Desde su lanzamiento en 1990, el Telescopio Espacial Hubble nos ha maravillado con sus fotografías astronómicas y con sus aportes científicos al conocimiento del universo. 

Sin embargo, uno de los desafíos actuales de la astronomía es estudiar los objetos más distantes a nuestro planeta y los objetos más antiguos que podemos observar. En este contexto, el Telescopio Hubble presenta ciertas limitaciones: su principal enfoque es observar en el rango electromagnético visible y ultravioleta. Pero es bien sabido que, debido a la expansión del universo, los objetos astronómicos se alejan entre sí, generando un fenómeno llamado corrimiento al rojo (redshift): debido al efecto Doppler, la luz proveniente de un objeto que se aleja del observador llegará a este con una longitud de onda mayor a la original, es decir, el observador verá la luz con un corrimiento hacia las regiones “más rojas” del espectro. En el caso de objetos extremadamente lejanos este corrimiento se producirá en el rango infrarrojo. Para poder observar estos objetos, se necesitan instrumentos específicos para esta tarea, además de espejos lo más grandes posibles, para captar la radiación electromagnética más débil. Para esto, se diseñó y construyó el Telescopio Espacial James Webb, (nombrado en honor al segundo administrador de la agencia espacial estadounidense NASA), y pensado para ser el sucesor del Telescopio Hubble.

Redshift y blueshift de un objeto astronómico: Corrimiento de las ondas que emite (en reposo) hacia el rojo (longitud de onda mayor) cuando se aleja del observador y al azul (longitud de onda menor) cuando se acerca al observador (editado de Aleš Tošovský – Own work, CC BY-SA 3.0).

 

El JWST (Telescopio Espacial James Webb) está siendo desarrollado como una colaboración internacional entre la Administración Nacional de Aeronáutica y el Espacio de los Estados Unidos (NASA), la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia Espacial Canadiense (CSA). Su lanzamiento está planeado para finales de octubre de este año, el cual será un evento complejo y muy importante (el traslado del telescopio hasta el lugar de lanzamiento, la Guayana Francesa, demorará dos meses). Veremos ahora las características del telescopio espacial más moderno y complejo jamás construido, que lo convertirán en el principal instrumento de investigación astronómica de la próxima década.

Observatorio Espacial

Aunque a todo el conjunto lo llamemos usualmente “telescopio”, sería más correcto decir que es un Observatorio Espacial compuesto de cuatro partes: el telescopio óptico (OTE) el Módulo Integrado de Instrumentos de Ciencia (ISIM), el parasol (sunshield o cobertor para el sol) y el sostén en sí de todo el sistema: el satélite o la base (spacecraft bus) donde se ubicarán todos los componentes.

Esquema de la visión anterior y posterior del observatorio.

Telescopio Óptico

El JWST es un telescopio reflector de tres espejos anastigmático. Esto significa que su distribución de espejos permite corregir diferentes aberraciones (errores y deformaciones) de la imagen final. Posee un espejo primario, que capta la luz de los astros, y la refleja concentrando los rayos hacia el espejo secundario. Éste vuelve a reflejar la luz, concentrándola hacia el ISIM, que se encuentra detrás del espejo primario, y en donde se concentran las cámaras, detectores y espectrógrafos que analizarán la luz. Un espejo terciario en el recorrido corrige posibles aberraciones. 

Animación del recorrido de la luz en el JWST.

Los espejos

Su espejo principal mide 6,5 metros de diámetro, será el espejo más grande que alguna vez ha sido enviado fuera de la Tierra. Está formado por 18 piezas hexagonales que encajan perfectamente entre sí, dándole una forma final que recuerda a un panal de abejas. 

Espejo principal.

Cada hexágono, al igual que los espejos secundario y terciario, está hecho del metal berilio, debido a que era necesario utilizar un material que permitiese construir un espejo del tamaño deseado, pero que sea liviano y fuerte a la vez. Además, el berilio no cambia su forma en un gran rango de temperaturas, por lo que minimiza el riesgo de posibles deformaciones del espejo. Todos los espejos están recubiertos con una fina lámina de oro de 1000 angstroms (0,0001 milímetros) de espesor. Este elemento es el que efectivamente refleja la luz, y se eligió oro como recubrimiento porque mejora la reflexión de la luz en el rango infrarrojo, que es el rango deseado para estudiar. 

Espejo secundario luego del recubrimiento con oro.

La elección de la forma hexagonal se debe principalmente a la simetría. Como el espejo es muy grande, es necesario plegarlo para que entre en el cohete que lo enviará al espacio. Los segmentos hexagonales, cuando se despliegan, no dejan ningún despacio entre ellos, además, permiten que la forma final del espejo sea adecuada para conseguir la mayor concentración de los rayos de luz en los detectores. Enviar el espejo plegado al espacio tiene una desventaja: al desplegarlo, es necesario asegurarse de que todos los segmentos hexagonales estén perfectamente alineados para no obtener distorsiones en la imagen. Esto se logra con un pequeño motor adherido a cada pieza hexagonal, que hace finos ajustes en la posición, ¡ajustes hasta 10.000 veces más pequeños que el cabello humano!

Un único fragmento hexagonal del espejo principal (la imagen corresponde a los dos científicos que están detrás de la cámara que toma la fotografía del espejo).

Espejo principal en pruebas de plegamiento, con una sección aún plegada (a la derecha).

 

El parasol y la órbita

El objetivo del telescopio, como mencionamos antes, es captar débiles señales de luz en el infrarrojo proveniente de objetos muy lejanos. Para esto, debe mantenerse extremadamente frío, para que ninguna fuente de temperatura que emita radiación, interfiera con las observaciones: ni la radiación emitida por el Sol, ni de la Tierra o la Luna ¡ni siquiera la radiación emitida por el propio armazón del telescopio! Para lograr mantenerlo frío, el telescopio está equipado con un protector solar de aproximadamente el tamaño de una cancha de tenis. Dicho parasol está compuesto de 5 capas de un material llamado Kapton, un polímero especial que se mantiene estable a temperaturas ya sea muy elevadas como muy bajas. Cada capa posee un grosor específico, y están separadas entre sí a diferentes distancias, además, están recubiertas de aluminio y silicona. Gracias a este cobertor, la diferencia de temperatura entre el lado frío, donde se encuentra el telescopio, los filtros y los detectores, y el lado caliente, donde incide directamente la luz el Sol, es de más de 300°C: el lado frío a unos -230°C y el caliente a unos 90°C. 

Científicos analizando las partes que componen el parasol terminado.

Sin embargo, el cobertor debe ser capaz de bloquear la radiación del Sol, la Tierra, la Luna, y el armazón del telescopio a la vez, esto significa que todos estos elementos deben estar ubicados en la misma línea. Así surge la elección del punto donde se hará orbitar el telescopio: no será alrededor de la Tierra, como en el caso del Hubble, si no en un punto del espacio llamado L2 (segundo punto de Lagrange). Este lugar está ubicado a unos 1,5 millones de kilómetros de nuestro planeta, y tiene la particularidad de que orbita al Sol manteniéndose en línea con nuestro planeta. El telescopio orbitará alrededor del punto L2, permitiendo que el cobertor bloquee todas las fuentes de radiación a la vez. Como este punto mantiene fija su posición respecto a la Tierra, las comunicaciones con el telescopio pueden darse continuamente sin interrupciones.

Animación de la órbita.

Esquema de la ubicación del telescopio, orbitando alrededor del punto L2. El cobertor bloquea la luz proveniente del Sol, la Luna y la Tierra a la vez. Existen otros puntos de Lagrange especiales llamados L1, L3, L4, y L5.

ISIM

El ISIM es el módulo que posee las cámaras y los detectores que recibirán la luz captada por el espejo. Posee una cámara infrarroja (NIRCam), es el instrumento principal que captará luz tanto de estrellas y galaxias muy antiguas en proceso de formación, como de estrellas cercanas en nuestra Vía Láctea. Posee un coronógrafo que permite bloquear la luz de estrellas muy brillantes, para analizar la presencia de objetos más débiles que puedan estar cerca. También está equipado con un espectrógrafo (NIRSpec). Los espectrógrafos son instrumentos que analizan la composición espectral de la luz recibida y permiten conocer propiedades como la temperatura, masa, y composición química de los objetos que se observan. Estos dos instrumentos permiten observar longitudes de onda en el infrarrojo de entre 0,6 y 5 micrones, a su vez, una segunda cámara y un segundo espectrógrafo (unificados en un instrumento llamado MIDI) observan en el rango de longitudes de onda del infrarrojo entre 5 y 28 micrones. Un tercer módulo (FGS/NIRISS), compuesto de otra cámara y otro espectrógrafo, estarán dedicados a la observación de exoplanetas (planetas fuera de nuestro sistema solar que orbitan alrededor de otras estrellas ). Este módulo posee además un sensor usado para que el telescopio apunte con exactitud al objeto que se desea observar.

 

El soporte de todo el sistema

Todos los instrumentos que hemos mencionado anteriormente irán montados en la “nave” o soporte que hace que todo el telescopio se comporte como un verdadero observatorio espacial. En dicho soporte, encontramos además paneles solares que brindan electricidad para el funcionamiento de todos los sistemas y las computadoras que se encargan del funcionamiento de todo, además de mantener la comunicación con los científicos en la Tierra. Además, posee un sistema de control de altitud, combustible y propulsores. Estos determinan si es necesario realizar cortas propulsiones para mantener la órbita estable. El combustible está calculado para una duración de 10 años, y el telescopio está pensado para que no necesite mantenimiento, a diferencia del Hubble, para el cual se realizaron cinco misiones de mantenimiento. Es decir, luego de diez años de intensa investigación, el telescopio James Webb finalizará su vida útil. 

Todo el Observatorio será enviado al espacio en un cohete Ariane 5, desde la Guayana Francesa. Trasladar el telescopio hasta el lugar del lanzamiento llevará alrededor de dos meses, y el viaje del cohete desde la Tierra hasta su destino final en órbita, llevará alrededor de 30 días más. 

Pruebas de plegado y desplegado del telescopio y del parasol. Aquí puede verse todo el sistema plegado, para que entre en el cohete que lo lanzará al espacio.

 

Diversas pruebas de plegado y desplegado de todos los elementos del observatorio se han llevado a cabo, aquí se ve el parasol ya desplegado.

 

Animación de la puesta en órbita del JWST.

 

Aquí se ve el sostén del espejo secundario y el espejo primario, ambos desplegados.

 

Con todos los desafíos de ingeniería superados, el telescopio James Webb se encuentra en las fases finales de pruebas, pensado para lanzarse al espacio en octubre del 2021. Cuando esté en pleno funcionamiento, estudiará la formación y evolución de galaxias, el ciclo de vida de estrellas lejanas, las atmósferas de planetas extrasolares, y buscará objetos lo más antiguos posibles para intentar aumentar la comprensión acerca del Big Bang y el origen del universo, uno de los eventos más enigmáticos y desafiantes no solo para la astronomía actual sino para el pensamiento científico del ser humano.

Representación artística del telescopio en el espacio.

Fuentes

https://www.jwst.nasa.gov/

https://www.bbc.com/news/science-environment-57078657.amp