James Webb: el telescopio espacial sucesor del Hubble

Santiago Arribas / 13-10-2009

El telescopio espacial James Webb (JWST), un proyecto liderado por la NASA con la colaboración de las agencias espaciales europea y canadiense (ESA y CSA), es considerado por muchos como el sucesor del Telescopio Espacial Hubble y, al igual que éste, se espera que haga aportaciones fundamentales a nuestro conocimiento del Universo. Con su lanzamiento previsto para 2014, el JWST se encuentra ya en sus últimas fases de desarrollo.

El reto tecnológico es de primera magnitud. Con un tamaño de espejo primario de 6,5 metros, será el telescopio más grande instalado en el espacio. De hecho, y debido a las limitaciones de espacio de las bodegas de los cohetes actuales, el espejo y otros componentes del telescopio se lanzarán “plegados” y su montaje final se realizará automáticamente en el espacio.

Estará situado aproximadamente a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra (unas cinco veces la distancia a la Luna), en lo que se conoce técnicamente como una órbita L2. En esta órbita no girará alrededor de la Tierra como la mayor parte de los satélites (incluyendo el telescopio Hubble), sino que lo hará en torno al Sol y de forma sincronizada con nuestro planeta. Es decir “acompañará” a la Tierra en su giro alrededor del Sol, pero a una distancia tan grande que, a diferencia del Hubble, no podrá recibir la visita de astronautas para realizar operaciones de mantenimiento y reparación de instrumentos.

El telescopio está optimizado para detectar en longitudes de onda infrarrojas. Hay muchas razones para ello. La luz infrarroja puede atravesar mejor las zonas donde existe mucho polvo (por ejemplo, las regiones centrales de las galaxias), lo que se traduce en que en esta radiación es posible penetrar más profundamente en ellas. También facilita el estudio del universo lejano dado que, debido a la expansión del Universo, la luz emitida por los objetos distantes en el ultravioleta y visible (rangos espectrales empleados intensivamente en Astronomía) se registrará por el JWST desplazada hacia el infrarrojo.

Pese a tener un tamaño relativamente modesto si lo comparamos con los telescopios terrestres actuales (por ejemplo, su área colectora es menos de la mitad de la del Gran Telescopio CANARIAS), su capacidad para observar objetos débiles es muy superior a la de estos en longitudes de onda infrarrojas. Esto es debido a que los telescopios situados en tierra presentan el inconveniente de recibir los fotones infrarrojos de objetos cercanos, por estar a temperaturas relativamente altas. Y esto crea un “fondo” de luz que dificulta la detección de los objetos astronómicos, que son comparativamente mucho más débiles.

La situación es similar a cuando queremos observar las estrellas durante el día: el alto nivel de luz proveniente del Sol nos lo impide. Tenemos que esperar a que se haga de noche para que baje ese fondo luz, y así poder ver la relativamente débil emisión de las estrellas. De forma análoga, cuando observamos en el infrarrojo, debemos alejarnos de los objetos calientes que hay en la Tierra (empezando por la propia Tierra) para poder detectar con mayor facilidad la luz emitida por los objetos cósmicos. Pues bien, a una distancia de 1,5 millones de kilómetros, el JWST se encontrará lejos de los efectos terrestres nocivos. Además dispondrá de una “sombrilla” (¡del tamaño de una pista de tenis!) que impedirá que reciba radiación solar directa. De esta forma se conseguirá que el telescopio y sus instrumentos estén a una temperatura inferior a -230 ºC, lo que permitirá optimizar su capacidad de detección.

Otro motivo importante para realizar las observaciones en el infrarrojo desde el espacio es evitar la absorción por parte de la atmósfera terrestre, la cual bloquea totalmente algunas regiones espectrales de gran interés en Astrofísica. Además, la atmósfera tiene un efecto muy negativo en algunas observaciones que requieren gran precisión, pues provoca que las imágenes de los objetos titilen, con la consiguiente pérdida de exactitud en las mediciones. El JWST estará exento de estos problemas: podrá observar en un amplísimo rango espectral sin limitaciones debidas a la atmósfera, y sus imágenes tendrán una muy alta estabilidad. Junto a una sensibilidad sin precedentes, permitirá observar el Universo en este rango espectral como nunca hemos podido hacerlo.

El interés científico del JWST es muy amplio. De hecho, se espera que haga aportaciones fundamentales en prácticamente todos los campos de la Astronomía. Será utilizado por cientos, si no miles, de astrónomos de todo el mundo de una manera similar a como ha ocurrido con el Hubble. Por tanto, no tiene un proyecto científico concreto a realizar sino que será la comunidad astronómica la que, en última instancia, decida qué investigaciones se llevan a cabo con él. En cualquier caso, la motivación científica del telescopio espacial James Webb se ha dividido en cuatro grandes áreas:

- Detección de los primeros objetos brillantes del Universo.
Los modelos actuales predicen que las primeras estrellas y galaxias se crearon unos 400 millones de años después del Big Bang. El JWST debe ser capaz de detectar y caracterizar estos objetos, los primeros luminosos del Universo.

- Formación y evolución de galaxias.
¿Cómo se formaron las primeras galaxias? ¿Cómo han evolucionado hasta dar lugar a la gran diversidad de galaxias que observamos en nuestro Universo local?, ¿Cuál es la relación entre los agujeros negros y las galaxias que los albergan? Se trata de preguntas básicas que abordará el JWST.

- Formación de estrellas y sistemas protoplanetarios.
Aún desconocemos muchos detalles acerca de cómo las nubes de gas y polvo colapsan para formar las estrellas y los sistemas protoplanetarios. Con su excepcional capacidad de observación el JWST permitirá estudiar en detalle estos procesos.

- Planetas y el origen de la vida. El JWST, con su gran sensibilidad, estabilidad y capacidad espectroscópica, tiene un enorme potencial en el estudio de los planetas extrasolares. En principio, podría llegar a detectar características espectrales en las atmósferas de planetas similares a la Tierra. Asimismo, permitirá profundizar en el conocimiento del Sistema Solar.

Los cuatro instrumentos científicos del JWST son clave para el éxito de la misión. Uno de los instrumentos, NIRCam, es una cámara infrarroja que está siendo construida para NASA por la universidad de Arizona. Su finalidad es obtener imágenes a través de filtros con una calidad (resolución) similar a la que ha obtenido el Hubble en el visible, pero en el infrarrojo. Otro instrumento consiste en un espectrógrafo infrarrojo, NIRSpec, que está siendo construido por la Agencia Europea del Espacio (ESA). Tiene la particularidad de que puede hacer simultáneamente espectroscopía de muchos objetos (más de 100). Para ello cuenta con un dispositivo electromecánico gracias al cual es posible configurar una máscara formada por cientos de miles de obturadores en unos pocos segundos. Este componente es uno de los desarrollos tecnológicos más importantes del proyecto, y se ha llevado a cabo con fondos de la NASA. Un tercer instrumento (MIRI) está siendo desarrollado conjuntamente entre la NASA y un consorcio europeo coordinado por la ESA. Puede hacer imágenes y obtener espectros simultáneamente. Opera en longitudes de onda más largas que los otros instrumentos. Es lo que en la jerga astronómica conocemos como infrarrojo medio (entre 5 y 30 micras). Este rango espectral es prácticamente inaccesible desde tierra, pero con MIRI podremos observarlo con una facilidad sin precedentes. Por último, la Agencia Canadiense del Espacio (CSA) está construyendo una cámara que tiene la peculiaridad de poder sintonizar la longitud de onda de sus filtros y, así, elegir el más apropiado para cada observación científica.

Varios organismos de investigación españoles (CSIC, INTA, IAC) y empresas (CASA, CRISA, LIDAX, Álava Ingenieros y RAMEN, entre otras) han participado en este proyecto. Su contribución ha estado fundamentalmente enfocada a la definición, desarrollo y calibración de los instrumentos científicos MIRI y NIRSpec. Además, actualmente investigadores españoles participan en la elaboración de los primeros proyectos científicos que se realizarán con estos instrumentos. Pero la mayor contribución a este apasionante proyecto está por venir. Tendrá lugar cuando la comunidad astronómica española, como parte de la comunidad astronómica internacional, utilice este telescopio y participe así en una nueva etapa del conocimiento del Universo.

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El autor

Santiago Arribas es Profesor de Investigación del CSIC, en el Departamento de Astrofísica Molecular e Infrarroja IEM-CSIC

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