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El telescopio espacial James Webb

Observar galaxias distantes con un telescopio desde la Tierra, incluso en una noche despejada, es como mirar un objeto al contraluz y a través de un vaso de agua sucia. Con suerte se puede llegar a reconocer el objeto, pero se pierden muchos detalles importantes.

Cualquier telescopio basado en la Tierra, está sometido continuamente a oxidación, humedad, polvo, movimientos de la corteza terrestre, nubes, difracciones por cambios de temperatura a diferentes alturas en el aire, deformaciones de la lente y su estructura por gravedad, vibraciones por vientos y por diferencias de temperatura entre día y noche, etc. La lista de inconvenientes es interminable. Para eliminar todas esas dificultades en la observación del universo se ha optado por enviar los telescopios al espacio eliminando así esa venda que supone la atmósfera terrestre y al mismo tiempo alejarlos lo más posible de nuestro campo gravitatorio proporcionando así un entorno mucho más estable y benigno para la observación.

Tras la exitosa experiencia de la misión del Hubble, todavía en activo, el James Webb supondrá un nuevo hito en tecnología de telescopios espaciales.

El primer telescopio espacial fue puesto en órbita en 1968. Fue el Orbiting Astronomical Observatory OAO-2 Stargazer lanzado por Estados Unidos (el OAA-1 no llegó a entrar en funcionamiento por problemas técnicos tras el lanzamiento). Era muy rudimentario (4 cámaras de televisión) y por lo tanto, de una capacidad de observación limitada para nuestros estándares actuales pero tremendamente ambicioso para su época. Este telescopio capturaba radiación Ultravioleta  (UV) que es absorbida en gran medida por la atmósfera terrestre y motivo por el cual se justificaba mapear el espacio en esa frecuencia. El OAO-2, pese a sus limitaciones permitió hacer varios avances en los modelos astronómicos de ese momento (demostró que las estrellas están en realidad a mayor temperatura de lo que se creía, que los cometas están rodeados por nubes gigantescas de hidrógeno y que su núcleo suele ser de hielo) y, por supuesto, empezó a cimentar los principios de la tecnología de los telescopios espaciales.

La misión Hubble, en 1990, supuso una nueva revolución en el sector científico espacial. Por fin se podían hacer observaciones con mucho mayor alcance debido al tamaño del telescopio y en un rango de espectros más amplio: UV, visible e Infrarrojo cercano (NIR). Esta misión ha permitido confirmar la edad y la velocidad de expansión del universo, la existencia de agujeros negros en el centro de la mayoría de las galaxias, tamaño y masa de la Vía Láctea, etc. También ha contado con continuas actualizaciones y mejoras que le han permitido alargar notablemente su tiempo de servicio (como la conocida intervención para corregir los defectos ópticos de su espejo principal)

La misión James Webb Space Telescope (JWST) es un nuevo salto cuántico en la evolución de los telescopios espaciales. En este caso se vuelve a batir un récord en el tamaño de telescopio.  El espejo principal del James Webb es de 6,5 metros (enorme si se compara con el del telescopio Hubble que “solo” contaba con 2,4 metros). Este tamaño de espejo formado por 18 elementos hexagonales, por ahora, solo se puede conseguir poner en órbita plegándolo en varias secciones.

La misión es muy ambiciosa. Se espera recoger datos que permitan validar un gran número de hipótesis de alta relevancia en nuestra comprensión del Universo, especialmente de aquellas relacionadas con su origen como son:

  • Detección de las primeras estrellas y galaxias nacidas en la frontera observable del universo (protogalaxias formadas apenas 300 millones de años después del Big Bang) que permitirán refinar las actuales teorías sobre su formación.
  • Origen de Quasars y agujeros negros supermasivos.
  • Nacimiento de estrellas y planetas. Detección de concentraciones de polvo estelar que es el caldo de cultivo para la acumulación de Hidrógeno para contrastar teorías sobre la formación de estrellas y planetas.
  • Estudio de exoplanetas con detalle inigualable. Especialmente la composición de sus atmósferas analizando sus espectrografías cuando pasan delante de su estrella. Esto permitirá hacer un mapeado preciso sobre los puntos del universo en los que se dan condiciones para la vida. (para más detalles sobre búsqueda de exoplanetas ver el artículo “Exoplanetas”)

Para llevar a cabo este ambicioso proyecto, el JWST lleva a bordo los siguientes 4 subsistemas de cámaras principales de muy alta sensibilidad:

  • NIR Cam. Captura imágenes y espectro en el borde óptico del IR (Diseñado por la Universidad de Arizona)
  • NIRSpec Captura de espectro IR para el estudio de galaxias lejanas (fabricado por la ESA).
  • MIRI (Mid IR Instrument) Captura de imágenes y espectro en IR de mayor longitud de onda para atravesar las capas de polvo que recubren la mayoría de galaxias lejanas. (desarrollo ESA+NASA).
  • NIRISS Captura de magen y espectro (fabricado por la Canadian Space Agency)

Como se puede comprobar por estos subsistemas, el JWST está fundamentalmente centrado en captura de imagen y espectro infrarrojo (IR). Esto es debido al ritmo de expansión del universo. Los objetos más lejanos se alejan de nuestro punto de vista a mayor velocidad y por lo tanto la radiación que nos llega de ellos está altamente distorsionada hacia longitudes de onda más largas como el IR (efecto Doppler).

Por este motivo, los sensores deben mantenerse fríos y ocultos de cualquier fuente no deseada de IR. Para prevenir contaminaciones en IR se han adoptado varias soluciones. La más llamativa es un escudo de 5 capas de silicato de aluminio, cada una con un espesor de un pelo, pero con la superficie de una pista de tenis. Este escudo bloqueará toda la radiación recibida desde la dirección del Sol, la Tierra y la Luna al mismo tiempo que reducirá la temperatura del propio telescopio a nada menos que 36K (lo más cerca que se puede estar del cero absoluto por medios pasivos).

El escudo es tan complejo y frágil que su despliegue dura 2 semanas (de hecho, este plegado/desplegado es lo que ha retrasado la misión repetidamente ya que, si el escudo no se despliega correctamente, toda la misión se vería seriamente amenazada).

El despliegue completo de escudo, espejos, antenas, paneles solares, etc. durará 160 días después de “aparcarse” en su órbita. Con ello se pretende que cada acción sea seguida de un periodo de reposo para disipar vibraciones mecánicas y de temperatura que permitan pasar a la siguiente acción con la delicadeza y precisión que se requiere para ello.

Otra de las principales soluciones que se han adoptado para permitir observaciones de gran alcance y resolución es colocar al JWST en el punto orbital Lagrange 2. Los puntos orbitales de Lagrange son inheremente estables (en diversos grados de estabilidad) y están determinados por las interacciones gravitacionales producidas entre el Sol, la Tierra y la Luna. En concreto, el punto orbital Lagrange 2 (L2) está alrededor del Sol, pero acompañando a la Tierra en su traslación a una distancia de 1,5 milones de Km (es decir, el JWST no orbita a la Tierra sino al Sol pero lo hará a la misma velocidad angular de la Tierra de forma que acompañará a ésta durante su traslación)

La distancia de L2 es 4.000 veces superior a la órbita del Hubble y por lo tanto no será posible hacerle reparaciones por medio de transbordador para alargar su vida útil como se hizo con Hubble.

Por eso, la vida operativa del JWST está estimada entre 5 y 10 años. Esta duración estará determinada por la cantidad de combustible que consuma para corregir su posición en L2 evitando “resbalarse” fuera de ella.

Así que es bastante probable que el JWST no dure tanto como el longevo Hubble (que todavía está en activo y lleva más de 30 años en servicio) pero sin duda brillará mucho …aunque sea en infrarrojos.

 

James Webb telescope

 

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