Telescopio Espacial James Webb: Revelando los Orígenes del Universo

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

Originalmente llamado Telescopio Espacial de Próxima Generación (NGST) y renombrado en septiembre de 2002 para honrar 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 de Ciencias del Telescopio Espacial, que operará el telescopio después de su lanzamiento.

Tecnología Infrarroja

¿Qué hace al JWST diferente de los telescopios espaciales que le precedieron, como el histórico Telescopio Espacial Hubble? Por un lado, Hubble, 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 expansión, se “estiran”, lo que significa que cambian a longitudes de onda de energía más largas y rojas. En algún momento, la luz visible una vez de las estrellas más distantes del universo cambia a longitudes de onda infrarrojas que ya no pueden ser detectadas por telescopios ópticos como Hubble. El JWST está diseñado específicamente para capturar imágenes de esas ondas de luz infrarroja y analizarlas usando espectroscopía de vanguardia.

El JWST no será la primera vez que los científicos usen tecnología infrarroja para explorar el universo. En 1983, la NASA lanzó su innovador Satélite Astronómico Infrarrojo (IRAS) a la órbita, convirtiéndose en el primer telescopio infrarrojo espacial del mundo. Un proyecto conjunto diseñado por EE. UU., Países Bajos y 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 longitudes de onda de 12, 25, 60 y 100 micrómetros. El éxito de esa misión llevó a la instalación de un telescopio infrarrojo enfriado con helio a bordo del Transbordador Espacial Challenger en 1985 (STS-51) y eventualmente resultó en el desarrollo del Telescopio Espacial Spitzer, lanzado en 2003.

Entre esos hitos, la Agencia Espacial Europea, trabajando con la NASA y el Instituto de Ciencia Espacial y Astronáutica de Japón (ISAS), 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 espectroscopía 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 dio al telescopio óptico Hubble capacidad infrarroja equipándolo con la Cámara Infrarroja Cercana y Espectrómetro Multi-Objeto (NICMOS) durante la Misión de Servicio 2 (STS-82).

NICMOS, un dispositivo de imagen combinado y espectrómetro diseñado y construido por Ball Aerospace & Technologies Corp., presentaba tres detectores de telururo de mercurio y cadmio de infrarrojo cercano unidos a sustratos de zafiro y diseñados para operar en la longitud de onda de 0.8 a 2.5 micrómetros. El NICMOS, que operó de 1997 a 1999 antes de quedarse sin refrigerante, y luego nuevamente de 2002 a 2008 tras la instalación de un nuevo sistema de enfriamiento criogénico durante la Misión de Servicio 3B (STS-109), fue finalmente reemplazado en 2009 con la Cámara de Campo Amplio 3 (WFC3) durante la Misión de Servicio 4 (STS-125). Aunque no estrictamente un instrumento infrarrojo —también tenía un canal UV y óptico capaz de grabar imágenes en el rango de longitud de onda de 200 a 1000 nm— el WFC3 sí tenía un detector de infrarrojo cercano diseñado para capturar imágenes en el rango de longitud de onda de 800-1700 nm. Aunque limitado en su capacidad infrarroja comparado con NICMOS (1700 nm vs. 2500 nm), el WFC3 podía enfriarse termoeléctricamente, eliminando la necesidad de enfriamiento criogénico.

El Espejo

Probablemente el instrumento científico más tecnológicamente 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 por el tamaño de su espejo primario. El espejo de Webb tendrá 6.5 metros de diámetro comparado con el de 2.4 metros de Hubble y el compacto de 0.8 metros de Spitzer.

Debido a que un espejo de ese tamaño es demasiado grande para caber en cualquier vehículo de lanzamiento actual, consistirá en 18 segmentos hexagonales individuales hechos de berilio ligero que se desplegarán y ajustarán automáticamente a su forma una vez en órbita. Cada segmento será recubierto por deposición de vapor en vacío con una capa delgada de oro de solo 1000 angstroms (100 nanómetros) de espesor. Para poner eso en perspectiva, dada la densidad del oro a temperatura ambiente (19.3 g/cm³), eso equivale a 48.25 g de oro —aproximadamente la misma masa que una pelota de golf— para recubrir un área de superficie de 25 m². ¿Por qué oro? Reflectividad superior. El oro reflejará el 98 por ciento de la luz infrarroja recopilada, mientras que un material como el aluminio típicamente refleja solo alrededor del 85 por ciento 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 terrestre esté un telescopio, menos elementos habrá que afecten negativamente la calidad de los datos recopilados. 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 potencialmente 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 protectores solares y subsistemas de la nave. El telescopio completará una órbita completa alrededor de L2 cada 198 días... por si quieres observarlo.

El Protector Solar

El protector solar del telescopio, que es aproximadamente del tamaño de una cancha de tenis (21.197 m × 14.162 m), es con mucho el elemento más grande del JWST. Consta de cinco capas de Du-Pont™ Kapton® recubierto de silicio, cada capa de menos de 1 mm de espesor. El propósito principal del protector solar es separar el lado frío del telescopio, donde se aloja la instrumentación, del lado que mira al sol. La temperatura máxima que la capa 1 puede soportar es 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 a bordo del JWST podría contaminar las señales infrarrojas que se recopilan, la temperatura de operación preferida del telescopio es inferior a 50 K (~ -370 °F).

Dado el tamaño del protector solar y lo delgados que son sus materiales, uno de los desafíos de ingeniería que enfrentaron sus diseñadores fue hacerlo lo suficientemente fuerte para soportar los rigores del viaje espacial. Lo lograron creando un ingenioso sistema de costillas de soporte que proporcionarán la estabilidad estructural necesaria sin volverse quebradizos. El sistema también tolerará pequeños desgarros y rasgaduras causados por desechos espaciales sin fallar.

En términos de tecnología, el JWST puede dividirse en tres secciones: el Módulo Integrado de Instrumentos Científicos (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 Guía Fina / Imagenador 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. La primera es capturar imágenes en el rango de longitud de onda de 600 nm a 5000 nm usando una exposición de 10,000 segundos (aproximadamente 2.8 horas). Diseñada para operar a 37 K (~ -393 °F), observará y registrará la luz producida por algunas de las primeras estrellas y galaxias formadas en el universo tras el Big Bang. Su otra función importante es monitorear constantemente el rendimiento de los 18 segmentos del Espejo Primario, asegurando que el telescopio permanezca enfocado.

El Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano, contribuido por la Agencia Espacial Europea (ESA), es único en 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 hacer esto gracias a un innovador sistema de cuatro matrices de máscaras de rendija programables que contienen aproximadamente 250,000 microobturadores, cada uno midiendo solo 100 × 200 micras. El NIRSpec tiene cuatro modos operativos: Espectroscopía Multi-Objeto (MOS), Modo Unidad de Campo Integral (IFU), Espectroscopía de Rendija de Alto Contraste (SLIT) y Modo de Imagen (IMA). Al igual que la Cámara de Infrarrojo Cercano, se usará para analizar la luz recopilada de los orígenes del universo.

El Instrumento de Infrarrojo Medio está diseñado para funcionar tanto como cámara como espectrógrafo y continúa donde dejan los instrumentos de infrarrojo cercano, capturando y analizando luz en el rango de longitud de onda de 5000 nm a 28000 nm. La clave de su rendimiento en esta área son sus detectores de silicio dopado con arsénico, también conocidos como Módulos de Plano Focal (FPMs), que tienen una resolución de 1024 × 1024 píxeles. El MIRI, que se enfría criogénicamente a 7 K (~ -447 °F), también contiene un Espectrómetro de Baja Resolución equipado con prismas de germanio y sulfuro de zinc que pueden analizar luz en el rango de longitud de onda de 5000 nm a 12000 nm. También está equipado con coronógrafos, dándole la capacidad de estudiar exoplanetas.

Finalmente, el Sensor de Guía Fina / Imagenador de Infrarrojo Cercano y Espectrógrafo sin Rendija, construido por la Agencia Espacial Canadiense, está diseñado para observar 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 objetivos designados. El Imagenador de Infrarrojo Cercano y Espectrógrafo sin Rendija, equipado con un array de cadmio y mercurio de 2048 × 2048 píxeles y 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 indica, los ojos del JWST. Según la NASA, consiste en los 18 segmentos hexagonales que componen el espejo primario de 6.5 metros; el espejo secundario circular de 0.74 metros; los espejos terciario y de guiado fino; el ensamblaje de la estructura posterior del espejo primario y el soporte principal de la estructura posterior, que también aloja el módulo de instrumentos; el subsistema de gestión térmica; el radiador ISIM desplegable hacia atrás (ADIR); y el sistema de detección y control del 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 protector solar y el Bus de la Nave Espacial. Además de soportar toda la masa de 6500 kg del telescopio, el Bus de la Nave Espacial, hecho de material compuesto de grafito, alberga los seis subsistemas principales del JWST: el subsistema de energía eléctrica, el subsistema de control de actitud, el subsistema de comunicaciones, el subsistema de manejo de comandos y datos, el subsistema de propulsión y el subsistema de control térmico.

La función principal del subsistema de energía eléctrica es convertir la energía recogida por los paneles solares en la energía eléctrica requerida por los otros subsistemas. El subsistema de control de actitud gestiona la orientación y estabilidad del telescopio en órbita. El subsistema de comunicaciones manejará la transmisión de datos y señales de comando a través de la Red de Comunicaciones de Espacio Profundo de la NASA. El subsistema de manejo de comandos y datos contiene la computadora principal del JWST y el Procesador de Telemetría de Comando (CTP), así como su dispositivo de almacenamiento de datos Grabador 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 Ensamblajes de Sombrillas Radiadoras Desplegables y mantener temperaturas críticas de operación a bordo de la nave espacial.

Basado en la extraordinaria cantidad y calidad de datos recopilados por los Telescopios Espaciales Hubble y Spitzer, el sentido de anticipación y emoción sobre lo que podríamos aprender del JWST es comprensiblemente alto. Su duración de misión proyectada es de 5 a 10 años y dentro de ese tiempo, los científicos esperan no solo aprender más sobre los orígenes y formación de nuestro universo, sino recopilar información valiosa sobre otros misterios como agujeros negros, supernovas, galaxias bebé y planetas distantes que podrían tener el potencial de sostener vida.

Independientemente de lo que descubra, como la ficticia nave Enterprise en la popular serie de televisión Star Trek, el JWST nos dará la capacidad muy real de ir científicamente “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. The James Webb Space
• Telescope Science Guide. Baltimore: Space
• Telescope Science Institute (STScl).
• https://jwst.nasa.gov/
• https://www.nasa.gov/