Después de un cuarto de siglo de desarrollo, el día de Navidad de 2021 por fin se ha lanzado desde la Guayana Francesa el observatorio más potente y sensible jamás enviado al espacio. Operando con luz infrarroja, podrá observar las primeras estrellas y galaxias del universo, además de exoplanetas en los que podría detectar biomarcadores en sus atmósferas. Los próximos días serán cruciales para el complicado despliegue de sus componentes.
El 25 de diciembre de 2021, a las 13:20 h (hora peninsular española), ha despegado con éxito desde el puerto espacial europeo en Kurú (Guayana Francesa), a bordo de un cohete Ariane 5, el observatorio que está llamado a revolucionar la astrofísica en la próxima década: el telescopio espacial James Webb (JWST, abreviado como el Webb).
El acontecimiento lo han confirmado y retransmitido por sus redes sociales las tres agencias espaciales que han participado en la construcción de este enorme observatorio: la NASA —que lidera el proyecto—, la europea ESA y la canadiense CSA.
Juntas colaboran desde el año 1996, cuando un comité de expertos recomendó desarrollar un telescopio espacial para observar el universo en luz infrarroja. Esta longitud de onda permite ver a través de las nubes de polvo y gas, ampliando la visión más atrás en el espacio y el tiempo, hasta hace unos 13.500 millones de años, respecto a lo que permite el Hubble operando con luz visible (unos 12.500 millones de años).
El Webb llegará más allá en el espacio y el tiempo que el Hubble. / NASA
“El Webb observará una época del universo nunca vista anteriormente en la que las primeras galaxias y estrellas se estaban formando, vamos a explorar un territorio desconocido”, destaca Macarena García Marín, astrofísica de la ESA que trabaja con uno de sus instrumentos.
Pero antes de comenzar sus operaciones científicas, el observatorio se enfrentará a su complejo despliegue en el espacio. Su espejo de 6,5 metros y enorme parasol, aún más grande, se han tenido que doblar en un cohete de 5 m de diámetro.
De forma similar a ‘meter un barco en una botella’, el JWST se ha lanzado plegado, pero ahora sus piezas deben abrirse muy despacio en el frío vacío espacial durante las primeras semanas de viaje, los llamados 29 días al límite.
“Este telescopio es muy importante para la ciencia, pero también para la ingeniería espacial”, subraya Begoña Vila, ingeniera de sistemas de la NASA para otro instrumento y presentadora en español del lanzamiento del Webb, “porque hasta ahora estamos limitados por el tamaño del cohete y no podemos mandar nada más grande: es el primero que vamos a enviar con el espejo y el parasol doblado, y hay que demostrar que lo podemos desplegar en órbita. Se abre un campo nuevo para futuras misiones”.
Durante los primeros seis meses de puesta a punto, el llamado periodo de comisión, los científicos y responsables de la misión revisarán que todos los sistemas funcionan correctamente, encenderán los instrumentos, alinearan los espejos y recibirán las primeras imágenes y espectros de prueba desde el telescopio.
El conjunto se asienta en una aeronave o spacecraft sobre la que está el gigantesco escudo solar o parasol, tan grande como una pista de tenis y dividido en cinco capas, que lo protegen de la luz y el calor que llegan desde el Sol y la Tierra. La temperatura en la parte orientada hacia nuestra estrella puede rondar los 100 ºC, mientras que detrás, en la lado frio en el que trabajan los instrumentos, alcanzar los -235 ºC.
Encima del parasol multicapa se sitúa el telescopio en sí mismo, formado por el espejo primario de 6,5 m con 18 piezas hexagonales. Está fabricado de berilio revestido de oro, un metal precioso que refleja muy bien la débil luz infrarroja para su posterior detección.
Justo detrás del gran espejo se ha montado un módulo científico (ISIM) con cuatro instrumentos. Un espejo secundario reflejará la luz del primario en ellos. Además la nave cuenta con otros elementos, como antenas, estabilizadores y un sensor de guiado fino (FGS) para orientarse de forma muy precisa y mantener el observatorio estable.
De los cuatro instrumentos, tres operan en el infrarrojo cercano (NIRCam de la NASA, NIRSpec de fabricación enteramente europea y NIRISS canadiense), y otro en el infrarrojo medio (MIRI, construida al 50% entre la NASA y la ESA).
Los cuatro instrumentos científicos del Webb. / NASA
Dentro llevan cámaras para tomar imágenes de objetos astronómicos, espectrógrafos que descomponen la luz en sus colores para analizarla y coronógrafos para bloquear la luz de las estrellas, lo que permite observar los planetas que orbitan en torno a ellas.
Además de observar las primeras galaxias y estrellas que se formaron tras el Big Bang, las observaciones infrarrojas y espectroscópicas del Webb ayudarán a estudiar esos exoplanetas.
Uno de los objetivos es analizar la composición de sus atmósferas, especialmente la detección de biomarcadores o moléculas asociadas a la vida, como el agua.
Espectros de transmisión de algunas moléculas desde exoplanetas parecidos a la Tierra. / NASA
Las posibilidades de investigación que ofrece el Webb son enormes, y la comunidad científica ha planteado multitud de propuestas para acceder a sus datos.
El factor de presión para conseguir la información que facilita este telescopio espacial es uno de los más altos de la historia. El primer año de observaciones ya está todo aprobado y programado.
Dentro de aproximadamente un mes, el Webb llegará a su destino. Orbitará alrededor del llamado punto de Lagrange L2, un lugar óptimo del sistema Sol-Tierra donde estabilizar y colocar este tipo de observatorios.
Ese punto se localiza a 1,5 millones de kilómetros, una distancia lo suficientemente grande (por comparar, la Luna está a unos 384.000 km) como para que, si alguna vez se estropea el telescopio, no puedan ir a repararlo los astronautas, como sí hicieron con el Hubble. Los científicos confían en que su sucesor no tenga problemas tras años de test criogénicos y pruebas.
En aquel lejano y frío punto L2 el James Webb escudriñará el universo al menos durante cinco años, pero está previsto que pueda funcionar otros cinco más.
El presupuesto global de este enorme y complejo observatorio espacial, que ha tenido multitud de retrasos e incluso estuvo a punto de cancelarse por temas presupuestarios, ronda los 10.000 millones de dólares, la mayoría aportados por la NASA y unos 700 millones de euros por la ESA, que también se ha encargado del lanzamiento.
Ahora, como ha destacado en alguna ocasión Thomas Zurbuchen, administrador asociado de la Dirección de Misiones Científicas de la NASA, el Webb “se convertirá en el centro de todo el programa de observación astrofísica durante la próxima década, y nos enseñará el universo como no lo hemos visto nunca”.
El Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA) es uno de los pocos centros a nivel mundial que colabora, junto a varias empresas, en dos de los instrumentos científicos del Webb: NIRSpec y MIRI. Muchos de los investigadores del CAB han participado en su desarrollo o utilizarán sus datos.
NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) es un espectrógrafo construido por la ESA con AIRBUS Defensa y Espacio como contratista principal. La NASA contribuye con los detectores y un innovador dispositivo microelectromecánico que permite la observación de muchos objetos simultáneamente. Las empresas españolas CASA, CRISA (actualmente integradas en el grupo AIRBUS) e Iberespacio han desarrollado componentes como la electrónica de control, el sistema de cableado criogénico y la cubierta del sistema óptico.
El investigador Santiago Arribas lidera uno de los programas científicos de este instrumento para estudiar la formación y evolución de las primeras galaxias y agujeros negros en el universo primigenio mediante espectroscopía 3D: “Esta técnica, que será utilizada por vez primera en un telescopio espacial, consiste en obtener simultáneamente miles de imágenes de una pequeña región del cielo en longitudes de onda ligeramente diferentes. Esto nos permitirá caracterizar con mucho detalle sus propiedades físicas, químicas y cinemáticas”. Pablo Pérez González también usará la espectroscopía 3D del instrumento para entender por qué algunas galaxias han dejado de formar estrellas en épocas tempranas del universo.
Por su parte, Bruno Rodríguez del Pino realizará pruebas después del lanzamiento y coordina un proyecto para caracterizar las propiedades de galaxias con formación estelar intensa. Michele Perna está en los grupos de verificación científica del instrumento, y coordina un proyecto centrado en el estudio de los agujeros negros en épocas tempranas. Estos científicos también forman parte del programa JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey), un gran cartografiado cosmológico que se realiza en colaboración entre los equipos científicos de NIRSpec y NIRCam.
En cuanto a MIRI (Mid-Infrared Instrument), es el instrumento más sofisticado enviado al espacio para trabajar en el rango del infrarrojo térmico o medio. Será mucho más sensible y con mayor resolución angular que su predecesor. “Sus características hacen que sea único para el estudio de exoplanetas, de la química de los discos protoplanetarios y de la formación y evolución de las galaxias”, apunta Luis Colina, uno de sus investigadores principales.
Diversos grupos de ingeniería del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), bajo la dirección de Lola Sabau, Eva Díaz, Ana Aricha, Tomás Belenguer, Luis Gonzalez, Inmaculada Figueroa y David Barrado, junto con la empresa de ingeniería LIDAX, desarrollaron el MTS (MIRI Telescope Simulator), un sistema óptico con el que se simuló la señal óptica del Webb en condiciones de espacio profundo y que se utilizó para la caracterización de MIRI antes de su entrega a NASA en 2012.
Colina lidera el grupo que estudiará la formación y evolución de galaxias a distancias cosmológicas, Almudena Alonso Herrero otro equipo que estudiará las regiones nucleares y agujeros negros en galaxias cercanas, y David Barrado participa en el grupo de caracterización de exoplanetas y discos protoplanetarios. Además, Javier Álvarez y Álvaro Labiano están involucrados en labores de calibración y caracterización orbital de MIRI durante el primer semestre de 2022.
Otros miembros del equipo científico de MIRI participan en proyectos adicionales, como Pablo G. Pérez González, que lo hará en los mayores cartografiados cosmológicos que se realizarán en el primer año de operaciones del telescopio, entre ellos el Cosmic Evolution Early Release Science Survey, CEERS. Por su parte, Javier Álvarez liderará un estudio de galaxias aparecidas en épocas tempranas del universo (cuando tenía un 5% su edad actual).
Además, en el Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial que tiene la NASA en Baltimore (EE UU) trabajan como científicas de instrumentos del Webb las españolas Macarena García Marín (en MIRI) y Elena Puga (en NIRSpec), junto al resto de investigadores de la ESA desplazados a ese centro.
También hay que destacar los representantes nacionales trabajando en la propia NASA, como la ingeniera de sistemas gallega Begoña Vila Costas, premiada por la agencia espacial estadounidense por su trabajo con el instrumento doble FGS-NIRISS del Webb y que participa en la transmisión en español del lanzamiento.
El hallazgo de este sistema binario, denominado D9, demuestra que algunas estrellas pueden sobrevivir temporalmente incluso bajo condiciones extremas y que los agujeros negros no son tan destructivos como pensábamos. Los autores del estudio señalan que el descubrimiento podría revolucionar nuestra comprensión sobre la formación estelar en entornos de gravedad extrema.
Un estudio publicado en Nature Astronomy destaca la dificultad de confirmar la existencia de atmósferas en exoplanetas mediante datos térmicos de banda ancha. Esta problemática toma relevancia en el marco del programa "Rocky Worlds" del Space Telescope Science Institute, que aplicará este método a numerosos exoplanetas rocosos.
