio tiene 344 puntos críticos de fallos, el 80 % de ellos asociado a su proceso de despliegue y montaje”, dijo Mike Menzel, ingeniero en jefe de la misión Webb de la Nasa, en una conferencia de prensa a principios de noviembre. Si alguno de esos puntos no funciona correctamente y el problema no puede solucionarse, el éxito de la empresa podría verse comprometido.

Un mes después de su lanzamiento, el James Webb quedará montado por completo, refrigerado gracias a su escudo solar y a sus sistemas de refrigeración (sus instrumentos trabajan a temperaturas bajísimas, entre -266 y -223 grados Celsius) y ya habrá alcanzado su ubicación en la órbita solar. Durante los cinco meses siguientes, estará sometido a un proceso de chequeo y calibrado de sus componentes. El telescopio dispone de cuatro instrumentos de observación, dotados de cámaras, espectrógrafos y coronógrafos, que operan en diferentes longitudes de onda, casi siempre en el rango del infrarrojo. Las cámaras generan imágenes de objetos y los espectrógrafos captan la luz y la descomponen en diferentes colores (frecuencias), en un proceso que permite analizar la composición química del cuerpo celeste del cual proviene la radiación. Los coronógrafos bloquean la luz de las estrellas y permiten divisar objetos ocultos por ese brillo, como es el caso de los exoplanetas que orbitan a sus soles.

Unos seis meses después de su lanzamiento, hacia el segundo semestre de 2022, el James Webb dará comienzo a su primer ciclo de observaciones científicas. Esta fase durará un año y abarcará unas 6.000 horas de observación. Como es práctica habitual en los grandes telescopios internacionales, aproximadamente el 80 % del tiempo de observación está abierto a propuestas de grupos de astrónomos de todo el mundo. El resto queda reservado para los proyectos de interés de la dirección del James Webb y de los socios que han invertido directamente en él. Para el primer ciclo de observación, se recibieron casi 1.200 propuestas de utilización de los instrumentos del telescopio enviadas por grupos de investigación de 44 países, de las cuales fueron aprobadas 286. Dos proyectos tienen como investigadores principales a astrónomos de instituciones brasileñas: el de Roderik Overzier, del ON, y el de Rogemar Riffel, de la UFSM. Otros nueve proyectos al mando de grupos extranjeros cuentan con la participación de al menos un científico de universidades o centros nacionales. El propio Overzier participa en tres de estas iniciativas coordinadas por investigadores del exterior y Riffel, en otra más.

La astrofísica Isabel Aleman, de la Universidad Federal de Itajubá (Unifei), de Minas Gerais, colabora en dos proyectos internacionales que obtuvieron tiempo de observación en el James Webb. “En ambas propuestas, vamos a estudiar las nebulosas planetarias, nubes de material eyectado por estrellas antiguas, de una a ocho masas solares, en el ocaso de su vida”, comenta Aleman. La astrofísica Marília Gabriela Cardoso, estudiante de doctorado en el IAG-USP, es miembro de un equipo que observará estrellas enanas M (un tipo de enana roja) que poseen masas menores o iguales a la mitad del Sol, en un agrupamiento globular.

“Queremos entender mejor los escenarios de formación de las poblaciones estelares múltiples, que se caracterizan por presentar composiciones químicas distintas entre sí”, explica Cardoso.

Otros tres estudiantes de posdoctorado vinculados al ON participan en dos proyectos internacionales. Ana Carolina de Souza Feliciano integra un equipo que pretende estudiar la composición de lo que se denominan objetos transneptunianos, cuerpos celestes helados ubicados más allá de la órbita de Neptuno. Paola Dimauro y Yolanda Teja colaboran con un grupo que intentará observar a una candidata a estrella solitaria de unos 13.000 millones de años. A juzgar por la cantidad y la diversidad de las propuestas aprobadas, no le faltará trabajo al James Webb si todo sale bien con la misión.

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