Del Hubble al James Webb: la revolución de los telescopios espaciales

El 24 de abril de 1990 fue una fecha crucial para la astrofísica moderna. Ese día fue lanzado al espacio, desde el transbordador Discovery, el telescopio espacial Hubble (o HST, por sus siglas en inglés). Durante más de treinta años este telescopio ha sido una fuente de descubrimientos y un referente para el desarrollo de la astrofísica y la cosmología. Pero, dado que los avances tecnológicos son inevitables, en diciembre de 2021 la ciencia recibió un nuevo y poderoso instrumento: el telescopio espacial James Webb (o JWST, por sus siglas en inglés), que mejorará nuestro entendimiento del universo en la próxima década. De hecho, los investigadores del Instituto de Astronomía de la UNAM estamos trabajando con los datos generados por este nuevo telescopio espacial.

Telescopio espacial Hubble, 2002. Fotografía del STScI y la NASA

¿Por qué necesitamos telescopios cada vez más grandes?

Para comprender mejor el funcionamiento de un telescopio y la importancia de los observatorios espaciales debemos mencionar algunos conceptos básicos, como que la luz es una onda electromagnética que viaja libremente en el espacio. Su longitud de onda depende de la cantidad de energía y tiene una variabilidad casi infinita. El ojo humano puede observar un rango muy restringido, con tamaños entre los 350 y los 780 nanómetros, conocido comúnmente como “luz visible”, que cubre del violeta al rojo. Los rangos imperceptibles para el ojo humano tienen diferentes nombres, por ejemplo, rayos gamma, rayos X, infrarrojo, microondas, ondas de radio, entre otros. Sin embargo, todas son ondas electromagnéticas con diferente cantidad de energía.

​ Se conoce como “resolución angular de un telescopio” a la capacidad de este para diferenciar los detalles de objetos muy distantes, y depende del tamaño del espejo principal del telescopio y de la longitud de onda que se observa. Mientras mayor sea la longitud de onda que se observa, mayor deberá ser el tamaño del telescopio sobre todo para imágenes en alta resolución. Esto explica por qué, a medida que avanza el conocimiento del cosmos, se requieren telescopios más grandes.

La importancia de tener observatorios espaciales

La atmósfera terrestre nos protege de la radiación ultravioleta del Sol y permite la existencia de vida. Sin embargo, su presencia obstruye el paso de muchas longitudes de onda. Además, el movimiento del aire que contiene distorsiona las imágenes y deteriora la resolución angular de los instrumentos, algo que los telescopios modernos intentan corregir con complejos sistemas de control electromecánico integrados. Esto dependen de las condiciones atmosféricas al momento de la observación, que cambian rápidamente y obligan a corregir de forma continua, en fracciones de segundo.

​ Al no existir una atmósfera que se interponga entre la luz de los cuerpos celestes y los instrumentos del telescopio, este problema no existe para los observatorios espaciales. Así, las observaciones desde el espacio alcanzan la mejor resolución angular posible y la mayor sensibilidad para observar objetos con emisiones tan débiles que serían inaccesibles desde observatorios terrestres. A pesar de que no es posible colocar teles­copios muy grandes en el espacio, las aportaciones de los que allí se encuentran son fundamentales.

Los datos fantásticos del Hubble

Un ejemplo del tipo de imágenes que pueden captar los observatorios espaciales es el llamado “campo ultraprofundo del Hubble”. Entre el 3 de septiembre de 2003 y el 16 de enero de 2004, el HST observó durante un millón de segundos una zona aparentemente vacía del espacio. La imagen obtenida, la más profunda del universo tomada en luz visible, fue sorprendente, pues reveló varios cientos de galaxias nunca antes vistas. La luz de algunas de ellas fue emitida hace más de 13 mil millones de años.

​ En 2011, un grupo de astrónomos de la Universidad de California volvió a analizar esta imagen, aunque combinando datos de los telescopios del Observatorio Europeo Austral situados en Chile. Encontraron que una de las galaxias, denominada UDFj-39546284, se formó unos 600 millones de años después del comienzo del Universo. Es tan joven como la llamada “época de reionización”, donde la luz de las primeras galaxias ionizó el gas que recién se enfriaba tras la Gran Explosión. El descubrimiento de UDFj-39546284 indica la posible existencia de una población de galaxias tempranas cuya radiación modificó la transparencia del universo. ¿No es esto fascinante? ¡Gracias al Hubble comenzamos a entender cómo se formaron las primeras galaxias!

Esta imagen revela por primera vez regiones de nacimiento estelar. En ella se aprecia el borde de la cavidad gaseosa gigante que está dentro del cúmulo NGC 3324. NGC 3324, 2022. Fotografía de la NASA, ESA, CSA y STScI

El telescopio espacial James Webb

El 25 de diciembre de 2021 fue lanzado el telescopio espacial James Webb desde la Guayana Francesa, a bordo del cohete Ariane 5. Este artefacto fue el resultado de varias décadas de diseño, planeación y trabajo por parte de las agencias espaciales de Estados Unidos, Canadá y Europa. En el proyecto han participado especialistas de más de trescientas universidades e institutos de investigación de catorce países. El telescopio cuenta con un peso aproximado de 6.5 toneladas —casi la mitad que el HST— y un espejo principal de 6.5 metros de diámetro, compuesto por una serie de dieciocho espejos hexagonales unidos entre sí.

​ Los espejos del Webb están hechos de un material raro: el berilio. Este es muy ligero, poco abundante, y se crea cuando los elementos pesados que son lanzados por las estrellas al medio interestelar chocan con rayos cósmicos, para luego fusionarse y dividirse. Se podría decir que el JWST no solo estudia las estrellas, sino que está construido con polvo procesado por ellas. Además, estos espejos se encuentran recubiertos por una capa de oro, que es un material altamente reflejante en el infrarrojo (alrededor de un 99 por ciento) y poco reactivo, lo que evitará que se deterioren con rapidez en el espacio. El oro también posee una alta eficiencia térmica, lo que ayuda a disipar calor del telescopio. Aunque el área del espejo es de 25 metros cuadrados, la cantidad de oro usado para recubrirlo es apenas de 48.25 gramos. El rango de longitudes de onda en las que trabaja el James Webb va de entre 0.6 hasta 28.5 micrómetros.

​ Otra cosa notable del Webb es que está situado a una distancia mucho mayor que el Hubble o cualquier otro telescopio espacial. Mientras que el HST se encuentra apenas a 550 kilómetros de la superficie terrestre y completa una órbita alrededor de la Tierra cada 97 minutos; el JWST se localiza a una distancia de 1.5 millones de kilómetros, en una posición conocida como “punto de Lagrange L2”, donde se equilibran las fuerzas gravitacionales de la Luna y la Tierra. Esto le brinda la estabilidad necesaria para mantenerse en un mismo lugar sin ser perturbado.

Datos únicos con el JWST desde el primer día

El JWST ha estado en operación científica desde junio de 2022. Los seis meses posteriores a su lanzamiento fueron utilizados para comprobar que los sistemas de sus cuatro instrumentos funcionaran de manera adecuada. Una vez terminada esta etapa de pruebas, el teles­copio estuvo listo para ejecutar los programas científicos de observación. Pero incluso en este tiempo pudo obtener algunos datos que fascinaron al mundo. Las primeras cinco imágenes fueron mostradas al público el 12 de julio de 2022. En una de ellas se aprecia el cúmulo denominado SMACS 0723, formado por miles de galaxias, algunas de las más antiguas del universo. La mayoría de ellas se encuentra a 5 mil millones de años luz, y varias tienen edades superiores a los 13 mil millones de años. De hecho, esta imagen reveló muchas más galaxias y con mayor detalle que las tomadas en el campo profundo del Hubble.

​ Además de la del SMACS 0723, el Webb también capturó imágenes de un grupo de cinco galaxias en interacción conocido como “el Quinteto de Stephan”. Otras mostraron regiones gaseosas, como la llamada “nebulosa de Carina” o la “nebulosa planetaria del Anillo”, y también revelaron datos de un exoplaneta, WASP 96-b, en el que se pudo confirmar la presencia de agua.

Ilustración del telescopio espacial James Webb, 2022. NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutiérrez

Mexicanos colaborando en el JWST

Aunque el JWST es un telescopio estadounidense, canadiense y europeo, los astrónomos de todas partes del mundo pueden acceder a sus datos y, a través de colaboraciones, formar parte de los equipos científicos.

​ La participación de la UNAM en los primeros descubrimientos del Webb ha quedado de manifiesto en un par de artículos de investigación publicados en la prestigiosa revista Nature Astronomy. Colaboré en el primero de ellos, sobre el estudio del sistema binario de estrellas masivas WR 140. La imagen de WR 140,¹ tomada con la cámara MIRI (Mid-InfraRed In­strument), mostró un conjunto de arcos que trazan la historia de formación de polvo debido al choque de los vientos de dos estrellas masivas en el centro de este sistema. Los arcos observados corresponde al polvo que se ha formado y expandido siempre que estas se encuentran en el punto más cercano entre ellas. Cabe recalcar que es la primera vez que se observan tantos anillos en este tipo de sistema, pues los telescopios terrestres no habían sido tan eficientes como para realizar tal detección.

​ La Dra. Laurence Sabin y los Dres. Guillermo García Segura y Christophe Morisset participaron como colaboradores en el estudio de la nebulosa planetaria NGC 3132. Las nebulosas planetarias son una de las etapas finales de la evolución de estrellas como nuestro Sol. En esta fase, las estrellas liberan gran parte de sus capas externas, lo que da lugar a las prominentes estructuras de gas y polvo que rodean a estos objetos. La amplia variedad de formas encontradas en las nebulosas indica los procesos físicos que las crean. Para este estudio se obtuvieron datos con los instrumentos NIRCam (Near-InfraRed Camera) y MIRI. El análisis mostró un halo con estructura espiral en la morfología de la nebulosa, cuyo origen parece ser la acción de un sistema binario de estrellas. Además, el estudio de la fuente central reveló la presencia de un disco de gas y polvo en el corazón de la nebulosa, lo que hace pensar que esta no ha sido formada por una única estrella o por un sistema binario, ¡sino por cuatro estrellas!

​ Estos resultados demuestran lo revolucionario de las observaciones obtenidas con el JWST y la activa participación de los investigadores de la UNAM. En los próximos años, los datos que se recogerán gracias a este telescopio serán cruciales para incrementar nuestro conocimiento del universo. Es una época increíble para realizar investigación astronómica, y los científicos de la UNAM, sin duda alguna, buscaremos mantenernos a la vanguardia de los descubrimientos.

Imagen de portada: Esta imagen revela por primera vez regiones de nacimiento estelar. En ella se aprecia el borde de la cavidad gaseosa gigante que está dentro del cúmulo NGC 3324. NGC 3324, 2022. Fotografía de la NASA, ESA, CSA y STScI