El telescopio espacial James Webb

Con el lanzamiento del Telescopio Espacial James Webb (JWST), la comprensión del universo por parte de la humanidad, y sus orígenes, aumentará exponencialmente.

Originalmente llamado Telescopio Espacial de Próxima Generación (NGST) y renombrado en septiembre de 2002 en honor al ex administrador de la NASA James Webb, el JWST representa una colaboración internacional de socios que incluyen a la NASA, la Agencia Espacial Canadiense (CSA), la Agencia Espacial Europea (ESA), el fabricante aeroespacial Northrop Grumman y el Instituto Espacial del Telescopio Espacial, que operará el telescopio después de su lanzamiento.

Tecnología de infrarrojos

¿Qué hace que el JWST sea diferente de los telescopios espaciales que lo precedieron, como el histórico Telescopio Espacial Hubble? Por un lado, el Hubble, que fue lanzado en 1990, es un telescopio óptico; el JWST es un telescopio infrarrojo. A medida que las ondas de luz viajan a través del universo en constante expansión, se "estiran", lo que significa que cambian a longitudes de onda de energía más largas y rojas. En algún momento, la luz que antes era visible de las estrellas más distantes del universo cambia a longitudes de onda infrarrojas que ya no pueden ser detectadas por telescopios ópticos como el Hubble. El JWST está diseñado específicamente para capturar imágenes de esas ondas de luz infrarrojas y analizarlas mediante espectroscopia de última generación.

El JWST no será la primera vez que los científicos utilicen tecnología infrarroja para explorar el universo. En 1983, la NASA puso en órbita su innovador Satélite Astronómico Infrarrojo (IRAS), convirtiéndolo en el primer telescopio infrarrojo del mundo basado en el espacio. Un proyecto conjunto diseñado por los EE. UU., los Países Bajos y el Reino Unido, orbitó a 559 millas sobre la Tierra en una misión que duró 10 meses y observó más de 250,000 fuentes infrarrojas en las longitudes de onda de 12, 25, 60 y 100 micrómetros. El éxito de esa misión condujo a la instalación de un telescopio infrarrojo enfriado con helio a bordo del transbordador espacial Challenger en 1985 (STS-51) y, finalmente, resultó en el desarrollo del telescopio espacial Spitzer, que se lanzó en 2003.

Entre esos hitos, la Agencia Espacial Europea, en colaboración con la NASA y el Instituto de Ciencias Espaciales y Astronáuticas (ISAS) de Japón, lanzó el Observatorio Espacial Infrarrojo (ISO) en noviembre de 1995 en una misión de tres años diseñada para observar aproximadamente 30.000 fuentes infrarrojas, realizar imágenes en el rango de 2,5 a 240 micrómetros y espectroscopia en el rango de 2,5 a 196,8 micrómetros, y transmitir los datos a la Tierra en tiempo real. Y en 1997, la NASA le dio al telescopio óptico Hubble la capacidad de infrarrojos equipándolo con la cámara de infrarrojo cercano y el espectrómetro de objetos múltiples (NICMOS) durante la Misión de servicio 2 (STS-82).

NICMOS, un dispositivo combinado de imágenes y espectrómetro diseñado y construido por Ball Aerospace &Technologies Corp., presentaba tres detectores de infrarrojo cercano de telururo de cadmio de mercurio que se unieron a sustratos de zafiro y se diseñaron para operar en la longitud de onda de 0,8 a 2,5 micrómetros. El NICMOS, que funcionó de 1997 a 1999 antes de quedarse sin refrigerante, y luego nuevamente de 2002 a 2008 luego de la instalación de un nuevo sistema de enfriamiento criogénico durante la Misión de Servicio 3B (STS-109), finalmente fue reemplazado en 2009 con el Wide Field Cámara 3 (WFC3) durante la Misión de Servicio 4 (STS-125). Aunque no es estrictamente un instrumento infrarrojo, también tenía un canal óptico y UV capaz de grabar imágenes en el rango de longitud de onda de 200 a 1000 nm, el WFC3 tenía un detector de infrarrojo cercano diseñado para capturar imágenes en el rango de longitud de onda de 800 a 1700 nm. Aunque su capacidad infrarroja es limitada en comparación con NICMOS (1700 nm frente a 2500 nm), el WFC3 podría enfriarse termoeléctricamente, eliminando la necesidad de enfriamiento criogénico.

El espejo

Posiblemente el instrumento científico tecnológicamente más avanzado jamás lanzado al espacio, el JWST no solo combinará los mejores aspectos de los telescopios espaciales Hubble y Spitzer, sino que los superará con creces, comenzando con el tamaño de su espejo principal. El espejo de Webb tendrá 6,5 metros de diámetro en comparación con el espejo de 2,4 metros del Hubble y el espejo compacto de 0,8 metros de Spitzer.

Debido a que un espejo de ese tamaño es demasiado grande para caber dentro de cualquier vehículo de lanzamiento actual, constará de 18 segmentos individuales de forma hexagonal hechos de berilio liviano que se desplegarán y se ajustarán automáticamente una vez en órbita. Cada segmento será deposición de vapor al vacío recubierto con una fina capa de oro de solo 1000 angstroms (100 nanómetros) de espesor. Para ponerlo en perspectiva, dada la densidad del oro a temperatura ambiente (19,3 g/cm ³ ), que equivale a 48,25 g de oro, aproximadamente la misma masa que una pelota de golf, para cubrir un área de superficie de 25 m ² . ¿Por qué oro? Reflectividad superior. El oro reflejará el 98 % de la luz infrarroja recolectada, mientras que un material como el aluminio normalmente solo refleja alrededor del 85 % de la luz visible.

El JWST está diseñado para orbitar el punto L2, a 1,5 millones de kilómetros sobre la Tierra. Cuanto más lejos de la atmósfera de la Tierra esté un telescopio, menos elementos habrá que afecten negativamente a la calidad de los datos que se recopilan. También estará lo suficientemente lejos del campo magnético protector de la Tierra, donde los rayos cósmicos de alta energía podrían interferir con sus señales o crear cargas eléctricas que podrían dañar los instrumentos sensibles del telescopio. Como seguro adicional, el JWST ha sido diseñado con blindaje especial y materiales conductores para evitar que el voltaje se acumule y dañe los parasoles y subsistemas de la nave. El telescopio realizará una órbita completa alrededor de L2 cada 198 días... en caso de que quiera observarlo.

El Parasol

El parasol del telescopio, que tiene aproximadamente el tamaño de una cancha de tenis (21,197 m × 14,162 m), es, con mucho, el elemento más grande del JWST. Compuesto por cinco capas de Du-Pont™ Kapton® recubiertas de silicona, cada capa de menos de 1 mm de espesor, el propósito principal del parasol es separar el lado frío del telescopio, donde se aloja la instrumentación, del lado que mira hacia el sol. La temperatura máxima que puede soportar la capa 1 es de 383 K (~231 °F), mientras que la capa 5 puede soportar una temperatura máxima de 221 K (~ -80 °F) y una temperatura mínima de 36 K (~ -394 °F). Dado que los detectores infrarrojos prefieren temperaturas frías y cualquier calor generado por los sistemas integrados del JWST podría contaminar las señales infrarrojas que se recopilan, la temperatura de funcionamiento preferida del telescopio es inferior a 50 K (~ -370 °F).

Dado el tamaño del parasol y la delgadez de sus materiales, uno de los desafíos de ingeniería que enfrentaron sus diseñadores fue hacerlo lo suficientemente fuerte como para soportar los rigores de los viajes espaciales. Lo lograron mediante la creación de un ingenioso sistema de nervaduras de soporte que proporcionarán la estabilidad estructural necesaria sin volverse quebradizos. El sistema también tolerará pequeñas rasgaduras y desgarros causados ​​por la basura espacial sin fallar.

En términos de tecnología, el JWST se puede dividir en tres secciones:el módulo de instrumentos científicos integrados (ISIM), el elemento del telescopio óptico y el elemento de la nave espacial.

Los instrumentos científicos

El ISIM contiene los cuatro instrumentos científicos principales del JWST:la cámara de infrarrojo cercano (NIRCam), el espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec), el instrumento de infrarrojo medio (MIRI) y el sensor de orientación fina/generador de imágenes de infrarrojo cercano y espectrógrafo sin rendija (FGS/NIRISS).

La cámara de infrarrojo cercano, construida por la Universidad de Arizona y Lockheed Martin, realizará dos funciones importantes. El primero es capturar imágenes en el rango de longitud de onda de 600nm a 5000nm utilizando una exposición de 10.000 segundos (aproximadamente 2,8 horas). Diseñado para operar a 37K (~ -393°F), observará y registrará la luz producida por algunas de las primeras estrellas y galaxias formadas en el universo después del Big Bang. Su otra función importante es monitorear constantemente el desempeño de los 18 segmentos del espejo primario, asegurando que el telescopio permanezca enfocado.

El espectrógrafo de infrarrojo cercano, aportado por la Agencia Espacial Europea (ESA), es único en el sentido de que puede analizar simultáneamente hasta 100 objetos en un campo de visión de 3 minutos de arco × 3 minutos de arco en el rango de longitud de onda de 600 nm a 5000 nm. Puede hacerlo gracias a un innovador sistema de cuatro conjuntos de máscaras de hendidura programables que contienen aproximadamente 250 000 microobturadores, cada uno de los cuales mide solo 100 × 200 micrones. El NIRSpec tiene cuatro modos operativos:espectroscopia de objetos múltiples (MOS), modo de unidad de campo integral (IFU), espectroscopia de hendidura de alto contraste (SLIT) y modo de imagen (IMA). Al igual que la cámara de infrarrojo cercano, se utilizará para analizar la luz recolectada desde los orígenes del universo.

El instrumento de infrarrojo medio está diseñado para funcionar como una cámara y un espectrógrafo y continúa donde lo dejan los instrumentos de infrarrojo cercano, capturando y analizando la luz en el rango de longitud de onda de 5000nm a 28000nm. La clave de su desempeño en esta área son sus detectores de silicio dopado con arsénico, también conocidos como Focal Plane Modules (FPM), que tienen una resolución de 1024 × 1024 píxeles. El MIRI, que se enfría criogénicamente a 7K (~ -447°F), también contiene un espectrómetro de baja resolución equipado con prismas de germanio metálico y sulfuro de zinc que pueden analizar la luz en el rango de longitud de onda de 5000nm a 12000nm. También está equipado con coronógrafos, lo que le permite estudiar exoplanetas.

Por último, el sensor de orientación fina/generador de imágenes de infrarrojo cercano y espectrógrafo sin rendija, construido por la Agencia Espacial Canadiense, está diseñado para observar la luz en el rango de longitud de onda de 800 nm a 5000 nm y realiza dos funciones. El sensor de guía fina proporciona el sentido de dirección del JWST, apuntándolo a los objetivos designados. El generador de imágenes de infrarrojo cercano y el espectrógrafo sin rendija, que está equipado con una matriz de cadmio de mercurio de 2048 × 2048 píxeles y tiene un campo de visión de 2,2 pies × 2,2 pies, está diseñado para detectar y analizar exoplanetas.

El Elemento del Telescopio Óptico (OTE) es, como su nombre lo indica, los ojos del JWST. Según la NASA, consta de los 18 segmentos hexagonales que componen el espejo primario de 6,5 metros; el espejo secundario circular de 0,74 metros; los espejos de dirección terciarios y finos; el ensamblaje de la placa posterior del espejo principal y el accesorio de soporte de la placa posterior principal, que también alberga el módulo de instrumentos; el subsistema de gestión térmica; radiador ISIM desplegable en popa (ADIR); y el sistema de control y detección de frente de onda de la nave espacial.

Los Subsistemas

La pieza final del rompecabezas es el elemento de la nave espacial, que consiste en el parasol y el autobús de la nave espacial. Además de soportar toda la masa de 6500 kg del telescopio, el Spacecraft Bus, que está hecho de material compuesto de grafito, alberga los seis subsistemas principales del JWST, a saber, el subsistema de energía eléctrica, el subsistema de control de actitud, el subsistema de comunicación, el comando y subsistema de manejo de datos, el subsistema de propulsión y el subsistema de control térmico.

La función principal del subsistema de energía eléctrica es convertir la energía recolectada por los paneles solares en la energía eléctrica requerida por los otros subsistemas. El subsistema de control de actitud gestiona la orientación y la estabilidad del telescopio en órbita. El subsistema de comunicación manejará la transmisión de datos y señales de comando a través de la Red de comunicación del espacio profundo de la NASA. El subsistema de manejo de datos y comandos contiene la computadora principal del JWST y el Procesador de Telemetría de Comandos (CTP), así como su dispositivo de almacenamiento de datos de Grabadora de Estado Sólido (SSR). El subsistema de propulsión consiste en los cohetes y tanques de combustible necesarios para apuntar el telescopio y mantenerlo en su órbita adecuada. Y el subsistema de control térmico está diseñado para controlar los cuatro conjuntos de cortinas de radiador desplegables y mantener temperaturas de funcionamiento críticas a bordo de la nave espacial.

En base a la extraordinaria cantidad y calidad de los datos recopilados por los telescopios espaciales Hubble y Spitzer, la sensación de anticipación y entusiasmo con respecto a lo que podríamos aprender del JWST es comprensiblemente alta. La duración prevista de su misión es de 5 a 10 años y, dentro de ese tiempo, los científicos esperan no solo aprender más sobre los orígenes y la formación de nuestro universo, sino también recopilar información valiosa sobre otros misterios como agujeros negros, supernovas, galaxias bebés y distantes. planetas que podrían tener el potencial para albergar vida.

Independientemente de lo que descubra, como el Starship Enterprise ficticio en la popular serie de televisión Star Trek, el JWST nos dará la capacidad real de ir científicamente "a donde ningún hombre ha ido antes".

Este artículo fue escrito por Bruce A. Bennett, editor, Photonics &Imaging Technology, SAE Media Group (Nueva York, NY).

Fuentes

• Ivanova, Nelly. 2012. El espacio de James Webb
• Guía científica de telescopios . Baltimore:Espacio
• Instituto de Ciencias del Telescopio (STScl).
• https://jwst.nasa.gov/
• https://www.nasa.gov/